CN111963125A - 一种原位热激法天然气水合物开采装置 - Google Patents
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Abstract
一种原位热激法天然气水合物开采装置，包括采气口、采气管道、若干个涡流管、冷气环腔、高压进气环腔、冷气管道、高压进气管道，所述涡流管本体包括设有进气通道的进气管、设有冷气通道的冷端管和设有热气通道的热端管，所述涡流管进气管道与进气环腔相连，所述涡流管冷端管与冷气环腔相连，所述涡流管热端管直接注入天然气水合物储层内，天然气水合物受热分解后通过环腔内采气管道收集。本发明具有体积小、结构紧凑、无需额外动力，安全可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及能源开发领域，特别涉及一种原位热激法天然气水合物开采装置。
背景技术
天然气水合物，又称可燃冰，是天然气与水在高压低温下形成的类冰状结晶物质。它常分布于深海沉积物中或陆域永久冻土中，相比于传统常规能源煤、石油、天然气，其具有燃烧值高、清洁无污染的特点。
随着海域天然气水合物开采相关技术的研究越来越普遍，我国的天然气水合物开采技术也在飞速发展中，2017年我国实现首次成功试采海域可燃冰，2020年我国率先实现水平井钻井深海可燃冰。由于天然气水合物形成的复杂性与特殊性，其开采方法也不同于传统常规能源。目前世界上常用的天然气水合物开采方法主要包括降压开采法、热激法、CO2置换法、化学抑制剂注入法、固体开采法以及多种开采组合的联合开采法。但以上开采技术仍存在以下问题。
（1）开采能耗大。对于传统热激法来说，热流体在流过路径很长的管道时会损失大量热量，特别针对深海开采。
（2）开采效率低。目前应用较多的降压法开采速度很慢，开采效率过低，与产业化要求仍有较大距离。
（3）存在一定的安全风险。传统热激法在开采过程中，热量易侵入上层引起上部储层的坍塌失稳。
涡流管是一个没有运动部件、结构非常简单的能量分离装置，压缩气体通过一个或多个喷嘴时发生膨胀，沿切线方向进入涡流管，形成高速旋转的涡流体，涡流体在管内发生一系列传热传质作用将会在管中心产生一股很冷的冷流，在外侧产生一股很热的热流。由于涡流管内强烈的离心作用，中心的冷流气体为干燥气体，外侧高温气体则集中了涡流管效应（含节流效应）产生的少量液体。通过改变热端的控制阀，可以调节冷热气体的比例，从而实现不同的冷热分离温度。
涡流管的很多独特特性使其在很多特殊领域得到了应用。首先，涡流管没有运动部件，这样就有较高的可靠性；其次，无需电等能源，可以应用于对安全要求高的地方，比如防火防爆、不能有火花产生的地方；另外，还有重量轻、体积小、成本低、免维护、及时冷却、温度可调等特点，如果采用不锈钢材料制作会有很长的寿命。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上天然气水合物开采过程中存在的技术问题，提供一种原位热激法天然气水合物开采装置。
为实现上述目的，本发明提供一种以下结构的原位热激法天然气水合物开采装置，包括涡流管本体，所述涡流管本体包括设有进气通道的进气管、设有冷气通道的冷端管和设有热气通道的热端管，所述涡流管进气管道与进气环腔相连，所述涡流管冷端管与冷气环腔相连，所述涡流管热端管直接接入天然气水合物储层内，天然气水合物受热分解后通过环腔内采气管道收集。
优选地，天然气水合物采气管道被进气环腔包覆，进气环腔被冷气环腔包覆，进气环腔和冷气环腔依附于采气管道，方便装置的加工和安装。
优选地，所述冷气管道外壁采用导热性能好的材料，加强冷气管道内的气体和天然气水合物盖层之间的热交换，防止盖层坍塌失稳；所述冷气管道和环腔内壁面上设有隔热材料，更好地减少冷气管道和冷气环腔内气体与进气管道和进气环腔内气体的热交换。
优选地，所述天然气水合物开采装置可根据工艺需要，改变与环腔连接的涡流管数量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
（1）能量损耗低。由于热流体流动路径短，热损失很小；
（2）开采效率高。热流直接进入储层使水合物分解，开采速度快；
（3）开采风险低。涡流管分离出的冷气流可保护上部储层，防止坍塌。
附图说明
图1为本发明一种原位热激法天然气水合物开采装置的整体结构剖视图。
图中：
1、采气口，2、采气管道，3、涡流管热端管，4、涡流室，5、涡流管进气管道，6、涡流管冷端管，7、冷气环腔，8、高压进气环腔，9、冷气管道，10、高压进气管道。
具体实施方式
本发明提出一种原位热激法天然气水合物开采装置，包括采气口1、采气管道2、若干个涡流管、冷气环腔7、高压进气环腔8、冷气管道9、高压进气管道10，如图1所示。
上游压缩机组输出的高压气体通过高压进气管道10输入到进气环腔8内，当高压进气环腔8内气体充满时，高压气体通过涡流管进气管道5，经过一个或多个喷嘴进入到涡流室4发生旋流分离效应，热流经由涡流管热端管3输送到下方天然气水合物储层，冷流经由涡流管冷端管6进入冷气环腔7内，当冷气环腔7内充满冷气时，由于压力作用将冷气环腔7内冷气输送至冷气管道9。
其中，冷气管道9外壁采用导热性能好的材料，加强冷气管道9内的气体和天然气水合物盖层之间的热交换，防止盖层坍塌失稳。
其中，冷气管道9和冷气环腔7内壁面上设有隔热材料，更好地减少冷气管道9与高压进气管道10之间的热交换。
工作时，高压气体通过涡流管进气管道5，经过一个或多个喷嘴进入到涡流室4发生膨胀，然后沿切线方向进入涡流管，形成高速旋转的涡流体，涡流体沿涡流管管壁向热流出口方向端运动，由于受到管壁摩擦力的作用，涡流体速度骤减，压力降低，同时产生大量的热能。当涡流体达到调节阀的位置后，释放出部分热流，从热流出口排出，另一部分被调节阀顶回，沿涡流管中心反方向运动，形成一个较小的反向涡流体（即冷流），冷流流至冷流出口排出。其原理根据角动量守恒定理，内侧涡流体的角速度高于外侧涡流体的角速度，两个涡流体之间的摩擦力使气体还原为同一角速度运动，导致内层涡流体减速而外层涡流体被加速，内侧涡流体损失了部分动能，温度下降，外层涡流体接收了内层涡流体的能量，温度上升。这样一股高压气流经自热涡流管减压处理后，在管中心产生一股很冷的冷流，在外层产生一股很热的热流。由于自热涡流管内强烈的离心作用，中心的冷流为干燥气体，外层高温热流则集中了涡流管效应含节流效应产生的所有液体，这样所有液态都存在于高温热流中，冷流温度虽然低，但其中不含液体，这样在输送过程中分离传送，含液态的高温热流和干燥的冷流都不易形成冰堵，且不需任何外部热源提供能量，直接在天然气水合物矿层内产热，即原位热激发，这样有效提高了可燃冰采出率。另外，可以通过控制热流出口一处的调节阀，可以调节冷热流比例，从而实现不同的冷热分离温度。
虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (5)
1.一种原位热激法天然气水合物开采装置，其特征在于：主要包括包括采气口（1）、采气管道（2）、若干个涡流管、冷气环腔（7）、高压进气环腔（8）、冷气管道（9）、高压进气管道（10），上游压缩机组输出的高压气体通过高压进气管道（10）输入到进气环腔（8）内，当高压进气环腔（8）内气体充满时，高压气体通过涡流管进气管道（5），经过一个或多个喷嘴进入到涡流室（4）发生旋流分离效应，热流经由涡流管热端管（3）输送到天然气水合物储层，冷流经由涡流管冷端管（6）进入冷气环腔（7）内，当冷气环腔（7）内充满冷气时，由于压力作用将冷气环腔（7）内冷气挤入冷气管道（9）。
2.根据权利要求1所述的一种原位热激法天然气水合物开采装置，其特征在于：天然气水合物采气管道（2）被进气环腔（8）包覆，进气环腔（8）被冷气环腔（7）包覆，进气环腔（8）和冷气环腔（7）依附于采气管道（2），方便装置的加工和安装。
3.根据权利要求1所述的一种原位热激法天然气水合物开采装置，其特征在于：所述天然气水合物开采装置可根据工艺需要，改变与环腔连接的涡流管数量。
4.根据权利要求1所述的一种原位热激法天然气水合物开采装置，其特征在于：所述冷气管道（9）外壁采用导热性能好的材料，加强冷气管道（9）内的气体和天然气水合物盖层之间的热交换，防止盖层坍塌失稳；所述冷气管道（9）和冷气环腔（7）内壁面上设有隔热材料，更好地减少冷气管道（9）内气体与进气管道（10）内气体的热交换。
5.根据权利要求1所述的一种原位热激法天然气水合物开采装置，其特征在于：所述涡流管热端管（3）出口的热流将直接输送至下方的天然气水合物储层，用以开采天然气水合物。
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