CN106884627A - 一种海底天然气水合物开采装置 - Google Patents

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Abstract

一种天然气水合物开采装置，主要包括：开采船，涡流管，采气管，采气套管以及收集罩，来自于压缩机的高压天然气进入涡流管，将高压气体分离成冷、热两股流体。热流体直接进入水合物储层，固态水合物受热分解为天然气,通过采气管进入收集罩搜集，而冷气流用于保持生产过程中储层结构稳定。与现有的水合物开采技术相比，本发明依赖水合物开展过程中产生的天然气作为动力源，无需消耗额外能源，具有投资成本低、运行费用少、环保、高效等优点，在海底水合物开采中具有广泛应用前景。

Description

一种海底天然气水合物开采装置
技术领域:
本发明涉及一种天然气水合物开采装置，尤其是用于开发蕴藏在海底的天然气水合物开采的装置。
背景技术:
天然气水合物，俗称“可燃冰”，是在一定条件下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物。自然界中存在的天然气水合物绝大部分是甲烷水合物。水合物是目前最具发展前景的高效清洁能源之一，每立方米的天然气水合物可释放出164立方米甲烷。目前已发现水深3000米以内的天然气水合物中CH4的碳总量相当于全世界已知煤、石油、天然气总量的二倍，约2.1×1016m3，可满足人类1000年的能源需求。
当前的水合物开采方法主要有：热激法、减压法、化学试剂法。
热激法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。选取的加热方法有注入热水或蒸汽法、电磁加热法以及微波加热法等。该方法的主要缺点是热能损失大，加热中有10％到75％的热损失掉，热利用效率较低，开发的成本较高。
化学试剂法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇等来改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物的稳定温度，促使天然气水合物分解。这种方法缺点是作用缓慢，费用太高。另外，所加注的化学试剂可能对环境造成较大的破坏。
降压开采法是通过降低压力使天然气水合物稳定的相平衡曲线发生移动，从而促使天然气水合物分解的开采方法。一般是通过抽取水合物层下的游离体天然气实现降低水合物的压力，使与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。降压开采天然气往往速度较慢，而且对天然气水合物储层的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物储层位于温压平衡边界附近时，减压法才具有经济可行性。
由于天然气水合物埋藏于海底岩石中，和石油、天然气相比，钻探的难度要大很多，不易开采和运输。天然气水合物是一种亚稳态矿物，以固态形式被埋藏，在开采过程中很容易导致矿场坍塌。当前的水合物开采技术普遍存在开采效率低、生产成本高，开采过程中储层容易坍塌失稳等问题，为了克服现有技术的缺陷，提出了一种海底水合物开采装置，为实现水合物的高效、大规模开采开辟了一条新的途径。
发明内容：
本发明涉及一种天然气水合物开采装置，主要包括：开采船、涡流管、采气管、采气套管和集气罩，所述的开采船上布置有水合物再生室和燃气压缩机，燃气压缩机的出口安装有高压分气器，高压分气器的一个出口通过管线与水合物再生室相连通，另一出口通过注气管线与涡流管的涡流室相连，涡流管的冷端管末端深入到采气管内，采气管的***安装有采气套管，采气管的出口与天然气集气罩的进气口相连通，天然气集气罩出气口通过集气管线与低压分气器的入口相连通，低压分气器的一个出口与燃气压缩机的进口相连，另一出口与燃气发动机供气口相连通。
所述的涡流管由涡流室、冷端管、热端管组成，热端管出口安装有热力调节阀，冷端管末端设有对称布置的冷气连接管，冷气连接管与采气管外壁和采气套管内壁所形成的冷气环腔相连通。
所述的开采船上布置有计量泵，计量泵的进水口浸没在海水中，出口通过管道与水合物生成室相连通。
所述的水合物再生室内布置有冷凝器，冷凝器的入口通过冷气回收管线与冷气环腔相连通，冷凝器的出口与燃气压缩机的进口相连通。
所述的采气管与采气套管均为圆筒状，采气套管一端固定在海床上，另一端深入到海床以下，采气管安装在采气套管内，连通集气罩和水合物空腔，与二者保持同轴。
所述的集气罩可漂浮于海平面上，其底面水平，其底面设置有进气口，顶部设置有出气口，出气口上安装有压力传感器、温度传感器以及自动调节阀。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)利用开采出的天然气作为能源驱动燃气压缩机工作，无需额外动力，配套***少，开采成本低；
(2)利用涡流管产生的热气流加热水合物矿藏，利用冷气流保持生产过程中矿藏结构稳定，适用范围广，对水合物藏层无特殊要求。
(3)无需化学药剂，对环境无污染，实现了绿色环保开采。
附图说明：
图1为本发明的组成示意图；
图2为涡流管工作原理示意图；
图3为A-A截面示意图；
图4为集气罩结构示意图。
图中：1-开采船；2-涡流管；3-采气管；4-采气套管；5-集气罩；6-水合物再生室；7-燃气压缩机；8-高压分气器；9-注气管线；10-集气管线；11-低压分气器；12-燃气发动机；13-冷凝器；14-冷气回收管线；15-计量泵；16-涡流室；17-冷端管；18-热端管；19-热力调节阀；20-进气口；21-出气口；22-冷气连接管；23-压力传感器；24-温度传感器；25-冷气环腔；26-自动调节阀；27-水合物空腔。
具体实施方式:
本发明涉及一种天然气水合物开采装置，主要包括：开采船1、涡流管2、采气管3、采气套管4和集气罩5，所述的开采船1上布置有水合物再生室6和燃气压缩机7，燃气压缩机7的出口安装有高压分气器8，高压分气器8的一个出口通过管线与水合物再生室6相连通，另一出口通过注气管线9与涡流管2的涡流室16相连，涡流管2的冷端管17末端深入到采气管3内，采气管3的***安装有采气套管4，采气管3的出口与天然气集气罩5的进气口20相连通，集气罩5的出气口21通过集气管线10与低压分气器11的入口相连通，低压分气器11的一个出口与燃气压缩机7的进口相连，另一出口与燃气发动机12供气口相连通。
如图2所示，所述的涡流管2由涡流室16、冷端管17、热端管18组成，热端管18出口安装有热力调节阀19，冷端管17末端设有对称布置的冷气连接管22。
如图3所示，冷气连接管22与采气管3外壁和采气套管4内壁所形成的冷气环腔25相连通。
来自于高压分气器8的高压天然气通过注气管线9进入涡流管2。涡流管2是一种能量分离装置，能将高压气体分离成冷、热两股流体，这一现象即被称为能量分离效应，又称Ranque效应。如图2所示，高压天然气以很高的速度沿切线方向进入涡流室16，气流在涡流室16内形成高速涡旋，在涡流效应作用下分离成温度不相等的两部分气流。其中，处于中心部位的回流气流温度降低，形成冷气流，由冷端管17末端的冷气连接管22流出，而处于外层部位的气流温度升高，形成热气流，从热端管18的热气出口流出，热端管18靠近热气出口处安装有热力调节阀19。通过热力调节阀19可以控制进入冷端管17和热端管18的气体流量比例，进而改变冷气出口与热气出口的气流温度。
如图1所示，从涡流管2的热端管18末端排出的高温天然气直接进入水合物藏,与固体水合物进行充分的热交换。固态水合物受热发生相变，分解出甲烷气体，形成水合物空腔27。随着热气流的不断注入，固态水合物分解数量逐渐增加，所形成的空腔体积不断增大。分解的天然气通过采气管3进入天然气集气罩5。
如图1所示，为了保证在开采过程中上层水合物不发生坍塌，在采气管3的***安装有采气套管4。采气管3与采气套管4均为圆筒状，采气套管4一端固定在海床上，另一端深入到海床以下，采气管3安装在采气套管4内，连通集气罩5和水合物空腔27，与二者保持同轴。
图3为A-A截面示意图，来自于冷气连接管22的低温气流进入采气管3外壁和采气套管4内壁所形成的冷气环腔25。在冷气流的保护下，套管周围水合物不会因热量侵入而发生分解导致坍塌，从而保证采气工艺安全和稳定运行。采气套管4上还安装有冷气回收管线14，冷气流通过冷气回收管14与水合物再生室6中的冷凝器13相连，通过热交换降低水合物再生室6内温度，促进水合物重新生成，以便储存和外输。
如图4所示，集气罩5漂浮于海平面上，其底面水平，其底面设置有进气口20，顶部设置有出气口21，出气口21上安装有压力传感器23和温度传感器24以及自动调节阀26。来自于采气管3的天然气在集气罩5内逐渐积累，集气罩5内压力逐渐增加，通过安装在出气口21上的压力传感器23和温度传感器24可对集气罩5内温度、压力进行实时监测。当集气罩5内压力达到设定值时，自动调节阀26开启，通过集气管线10将集气罩5内的天然气输往燃气压缩机7入口处的低压分气器11。
低压分气器11的功能是将采出的天然气一分为二，其中一小部分作为燃料提供给燃气发动机12，燃气发动机12驱动燃气压缩机7工作。绝大部分气体则进入燃气压缩机入口管，通过燃气压缩机7进行增压。
燃气压缩机7出口设置有高压分气器8，其功能是将增压后的高压天然气分为两部分：其中一小部分通过注气管线9进入涡流管2，通过产生热气流，使储藏中的水合物分解从而进行采气；其余大部分压缩天然气则进入水合物再生室6重新生成水合物。
水合物生成的基本条件是：高压、低温以及水的存在。进入水合物再生室6的天然气为经过增压后的气体，从而满足高压条件。为实现低温，水合物再生室6内设有冷凝器13，来自于冷气环腔25的低温气体通过冷凝器13时，通过与水合物再生室6内的高压天然气进行热交换，降低天然气的温度，达到水合物生成温度，满足水合物生成温度要求。而水由计量泵15提供。计量泵15进水口设置在海水面下，将一定量的海水抽吸加注到水合物再生室6内。在低温、高压以及有水存在环境下，在水合物再生室6内水合物迅速结晶，天然气重新转变为固态，便于进一步储存与运输。
水合物再生室6可制成便于拆卸的撬装结构，使用时可采用两套装置，一套生产，一套备用，轮流切换。待水合物充满水合物再生室6后，将其拆下，通过运输船进行运输。通过备用的水合物再生室6继续进行生产。运输船返回时，由于水合物再生室6内的水合物已卸载，可以重新投入生产。如此循环，从而实现不间断连续生产。
本发明巧妙利用涡流管能同时产生冷气流和热气流的原理，通过热气流分解固体水合物进行采气，通过冷气流稳固采气管3防治储层坍塌，同时提供冷量，促进水合物重新生成，以便运输。与现有的水合物开采技术相比，本发明依赖水合物开展过程中产生的天然气作为动力源，无需消耗额外能源，具有投资成本低、运行费用少、环保、高效等优点，可用于海底水合物大规模开采。

Claims (6)

1.一种海底天然气水合物开采装置，其特征在于：主要包括开采船(1)、涡流管(2)、采气管(3)、采气套管(4)和收集罩(5)，开采船(1)上布置有水合物再生室(6)和燃气压缩机(7)，燃气压缩机(7)的出口安装有高压分气器(8)，高压分气器(8)的一个出口通过管线与水合物再生室(6)相连通，另一出口通过注气管线(9)与涡流管(2)的涡流室(16)相连，涡流管(2)的冷端管(17)末端深入到采气管(3)内，采气管(3)的***安装有采气套管(4)，采气管(3)的出口与天然气收集罩(5)的底部进气口(20)相连通，天然气收集罩(5)顶部出气口(21)通过集气管线(10)与低压分气器(11)的入口相连通，低压分气器(11)的一个出口与燃气压缩机(7)的进口相连，另一出口与燃气发动机(12)供气口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采装置，其特征在于：所述的涡流管(2)由涡流室(16)、冷端管(17)、热端管(18)组成，热端管(18)出口安装有热力调节阀(19)，冷端管(17)末端设有对称布置的冷气连接管(22)，冷气连接管(22)与采气管(3)外壁和采气套管(4)内壁所形成的冷气环腔(25)相连通。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采装置，所述的开采船1上布置有计量泵(15)，计量泵(15)的进水口浸没在海水中，出口通过管道与水合物生成室(6)相连通。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采装置，其特征在于：所述的水合物再生室内(6)布置有冷凝器(13)，冷凝器(13)的入口通过冷气回收管线(14)与冷气环腔(25)相连通，冷凝器(13)的出口与燃气压缩机(7)的进口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采装置，其特征在于：所述的采气管(3)与采气套管(4)均为圆筒状，采气套管(4)一端固定在海床上，另一端深入到海床以下，采气管(3)与采气套管(4)保持同轴，贯穿采气套管(4)，采气管(3)两端分别连通集气罩(5)和水合物空腔(27)。
6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采装置，其特征在于：所述的集气罩(5)可漂浮于海平面上，其底面水平，底面设置有进气口(20)，顶部设置有出气口(21)，出气口(21)上安装有压力传感器(23)、温度传感器(24)以及自动调节阀(26)。
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