CN108005618B - 一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能‑海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置及方法。该方法主要涉及海上浮动平台、太阳能集热单元、海水源热泵单元、太阳能发电单元、海底天然气水合物开采单元、监测控制单元。所述方法利用海域中丰富的太阳能和海水能进行供热，作为海底天然气水合物注热法开采的基础热源，同时利用太阳能发电，给***内压缩机、过热装置、泵等耗电设备供能，是一种太阳能与海水能联合供能开采天然气水合物的方法。该方法能够利用可再生的太阳能与海水能资源，高效开采海底天然气水合物资源，大大降低了开采热源的输入成本，工艺简单，具有经济、环境、社会等多重效益，有助于天然气水合物的大规模商业化开采。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置及方法。
背景技术
天然气水合物是一类潜在的储量巨大的清洁能源，其储量约是当前已探明的全球所有化石燃料中碳含量总和的2倍，至少有1.0×1013吨。如何高效、经济地从水合物储层中开采储量庞大的天然气资源仍面临诸多挑战。
由于天然气水合物的稳定存在需要特定的温度和压力条件，它一般分布于冻土中或水深超过300米的海底沉积物中。如果温度升高或压力降低，天然气水合物将变得不稳定，分解释放出甲烷气。因此，通过打破海底天然气水合物稳定存在的热力学条件，即可实现其高效开采。
目前，经过矿场实际验证的成功方法主要有降压法、注化学试剂法、注热法、CO2置换法等。降压法是通过降低储层压力使其低于水合物生成压力；注化学试剂法是将某些化学试剂（如甲醇、乙醇、乙二醇等）注入地层，改变水合物形成的相平衡条件；注热法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体注入到天然气水合物储层，使其温度高于水合物生成温度；CO2置换法是将CO2（或含CO2置换法的混合气）注入到水合物储层，置换出水合物中的CH4，同时将CO2埋存于海底。在实际应用过程中，上述方法都有一定的局限，例如降压法的低效问题、注化学试剂法的高成本及污染问题、注热法的热损失问题、及CO2置换法的机理不明。由于注热法能有效地促进水合物分解，适用范围广，如果能解决好开采过程中的热损失问题，为水合物资源的开发提供大量经济廉价的热源，有助于天然气水合物规模化开采的实现。
针对天然气水合物注热法开采需要消耗大量的能量，本发明提出一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法，利用可再生的太阳能与海水能资源，获取大量可用于水合物开采的热量，整个过程经济、环保、节能。
发明内容
为了解决注热法开采海底天然气水合物过程中需要消耗大量的能源，降低开采成本，本发明提出一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法。该方法充分利用海域中丰富的可再生的太阳能与海水能资源，制取大量廉价的可用于水合物开采的热量，整个过程经济、环保、节能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置及方法，通过如下技术方案实现。
一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法，该海底天然气水合物开采方法主要通过海上浮动平台、太阳能集热器、海水源热泵、太阳能发电单元、海底天然气水合物开采单元、监测控制器实现，步骤如下：
(1) 利用深海钻井技术在天然气水合物储层钻出两口以上的水平井；所述的水平井包括一个以上的开采井和一个以上采出井；在开采井水平段部位设置射孔，用于向水合物储层注入热流体；在采出井水平段部位设置气液收集套管，用于收集分解产生的甲烷气；
(2) 建造海上浮动平台（22），布置太阳能集热器（1）、海水源热泵（10）、太阳能发电装置（6）、监测控制器（20）以及辅助设备，铺设向海底水合物储层开采井输入注热流体的管道，在开采井竖直段底部设置过热装置（14），用于加热注热流体，并在太阳能发电单元与井底过热装置之间架设电缆；所述太阳能发电单元包括蓄电池（5）、太阳能发电装置（6）和控制转换装置（7）；
(3) 开启太阳能发电单元，光伏电板收集太能辐射能并转化为电能，产生的电能用于维持***内压缩机、过热装置、泵的正常工作；
(4) 开采初期通过降压方式促使天然气水合物进行分解，达到改变水合物储层结构的目的，诱导生成大量孔隙通道，提高储层渗透率，有助于注热流体在储层中的扩散；当天然气水合物储层压力降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15%以下时，转注热法开采，即通过开采井输入注热流体，由水平段射孔注入水合物储层，促使水合物分解；
(5) 在水合物转注热法开采阶段，由太阳能-海水源热泵联合供热，利用太阳能集热器与海水源热泵收集的能量进行供能，注热流体加热60~100 °C后从开采井井口泵入，经过热装置加热后，由开采井水平段的射孔部位注入水合物储层；
(6) 监测控制单元保障整个开采过程安全、高效运行，通过温度和压力传感器收集***运行信息，判断其运行状态，及时控制阀门、泵的运行，实现***运行方式的切换，满足不同条件下的开采需求。
上述方法中，所述注热流体是浓盐水、甲醇、乙二醇、海水及其混合溶液。
上述方法中，所述过热装置是电加热器、微波加热器、超声波发生装置及其组合。
上述方法中，所述***运行方式的切换依据海水温度和太阳辐射强弱而定，具体可分为如下五种：
(1) 太阳能集热单元单独供热方式：注热法开采初期，水合物饱和度较高，所需热负荷较小，太阳能集热单元提供的温度较高，流体温度T≥60 °C，满足开采需求，无需启动海水源热泵机组；
(2) 太阳能与海水源热泵并联供热方式：太阳能集热单元加热流体后的温度为40°C≤T≤60 °C，不能直接注入地层，此时蓄热水箱出口的流体与海水源热泵机组的冷凝器并联，进行并联供热；
(3) 太阳能与海水源热泵串联供热方式：太阳能集热单元加热流体后的温度为20°C≤T≤40 °C，进入海水源热泵机组蒸发器，进行串联供热；
(4) 海水源热泵单独供热方式：太阳能集热单元加热流体后，T≤10 °C，停止太阳能***工作，利用海水源热泵单独供热；
(5) 太阳能发电单元单独供热方式：在冬季、夜晚或者阴雨天等气象条件下，太阳能集热单元与海水源热泵单元提供的热量无法满足天然气水合物注热法开采的需求，***可由太阳能发电单元供热，通过释放储存的备用电量保证***持续运行。
一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置，包括太阳能集热器、蓄热水箱、阀门、泵、板式换热器、海水源热泵、开采井井口、上覆地层、开采井、下覆地层、水合物储层、采出井、采出井井口、气液分离器、海上浮动平台、注热流体输入管、气液收集套管和射孔；所述水合物储层内部设置有开采井和采出井，所述采出井外设置有采出井井口，所述采出井井口与气液分离器连接，所述采出井水平段设置有气液收集套管，所述开采井外设置有开采井井口，所述开采井水平段设置有射孔；所述泵、阀门、蓄热水箱、太阳能集热器顺次连接，且所述太阳能集热器的出口与蓄热水箱连接，所述蓄热水箱通过注热流体输入管与开采井井口连接；所述海水源热泵、板式换热器和海上浮动平台顺次连接，且海上浮动平台通过泵与板式换热器、海水源热泵顺次连接，所述海水源热泵通过注热流体输入管与开采井井口连接；所述蓄热水箱与板式换热器之间设置有管道，所述海水源热泵与泵连接，所述海水源热泵与蓄热水箱连接；所述水合物储层位于上覆地层下方，位于下覆地层上方。
本发明还包括蓄电池、太阳能发电装置、控制转换装置和过热装置；所述过热装置设置于开采井内，所述过热装置通过电缆与控制转换装置连接，所述控制转换装置分别与蓄电池、太阳能发电装置连接。
上述装置中，所述开采井、采出井和蓄热水箱内均设置有温度和压力传感器，所述温度和压力传感器与监测控制器连接。
上述装置中，所述海水源热泵由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置和内循环泵组成；所述蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置和内循环泵首尾连接。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1) 通过对海域中低品质的太阳能和海水能进行转化利用，开采出高品位的天然气，显著提高了能源利用效率；
(2) 太阳能与海水能作为一种丰富的可再生能源，能持续为海底天然气水合物的开采提供热量和电能，大大降低了生产成本；
(3) 依据气象条件与***运行要求，及时切换***运行方式，有效避免冬季、夜里或阴雨天开采效率低下的问题。
附图说明
图1是本发明一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法的工艺流程图。
图2是海水源热泵的工艺流程图。
图中各个部件如下：
太阳能集热器1、蓄热水箱2、阀门3、泵4、蓄电池5、太阳能发电装置6、控制转换装置7、温度和压力传感器8、板式换热器9、海水源热泵10、开采井井口11、上覆地层12、开采井13、过热装置14、下覆地层15、水合物储层16、采出井17、采出井井口18、气液分离器19、监测控制器20、电缆21、海上浮动平台22、注热流体输入管23、气液收集套管24、射孔25、蒸发器26、压缩机27、冷凝器28、节流装置29、内循环泵30。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但是本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置，包括太阳能集热器1、蓄热水箱2、阀门3、泵4、板式换热器9、海水源热泵10、开采井井口11、上覆地层12、开采井13、下覆地层15、水合物储层16、采出井17、采出井井口18、气液分离器19、海上浮动平台22、注热流体输入管23、气液收集套管24和射孔25；所述水合物储层16内部设置有开采井13和采出井17，所述采出井17外设置有采出井井口18，所述采出井井口18与气液分离器19连接，所述采出井17水平段设置有气液收集套管24，所述开采井13外设置有开采井井口11，所述开采井13水平段设置有射孔25；所述泵4、阀门3、蓄热水箱2、太阳能集热器1顺次连接，且所述太阳能集热器1的出口与蓄热水箱2连接，所述蓄热水箱2通过注热流体输入管23与开采井井口11连接；所述海水源热泵10、板式换热器9和海上浮动平台22顺次连接，且海上浮动平台22通过泵与板式换热器9、海水源热泵10顺次连接，所述海水源热泵10通过注热流体输入管23与开采井井口11连接；所述蓄热水箱2与板式换热器9之间设置有管道，所述海水源热泵10与泵4连接，所述海水源热泵10与蓄热水箱2连接；所述水合物储层16位于上覆地层12下方，位于下覆地层15上方。还包括蓄电池5、太阳能发电装置6、控制转换装置7和过热装置14；所述过热装置14设置于开采井13内，所述过热装置14通过电缆21与控制转换装置7连接，所述控制转换装置7分别与蓄电池5、太阳能发电装置6连接。所述开采井13、采出井17和蓄热水箱2内均设置有温度和压力传感器8，所述温度和压力传感器8与监测控制器20连接。所述海水源热泵10由蒸发器26、压缩机27、冷凝器28、节流装置29和内循环泵30组成；所述蒸发器26、压缩机27、冷凝器28、节流装置29和内循环泵30首尾连接。
本发明方法如下：
(1) 利用深海钻井技术在天然气水合物储层16钻出两口以上的水平井；所述的水平井包括一个以上的开采井13和一个以上采出井17；在开采井水平段部位设置射孔25，用于向水合物储层注入热流体；在采出井水平段部位设置气液收集套管24，用于收集分解产生的甲烷气；
(2) 建造海上浮动平台22，布置太阳能集热单元1、海水源热泵单元10、太阳能发电单元6、监测控制单元20以及辅助设备，铺设向海底水合物储层开采井输入注热流体的管道23，在开采井竖直段底部设置过热装置14，用于加热注热流体，并在太阳能发电单元与井底过热装置之间架设电缆21；
(3) 开启太阳能发电单元6，光伏电板收集太能辐射能并转化为电能，产生的电能用于维持***内压缩机25、过热装置14、泵4等耗电设备的正常工作；
(4) 开采初期通过降压方式促使天然气水合物进行分解，达到改变水合物储层结构的目的，诱导生成大量孔隙通道，提高储层渗透率，有助于注热流体在储层中的扩散。当天然气水合物储层压力降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15%以下时，转注热法开采，即通过开采井输入注热流体，由水平段射孔注入水合物储层，促使水合物分解；
(5) 在水合物转注热法开采阶段，由太阳能-海水源热泵联合供热，利用太阳能集热器与海水源热泵收集的能量进行供能，注热流体加热60 °C后从开采井井口（11）泵入，并经过热装置加热后，由开采井水平段的射孔部位注入水合物储层；
(6) 监测控制单元保障整个开采过程安全、高效运行，通过温度和压力传感器收集***运行信息，判断其运行状态，及时控制阀门3、泵4的运行，实现***运行方式的切换，满足不同条件下的开采需求。
所述注热流体可以是浓盐水、甲醇、乙二醇、海水及其混合溶液。
所述过热装置可以是电加热器、微波加热器、超声波发生装置及其组合。
所述***运行方式的切换依据海水温度和太阳辐射强弱而定，具体可分为如下五种：
(1) 太阳能集热单元单独供热方式：注热法开采初期，水合物饱和度较高，所需热负荷较小，太阳能集热单元提供的温度较高，流体温度T≥60 °C，满足开采需求，无需启动海水源热泵机组，开启阀a、b、c、d，其他阀关闭；
(2) 太阳能与海水源热泵并联供热方式：太阳能集热单元加热流体后的温度为40°C≤T≤60 °C，不能直接注入地层，此时蓄热水箱出口的流体与海水源热泵机组的冷凝器（26）并联，进行并联供热，开启阀a、b、c、d、g、h、i、j、k、l，其他阀关闭；
(3) 太阳能与海水源热泵串联供热方式：太阳能集热单元加热流体后的温度为20°C≤T≤40 °C，蓄热水箱出口的流体进入海水源热泵机组蒸发器24，进行串联供热，开启阀a、b、e、f、k、l，其他阀关闭；
(4) 海水源热泵单独供热方式：太阳能集热单元加热流体后，T≤10 °C，停止太阳能***工作，利用海水源热泵单独供热g、h、k、l，其他阀关闭；
(5) 太阳能发电单元单独供热方式：在冬季、夜晚或者阴雨天等气象条件下，太阳能集热单元与海水源热泵单元提供的热量无法满足天然气水合物注热法开采的需求，***可由太阳能发电单元供热，通过释放储存的备用电量保证***持续运行。
Claims (6)
1.一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，步骤如下：
(1)利用深海钻井技术在天然气水合物储层钻出两口以上的水平井；所述的水平井包括一个以上的开采井和一个以上采出井；在开采井水平段部位设置射孔，用于向水合物储层注入热流体；在采出井水平段部位设置气液收集套管，用于收集分解产生的甲烷气；
(2)建造海上浮动平台(22)，布置太阳能集热器(1)、海水源热泵(10)、太阳能发电装置(6)、监测控制器(20)以及辅助设备，铺设向海底水合物储层开采井输入注热流体的管道，在开采井竖直段底部设置过热装置(14)，用于加热注热流体，并在太阳能发电单元与井底过热装置之间架设电缆；所述太阳能发电单元包括蓄电池(5)、太阳能发电装置(6)和控制转换装置(7)；
(3)开启太阳能发电单元，光伏电板收集太能辐射能并转化为电能，产生的电能用于维持***内压缩机、过热装置、泵的正常工作；
(4)开采初期通过降压方式促使天然气水合物进行分解，达到改变水合物储层结构的目的，诱导生成大量孔隙通道，提高储层渗透率，有助于注热流体在储层中的扩散；当天然气水合物储层压力降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15％以下时，转注热法开采，即通过开采井输入注热流体，由水平段射孔注入水合物储层，促使水合物分解；
(5)在水合物转注热法开采阶段，由太阳能-海水源热泵联合供热，利用太阳能集热器与海水源热泵收集的能量进行供能，注热流体加热60～100℃后从开采井井口泵入，经过热装置加热后，由开采井水平段的射孔部位注入水合物储层；
(6)监测控制单元保障整个开采过程安全、高效运行，通过温度和压力传感器收集***运行信息，判断其运行状态，及时控制阀门、泵的运行，实现***运行方式的切换，满足不同条件下的开采需求。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述注热流体是浓盐水、甲醇、乙二醇、海水及其混合溶液。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述过热装置是电加热器、微波加热器、超声波发生装置及其组合。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述***运行方式的切换依据海水温度和太阳辐射强弱而定，具体可分为如下五种：
(1)太阳能集热单元单独供热方式：注热法开采初期，水合物饱和度较高，所需热负荷较小，太阳能集热单元提供的温度较高，流体温度T≥60℃，满足开采需求，无需启动海水源热泵机组；
(2)太阳能与海水源热泵并联供热方式：太阳能集热单元加热流体后的温度为40℃≤T≤60℃，不能直接注入地层，此时蓄热水箱出口的流体与海水源热泵机组的冷凝器并联，进行并联供热；
(3)太阳能与海水源热泵串联供热方式：太阳能集热单元加热流体后的温度为20℃≤T≤40℃，进入海水源热泵机组蒸发器，进行串联供热；
(4)海水源热泵单独供热方式：太阳能集热单元加热流体后，
T≤10℃，停止太阳能***工作，利用海水源热泵单独供热；
(5)太阳能发电单元单独供热方式：在冬季、夜晚或者阴雨天等气象条件下，太阳能集热单元与海水源热泵单元提供的热量无法满足天然气水合物注热法开采的需求，***可由太阳能发电单元供热，通过释放储存的备用电量保证***持续运行。
5.一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置，其特征在于，包括太阳能集热器(1)、蓄热水箱(2)、阀门(3)、泵(4)、板式换热器(9)、海水源热泵(10)、开采井井口(11)、上覆地层(12)、开采井(13)、下覆地层(15)、水合物储层(16)、采出井(17)、采出井井口(18)、气液分离器(19)、海上浮动平台(22)、注热流体输入管(23)、气液收集套管(24)和射孔(25)；所述水合物储层(16)内部设置有开采井(13)和采出井(17)，所述采出井(17)外设置有采出井井口(18)，所述采出井井口(18)与气液分离器(19)连接，所述采出井(17)水平段设置有气液收集套管(24)，所述开采井(13)外设置有开采井井口(11)，所述开采井(13)水平段设置有射孔(25)；所述泵(4)、阀门(3)、蓄热水箱(2)、太阳能集热器(1)顺次连接，且所述太阳能集热器(1)的出口与蓄热水箱(2)连接，所述蓄热水箱(2)通过注热流体输入管(23)与开采井井口(11)连接；所述海水源热泵(10)、板式换热器(9)和海上浮动平台(22)顺次连接，且海上浮动平台(22)通过泵与板式换热器(9)、海水源热泵(10)顺次连接，所述海水源热泵(10)通过注热流体输入管(23)与开采井井口(11)连接；所述蓄热水箱(2)与板式换热器(9)之间设置有管道，所述海水源热泵(10)与泵(4)连接，所述海水源热泵(10)与蓄热水箱(2)连接；所述水合物储层(16)位于上覆地层(12)下方，位于下覆地层(15)上方；
还包括蓄电池(5)、太阳能发电装置(6)、控制转换装置(7)和过热装置(14)；所述过热装置(14)设置于开采井(13)内，所述过热装置(14)通过电缆(21)与控制转换装置(7)连接，所述控制转换装置(7)分别与蓄电池(5)、太阳能发电装置(6)连接；
所述开采井(13)、采出井(17)和蓄热水箱(2)内均设置有温度和压力传感器(8)，所述温度和压力传感器(8)与监测控制器(20)连接。
6.根据权利要求5所述基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置，其特征在于，所述海水源热泵(10)由蒸发器(26)、压缩机(27)、冷凝器(28)、节流装置(29)和内循环泵(30)组成；所述蒸发器(26)、压缩机(27)、冷凝器(28)、节流装置(29)和内循环泵(30)首尾连接。
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