一种动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统的制作方法

1.本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统。


背景技术：

2.天然气水合物是指天然气与水在一定条件下形成的一种固体结晶，由于其外观洁白，可以进行燃烧且质地与冰类似，故又有“可燃冰”之称。可燃冰的形成条件极为苛刻，需要较高压强以及较低温度条件，因此可燃冰常存在于内陆高山冻土层及深层海底。据探测，在全球范围内存在储量丰富的可燃冰，如能大规模开采将会极大缓解全球能源短缺的困境。由于可燃冰在常温常压下极易分解产生甲烷气体，因此若开采方案不科学可燃冰分解产生的甲烷气体极易扩散至大气中造成严重的温室效应，同时有可能造成海底塌陷引发地质灾害。
3.对于天然气水合物开采相关问题，国内外已开展了大量的研究，并提出了注热法、降压法、co2置换法、化学抑制剂注入法以及我国学者针对我国南海天然气水合物储层特点提出的固态流化法等技术。研究表明：在上述多种天然气水合物开采技术中仍存在严重问题制约着天然气水合物的商业化开采进程：注热法目前存在能量消耗大以及开采效率低下等问题；降压法目前存在开采过程中容易引起储层温度过低，从而引发结冰或者水合物二次生成的现象，造成渗透路径的堵塞，影响开采效率；co2置换法目前存在置换效率不高，置换所需条件较为苛刻，同时co2容易渗透到开采井中，带来新的分离问题；固态流化法目前存在出砂严重以及如何泵送高密度流化固体等问题；化学抑制剂注入法存在需要耗费大量资源成本的问题。因此，亟需针对上述开采方法存在的问题提出一种全新的开采思路，在保证稳定高效开采的同时避免破坏生态环境，实现海底可燃冰的安全和高效开采。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了提供一种动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统，在保证不破坏环境生态的条件下，提高天然气水合物的开采效率，并在开采海底水合物的同时兼顾储层修复，实现海底天然气水合物的安全、高效和可控开采。
5.为达到上述目的，本发明提供了一种动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统，包括：
6.动力机构，为所述系统提供动力；
7.开采装置，其与动力机构的第一端连接，用于对海底天然气水合物进行热解，将海底天然气水合物分解为气体；
8.气体分离装置，其出口的第一端与海上钻探船连接，以用于天然气的储存；其出口的第二端与所述动力机构连接，以向所述动力机构供给天然气；
9.地质修复装置，其由所述动力机构驱动，且与动力机构的第二端连接，以将所述动力机构的燃烧尾气冷却加压用于天然气水合物储层的修复；
10.所述开采装置包括：设置于所述天然气水合物储层内的过滤分离装置、与所述过滤分离装置连接的多级换热器、与所述多级换热器连接的射流泵、所述射流泵的出口连接有射流喷头，所述射流喷头设置于所述天然气水合物储层处，所述气体分离装置设置于所述射流喷头一侧。
11.优选的，所述气体分离装置的出口与电磁流量阀的第一端连接，所述电磁流量阀的第二端与所述海上钻探船连接，所述电磁流量阀的第三端与所述动力机构连接。
12.优选的，所述动力机构包括：燃气轮机，所述燃气轮机输出端的第一端与所述射流泵连接，所述燃气轮机输出端的第二端与所述多级换热器连接。
13.优选的，所述燃气轮机输入端的第一端通过氧气输送管道与所述海上钻探船连接，所述海上钻探船沿所述氧气输送管道输送氧气至所述燃气轮机的输入端的第一端，所述电磁流量阀的第三端与所述燃气轮机输入端的第二端连接，以向所述燃气轮机供给天然气。
14.优选的，所述多级换热器包括一级换热器、二级换热器和三级换热器，所述一级换热器、所述二级换热器和所述三级换热器依次串联，所述三级换热器分别与所述燃气轮机输出端的第二端和所述射流泵连接，所述一级换热器的第一端与所述过滤分离装置连接。
15.优选的，所述地质修复装置包括压缩机，所述压缩机与所述一级换热器的第二端连接，所述压缩机的出口通过第一管路连接至所述天然气水合物储层。
16.优选的，所述燃气轮机输出端的第二端和第三端通过机械传动装置分别与所述射流泵和所述压缩机连接。
17.优选的，所述机械传动装置包括第一传动机构和第二传动机构，所述燃气轮机输出端的第二端通过第一传动机构与所述射流泵连接，所述燃气轮机输出端的第三端通过第二传动机构与所述压缩机连接。
18.优选的，所述燃气轮机连接有控制机构，以实现对射流强度、方向和持续时间的控制。
19.优选的，所述一体化系统设置于海底防护网内。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.1、本发明采用射流热解方法进行天然气水合物的开采，一方面能够使可燃冰破碎使其能充分与热水充分混合分解，另一方面采用高速射流使得海水具有更高速度，可以使射出的热海水到达更远处，能有效避免传统注热法中开采范围小且开采效率低下的问题；
22.2、本发明所述的系统采集甲烷时仅需进行气体的分离收集，避免了固体流化法对气液固三相分离的难题，同时解决了输送高密度流化固体混合物的困难；
23.3、本发明利用甲烷燃烧产生的能量大大避免了对外界能量输入的依赖性，实现动力自给，为大规模持续商业化开采提供了可能；
24.4、本发明将甲烷燃烧后产生的二氧化碳压缩加压后注入所述天然气水合物储层，进行海底的修补工作。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员
来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
26.图1为本发明一实施例提供的一种动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统的流程示意图。
27.附图标记说明：1
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天然气水合物储层、2
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一级换热器、3
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二级换热器、4
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三级换热器、5
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压缩机、6
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海底小型燃气轮机、7
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机械传动装置、8
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氧气输送管道、9
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海上钻探船、10
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甲烷输送管道、11
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海底防护网、12
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电磁流量阀、13
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射流泵、14
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射流喷头、15
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过滤分离装置、16
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气体分离器。
具体实施方式
28.以下结合附图1和具体实施方式对本发明提出的动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
29.鉴于现有天然气水合物方法存在的不足，保证不破坏环境生态的条件下，提高天然气水合物的开采效率，并在开采海底水合物的同时兼顾储层修复，实现海底天然气水合物的安全、高效和可控开采，本实施例提供了一种动力自给式天然气水合物开采与地质修复一体化系统，包括：
30.动力机构，为所述系统提供动力；
31.开采装置，其与动力机构的第一端连接，用于对海底天然气水合物进行热解，将海底天然气水合物分解为气体；
32.气体分离装置，其出口的第一端与海上钻探船9连接，以用于天然气的储存；其出口的第二端与所述动力机构连接，以为所述动力机构供给天然气；
33.气体分离装置包括气体分离器16。
34.地质修复装置，其由所述动力机构驱动，且与动力机构的第二端连接，以将所述动力机构的燃烧尾气冷却加压用于天然气水合物储层1的修复；
35.所述开采装置包括：设置于所述天然气水合物储层1内的过滤分离装置15、与所述过滤分离装置15连接的多级换热器、与所述多级换热器连接的射流泵13、所述射流泵13的出口连接有射流喷头14，所述射流喷头14设置于所述天然气水合物储层1处，所述气体分离装置设置于所述射流喷头14一侧，采用热水射流对海底天然气水合物进行热解，直接将可燃冰分解为气体，直接对气体进行收集，避免泥沙堵塞。
36.所述气体分离装置的出口与电磁流量阀12的第一端连接，所述电磁流量阀12的第二端与所述海上钻探船9连接，所述电磁流量阀12的第二端与海上钻探船9通过甲烷输送管道10连接，所述电磁流量阀12的第三端与所述动力机构连接。
37.所述动力机构包括：燃气轮机6，所述燃气轮机6输出端的第一端与所述射流泵13连接，所述燃气轮机6输出端的第二端与所述多级换热器连接。
38.所述燃气轮机6输入端的第一端通过氧气输送管道8与所述海上钻探船9连接，所述海上钻探船9沿所述氧气输送管道8输送氧气至所述燃气轮机6的输入端的第一端，所述电磁流量阀12的第三端与所述燃气轮机6输入端的第二端连接，以用于为所述燃气轮机6供给天然气。
39.所述多级换热器包括一级换热器2、二级换热器3和三级换热器4，所述一级换热器2、所述二级换热器3和所述三级换热器4依次串联，所述三级换热器4分别与所述燃气轮机6输出端的第二端和所述射流泵13连接，所述一级换热器2的第一端与所述过滤分离装置15连接。
40.所述地质修复装置包括压缩机5，所述压缩机5与所述一级换热器2的第二端连接，所述压缩机5的出口通过第一管路连接至所述天然气水合物储层1，采用海底小型燃气轮机6，带动射流泵13产生高压射流，同时带动压缩机5对经过三级冷却后的燃气轮机6尾气进行加压处理以达到注入储层的温度和压力条件。
41.所述燃气轮机6输出端的第二端和第三端通过机械传动装置7分别与所述射流泵13和所述压缩机5连接。
42.所述机械传动装置7包括第一传动机构和第二传动机构，所述燃气轮机6输出端的第二端通过第一传动机构与所述射流泵13连接，所述燃气轮机6输出端的第三端通过第二传动机构与所述压缩机5连接。
43.所述燃气轮机6连接有控制机构，以实现对射流强度、方向和持续时间的控制，避免过度热解造成的天然气泄漏和储层塌陷。
44.所述一体化系统设置于海底防护网11内。
45.本实施例所提出的系统由海底小型燃气轮机6、多级换热器、压缩机5、射流泵13、气体分离器16、电磁流量阀12、机械传动装置7及相应管道构成。天然气水合物经射流破碎受热分解后在气体分离装置中进行分离，分离后的天然气由电磁流量阀12分流后大部分通过管道输送到海上平台进行储存，少部分进入海底燃气轮机6中燃烧做功，一方面燃气轮机6做功带动射流泵13工作，射流泵13抽取储层内海水经由三级余热换热器加热后以高压射流方式再次进入储层，使天然气水合物进行破碎热解；另一方面燃气轮机6做功经机械传动装置7带动压缩机5工作，压缩机5对经多级换热器冷却后的燃烧产物(主要成分为co2、h2o)进行压缩加压处理使其达到注入储层的条件，使其对开采后的天然气水合物储层1进行修复。
46.本实施例中，开采开始时先由射流泵13抽取部分储层海水经由过滤分离装置15过滤分离后依次经过一级换热器2、二级换热器3三级换热器4，此时天然气水合物储层由于抽取海水造成压力降低，天然气水合物会开始分解产生甲烷，所产生的甲烷经气体分离装置16分离后经电磁流量阀12分流，大部分甲烷沿甲烷输送管道10直接送入海上钻探船9收集，小部分甲烷进入海底小型燃气轮机6，与此同时，海上钻探船9沿氧气输送管道8输送氧气进入海底小型燃气轮机6，甲烷与氧气二者在海底小型燃气轮机6内充分混合后燃烧膨胀做功。海底小型燃气轮机6做功后通过机械传动装置7带动压缩机5与射流泵13，射流泵13对经一级换热器2、二级换热器3、三级换热器4加热后的海水进行加压，使海水以高压射流方式再次进入储层，使天然气水合物进行破碎热解；压缩机对经一级换热器2、二级换热器3、三级换热器4冷却后的燃烧尾气进行压缩加压，使其达到注入储层的条件后注入储层进行储
层的修复，至此完成天然气水合物的循环开采及修复工作，同时为避免海底开采过程中对海底生物产生影响，使用海底防护网11将所述系统中的所有设备隔绝，所有设备均在海底防护网11内工作，大大减少了开采对海底生态的影响。
47.综上所述，本实施例通过将海水加热加压后采用高速射流方式注入天然气水合物储层1，射流温度、射流角度和射流速度参数均可根据所述天然气水合物储层特点进行调控。采用射流热解方法一方面能够使可燃冰破碎使其能更加充分与热水充分混合分解，另一方面采用高速射流使得海水具有更高速度，可以使射出的热海水到达更远处，能有效避免传统注热法中开采范围小且开采效率低下的问题。本实施例所述的系统采集甲烷时仅需进行气体的分离收集，避免了固体流化法对气液固三相分离的难题，同时解决了输送高密度流化固体混合物的困难。本实施例所述的系统让部分甲烷在海底燃烧，燃烧的功率可根据储层特点通过改变改变甲烷与氧气二者流量大小进行调控。同时利用甲烷燃烧产生的能量大大避免了对外界能量输入的依赖性，实现动力自给，为大规模持续商业化开采提供了可能。本实施例利用甲烷燃烧进行供能，一方面其能源可以用于开采，另一方面其燃烧所得的产物为co2和h2o，其不仅具有绿色、无害可持续等优势，同时还可将产物co2压缩加压后注入储层进行海底储层的修补工作，做到了对甲烷燃烧的百分百利用。
48.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
50.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
52.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的
描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。