一种海域天然气水合物循环热激开采的方法与系统

1.本发明涉及一种海域天然气水合物循环热激开采的方法与系统，属于能源开采技术工程领域。


背景技术：

2.全球工业化对能源需求的日益增长和常规化石能源的消耗枯竭，以及对能源使用的绿色化、低碳化要求，非常规天然气能源—天然气水合物以其储量巨大、分布广泛、能量密度高、燃烧洁净等优点受到全世界越来越多的关注，被认为是最有潜力和前景的新型高效清洁替代能源，是未来能源革命的战略突破口[李守定，李晓，王思敬，等.天然气水合物原位补热降压充填开采方法[j].工程地质学报，2020，28(2):282-293]。
[0003]
根据天然气水合物稳定存在的温-压条件，天然气水合物大多分布于陆地冻土区或距海面900到1200米的深海沉积物中。当前对天然气水合物已实施的试采方法主要有：降压法、热激法和二氧化碳置换法。降压法受控于天然气水合物储层的导热，它的优点为能量消耗较低，开采技术工艺相对简单，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物的开采。但单纯的降压法会明显受到储层传热的影响，并且水合物分解区域局部大的温降，以及焦耳-汤姆逊效应的综合影响，则可能导致气体和水在储层中二次水合物生成或孔隙水结冰，进而影响储层的渗透率和最终的产气率[阮徐可，李小森，徐纯刚，张郁，颜克凤，天然气水合物降压联合井壁加热开采的数值模拟[j].化工学报，2015，66(04):1544-1550]。另外，固态天然气水合物降压分解成气态的天然气和液态的水，储层沉积物颗粒胶结骨架弱化，导致水合物储层强度降低、地层出砂；降压分解的气、水及移动的沉积物颗粒，也会使得储层孔隙度降低，引起水合物储层的渗透率变小，进而导致天然气水合物分解变慢，产气效率下降。而热激法的主要的优点为产气速率较快。目前全球对于这一方法的研究较多，加热的方式也正在不断改进，促进了热激开采法的发展。二氧化碳置换法的置换原理则为，co2水合物较ch4水合物更容易形成水合物。该方法的优点是可同时解决天然气水合物开采与co2储存的问题，在开采过程中还可以尽大可能地保持水合物储层的稳定性。
[0004]
迄今为止，无论实验设计下的开采方法模拟产气或实地试采的采气平均日产量都远远达不到商业化开发的需求，提出更为高效安全环保的开采技术方案仍是当前水合物开采技术开发领域的重点内容。因此，亟需提出了一种经济安全、节能环保、高效地大规模开采海域天然气水合物资源的技术方法，以期能满足天然气水合物商业化开采的需要。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种海域天然气水合物循环热激开采的方法与系统，本发明经济安全、节能环保、高效地大规模开采海域天然气水合物。
[0006]
本发明提供的一种海域天然气水合物循环热激开采的方法，包括如下步骤：1)设置海下水合物层布井系统，包括两口或多口注热井和采气井；
[0007]
所述注热井包括相连通的注热井筒和注热井水平井段，所述采气井包括相连通的
采气井筒和采气井水平井段；将所述注热井筒、所述采气井筒一端分别设置于天然气水合物层内，并沿其内水平方向再打钻所述注热井水平井段和所述采气井水平井段；
[0008]
2)通过所述注热井向所述天然气水合物层内注入热水和热烟气，使其内水合物分解生成水、气；
[0009]
3)将所述天然气水合物层分解生成的水、气及其内自由水、自由气经采气井抽回海上作业平台，分离得到天然气和水；
[0010]
4)将步骤3)中分离得到的所述天然气一部分经液化储运，另一部分经干燥加压后燃烧，为所述海上作业平台提供动力，所述燃烧产生的热量及烟气余热加热步骤3)中分离出的所述水，得到热水；
[0011]
5)步骤4)中所述热水和所述烟气经泵加压后再经步骤2)所述注热井回注到所述天然气水合物层，然后重复步骤3)～4)，以完成海域天然气水合物循环热激开采。
[0012]
上述的方法中，沿所述天然气水合物层的垂直方向，所述注热井水平井段设置在所述采气井水平井段上部。
[0013]
本发明中，所述注热井位于所述采气井之上，以便提供适当的温度防止采气井周边的二次水合物生成，避免堵塞流体通道影响采气；同时所述注热井带来的热烟气如二氧化碳，能在所述天然气水合物层上部形成二氧化碳水合物，有助于改善整个储层的稳定性；另外位于所述采气井上部布置所述注热井，注入的热水和热烟气可以冲刷采气井附近可能存在的沉沙，增加开采井附近储层的流通性，加快水合物分解产气
[0014]
上述的方法中，所述采气井水平段末端设置防砂装置，避免采气过程中的出砂现象和沙粒堵塞流体通道行为；
[0015]
步骤3)中所述天然气水合物层分解生成的水、气及其内自由水、自由气通过所述防砂装置处理后经采气井抽回海上作业平台。
[0016]
上述的方法中，步骤4)中所述燃烧在所述海上作业平台内的燃气轮机燃烧室内进行，推动轮机作业提供所述海上作业平台动力。
[0017]
上述的方法中，所述采气井通过泵驱动。
[0018]
本发明还提供了一种用于上述的方法的海域天然气水合物循环热激开采的系统，该系统包括两口或多口注热井和采气井，以及设置在海上作业平台内的装置；
[0019]
所述注热井包括相连通的注热井筒和注热井水平井段，所述采气井包括相连通的采气井筒和采气井水平井段；
[0020]
所述设置在海上作业平台内的装置包括气液分离装置、气体降压回收装置、液化天然气存储罐、压缩机、汽轮机、燃烧室、热水/热烟气储存罐、水循环回收装置、增压注入装置；
[0021]
所述采气井筒与气液分离装置入口相连接，所述气液分离装置的出气口通过所述气体降压回收装置分别与所述液化天然气存储罐和所述压缩机相连接，所述气液分离装置的出液口与所述水循环回收装置的入水口相连接，所述水循环回收装置的一个出水口与所述汽轮机相连接，以将循环水通过汽轮机内燃烧室释放的余热加热；
[0022]
所述压缩机与设置在汽轮机内的所述燃烧室相连接，将一部分天然气供给所述燃烧室使用，为海上作业平台提供动力，所述燃烧室通过热烟气管道和热水管道与所述热水/热烟气储存罐相连接，以将燃烧室产生的热烟气、热水存储循环其热量利用；所述热水/热
烟气储存罐和所述水循环回收装置的另一个出水口均通过增压注入装置与所述注热井筒相连接，共同将热烟气、热水加入注热井筒。
[0023]
本发明中，所述海域天然气水合物循环热激开采的系统包括的各个部件均为本领域常规的装置。
[0024]
本发明具有以下优点：
[0025]
1、本发明利用从水合物层开采的天然气满足海上平台的作业需求，加热从水合物储层开采获得的水再同连同天然气燃烧产生的热废气，经过泵加压后回注水合物储层，循环热激开采天然气水合物；本方法开采过程中所需能量和热介质可以自给自足，且不向环境排放污染。
[0026]
2、本发明将注热井布置于开采井之上，在满足循环注热、抽水抽气开采天然气水合物的同时，采气井上方的注热井注入的热水、热烟气提供适当的热量防止采气井周边的二次水合物生成，避免堵塞流体通道影响采气；同时位于采气井上方注热井注入的热烟气能在水合物储层上部生产二氧化碳水合物，有助于改善整个储层在天然气水合物开采过程中的稳定性；采气井上方布置注热井，注热井将一定速率、压力的热水和热烟气注入采气井上部可以冲刷采气井附近可能存在的沉沙，增加采气井附近储层的流通性，从而加快水合物分解产气。
[0027]
3、本发明经济安全；加热后的热水和燃气轮机产生的热烟气经泵加压后再通过注热井回注到水合物层，无污染，以实现节能环保；本发明能高效地大规模开采海域天然气水合物资源。
附图说明
[0028]
附图1为本发明海域天然气水合物循环热激开采方法的流程示意图；
[0029]
附图2为本发明海域天然气水合物海上循环热激开采的系统结构示意图；
[0030]
图1-2中各个标记如下：
[0031]
1天然气水合物下伏沉积物层；2天然气水合物储层；3天然气水合物上伏沉积物层；4液化天然气存储罐；5海上作业平台；6汽轮机；7压缩机；8燃烧室；9气体降压回收装置；10气液分离装置；11水循环回收装置；12热水/热烟气储存罐；13增压注入装置；14海平面；15采气井；16注热井。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图1和具体技术方案对本发明的内容做进一步详细说明。
[0033]
实施例一
[0034]
如图2所示，为本发明海域天然气水合物循环热激开采的系统的结构示意图。该系统包括两口或多口注热井16和两口或多口采气井15，以及设置在海上作业平台5内的装置；
[0035]
注热井16包括相连通的注热井筒和注热井水平井段，采气井15包括相连通的采气井筒和采气井水平井段；
[0036]
设置在海上作业平台5内的装置包括气液分离装置10、气体降压回收装置9、液化天然气存储罐4、压缩机7、汽轮机6、燃烧室8、热水/热烟气储存罐12、水循环回收装置11、增压注入装置13；
[0037]
采气井筒与气液分离装置10入口相连接，气液分离装置10的出气口通过气体降压回收装置9分别与液化天然气存储罐4和压缩机6相连接，气液分离装置10的出液口与水循环回收装置11的入水口相连接，水循环回收装置11的一个出水口与汽轮机6相连接，以将循环水通过汽轮机内燃烧室释放的余热加热；
[0038]
压缩机7与设置在汽轮机6内的燃烧室8相连接，将一部分天然气供给所述燃烧室使用，为海上作业平台提供动力，燃烧室8通过热烟气管道和热水管道与热水/热烟气储存罐12相连接，以将燃烧室8产生的热烟气、热水存储循环其热量利用；热水/热烟气储存罐12和水循环回收装置11的另一个出水口均通过增压注入装置13与注热井筒相连接，共同将热烟气、热水加入注热井筒。
[0039]
本发明海域天然气水合物循环热激开采方法，按照图1所示流程进行，具体步骤如下：首先在天然气水合物下伏沉积物层1之上的天然气水合物储层2构筑注热井16、采气井15及在其内沿水平方向再打钻水平井段，使其尽可能地深入天然气水合物储层2，增加注热井16和采气井15与天然气水合物储层2的接触面，满足扩大生产要求；同时对于注热井16和采气井15的位置布置，沿天然气水合物储层2垂直方向，将注热井16布置于采气井15之上，在满足循环注热、抽水抽气开采天然气水合物的同时，采气井15上方的注热井15注入的热水、热烟气提供适当的热量防止采气井15周边的二次水合物生成，避免堵塞流体通道影响采气；同时位于采气井15上方注热井16注入的热烟气可以在天然气水合物储层2上部生产二氧化碳水合物，有助于改善整个储层在天然气水合物开采过程中的稳定性；采气井15上方布置注热井16，注热井16将一定速率、压力的热水和热烟气注入采气井15上部可以冲刷采气井附近可能存在的沉沙，增加采气井附近储层的流通性，从而加快水合物分解产气。在采气井15水平井末端设置防砂装置，避免采气过程中的出砂现象和沙粒堵塞流体通道。
[0040]
注热井16将热水、热烟气等热介质注入天然气水合物储层2来分解天然气水合物，于此同时采气井15通过泵吸作业将天然气水合物分解生成的水、气混合流体和天然气水合物储层2中的自由气、自由水，通过防砂处理后抽回海上作业平台5，再经过气液分离装置10分离后将水净化处理，经水循环回收装置11引入热水管加热加压，而天然气经气体降压回收装置9回收干燥后大部分进入液化天然气存储罐4进行液化储运，部分天然气经压缩机7干燥压缩后进入气轮机6的燃烧室8反应，推动汽轮机6作业满足海上作业平台动力需要，并利用天然气燃烧产生的热量和烟气余热加热用于循环热激的循环水等；加热后的热水和燃气轮机产生的热烟气等热介质存入热水/热烟气储存罐12，在需要的时候再经增压注入装置13加压后再通过注热井16回注到天然气水合物储层2，继续热激开采天然气水合物，而采气井15进行采气采水，进一步促进天然气水合物分解产气，以此循环热激开采。同时利用注热井16在采气井15上方，能进行经济安全、节能环保、高效地大规模开采海域天然气水合物资源。