地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置及
方法
技术领域
[0001] 本
发明属于石油与天然气开采技术领域，具体涉及一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置，本发明还涉及一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的方法。
背景技术
[0002] 天然气水合物(naturalgashydrate，NGH)，又称“可燃
冰”，是一种高
密度、高热值的非常规
能源，主要分布于水深大于300米的海洋及陆地永久冻土带
沉积物处，其中海洋天然气水合物通常埋藏于水深大于300米的海底一下0～1100米处，其资源量是陆地冻土带的100倍以上。因此，天然气水合物被誉为“21世纪最有潜
力的结题能源”，同时也是目前尚未大规模有效开发的储量最大的一种新型能源。
[0003] 在海洋中，天然气在海底水溶气藏高温高压条件下由
烃源岩分解产生，在向上运移的过程中遇到海底高压低温条件而形成天然气水合物，致密的水合物层充当了储层的盖层，阻挡下部天然气继续向上运移。水合物的这种存在形式现已证实为天然气资源海洋存在的基本形式，且广泛分布于海底，其中蕴含的天然气资源量非常丰富。因此，经济有效地开发该类天然气资源对于缓解全球能源危机、控制环境污染具有十分重要的意义。
[0004] 80年代国际天然气潜力委员会(PGC)统计显示，世界各大洋中，天然气水合物的总量高达2×1016m3甲烷当量，其
碳含量更为迄今为止世界上所有已知的石油、天然气以及
煤炭矿产的2倍，约占化石
燃料(煤、石油、天然气)的53％。若将所有的天然气水合物按照碳含量相等转换为甲烷气体，这个储量相当于标准状态下，将约40m厚的甲烷气体
覆盖在地球表面。20世纪80年代以来，随着深海钻探计划(DSDP)和后来的大洋钻探计划(ODP)的相继实施，世界上许多发达国家和发展中国家都将NGH列入国家重点发展战略，纷纷投入巨资开展NGH的
基础和应用研究。中国从1999年开始对NGH开展实质性的调查研究，发现大量NGH存在的
生物和地质标志，成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)将“天然气水合物开发技术”列为重点研究发展的前沿技术，这表明NGH资源开采技术的研究对于确保我国后续能源安全以及经济社会的可持续发展具有重大战略意义。
[0005] 天然气水合物一种由天然气和水组成的亚稳态矿物，存在于特定的温压条件下。一旦赋存条件发生变化，天然气水合物的相平衡就会被破坏，从而引起天然气水合物分解。
总结世界各国在天然气水合物开采领域的研究结果，可将现有开采方法分为传统开采方法和新型开采方法两类。
[0006] 传统的天然气水合物开采技术根据天然气水合物自身性质设计，主要包括热激开采法、减压开采法与化学
试剂注入开采法。
[0007] 热激开采法：直接对天然气水合物层进行加热，是天然气水合物层的
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。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，导致开发成本高，使用这种方法进行大规模可燃冰开采存在困难；因此该方法尚有待进一步完善。
[0008] 减压开采法：减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，但使用存在局限性，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。
[0009] 化学试剂注入开采法：化学试剂注入开采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、丙三醇等，破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。这种方法所需的化学试剂
费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以目前对这种方法投入的研究相对较少。
[0010] 随着天然气水合物开采研究的深入，近年来涌现出一些新的天然气水合物的开采思路。新型开采方法主要包括CO2置换开采法及固体开采法。
[0011] CO2置换开采法：方法依据天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注CO2气体，CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。
[0012] 固体开采法：直接采集海底固态天然气水合物，将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法，首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，从而获取天然气。
[0013] 经验表明，单单采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的，只有结合不同方法的有点才能达到对水合物的有效开采。
[0014] 近年来，随着CO2
排放量逐年升高，全球
温室效应不断加剧。近100年，全球气温升高0.6℃，照这样下去，预计到21世纪中叶，全球气温将升高1.5～4.5℃。截至2013年5月，
地球大气层中的二
氧化碳浓度已超过400ppm(百万分之400)。2000至2009年间的浓度增长率为每年2.0ppm，且逐年
加速。浓度比工业化之前的280ppm浓度高得多，释放出的二氧化碳中，57％进入大气层，其余的则进入海洋，造成海洋
酸化。而人为因素是导致二氧化碳浓度急剧上升的主要原因。
发明内容
[0015] 本发明的目的是提供一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置，解决了
现有技术中存在的天然气水合物开发难度大、成本大的问题。
[0016] 本发明的另一目的是提供一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的方法。
[0017] 本发明所采用的第一技术方案是，一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置，包括
生产井和
注入井，生产井和注入井依次穿过海平面上和天然气水合物层，其底部均设置于地
热层内，生产井的顶部依次连接有气水分离器、集气罐、工厂车间、第二高压
泵组和注入井；气水分离器依次连接有第一高压泵组和注入井；生产井的顶部连接有地面控制台。
[0018] 在上述技术方案中，注入井内设置有第一油管，第一油管的底部开设有出口，所述注入井内壁与第一油管之间形成第一油套环空，第一油套环空内设置有封隔器，封隔器设置于天然气水合物层与地热层之间。
[0019] 第一高压泵组通过液体输送管线与第一油管相连接。
[0020] 生产井内设置有第二油管，第二油管
自上而下依次设置有井下控制设备、压力/温度
传感器和高压层间节流控制
阀；生产井内壁和第二油管之间形成第二油套环空，第二油套环空内设置有过
电缆封隔器和过电缆封隔器，过电缆封隔器设置于天然气水合物层处，过电缆封隔器设置于天然气水合物层与地热层之间；地面控制台通过电缆与井下控制设备相连接。
[0021] 本发明所采用的第二技术方案是，一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的方法，采用上述的地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置，包括以下步骤：
[0022] 步骤1、做生产前准备，并在相应的层段设置射孔，下入油管及封隔器；
[0023] 步骤2、安装地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置；
[0024] 步骤3、生产井实现自注流水及天然气水合物的开采；
[0025] 步骤4、注入井实现CO2及低温水回注。
[0026] 其中，所述步骤1中做生产前准备，并在相应的层段设置射孔，下入油管及封隔器具体为：在天然气水合物层和地热层设置射孔，设置生产井，将第一油管和第二油管放入射孔中，将过电缆封隔器设置于天然气水合物层处，将过电缆封隔器和封隔器设置于天然气水合物层和地热层之间，将第一油管和第二油管并座封相应
位置：过电缆封隔器位于天然气水合物中部，过电缆封隔器位于天然气水合物层与地热层之间，另有压力/温度传感器、高压层间节流
控制阀及注水口随生产井的第二油管一同下入井内；注入井为射孔完井，射孔层位为上部的天然气水合物层与下部的地热层，下入第一油管并座封相应位置，封隔器位于天然气水合物层与地热层之间。
[0027] 步骤2中安装设备及管线，完成一个完整的天然气水合物开采及CO2处理系统具体为：将生产井的顶部依次连接气水分离器、集气罐、工厂车间、第二高压泵组和注入井；气水分离器依次连接第一高压泵组和注入井；生产井的顶部连接地面控制台。
[0028] 步骤3中生产井实现自注流水及天然气水合物的开采具体为：开启地面控制台，控制地热层的热水流入天然气水合物层的速度；开启气水分离器与第一高压泵组，开启第一
截止阀；热水经高压层间节流控制阀流入第二油管，由注水口流出并注入天然气水合物层；从生产井的第二油套环空采出天然气水合物层中的气水混合物，气水混合物经过气液混合物输送管线输入气水分离器完成气水分离；分离出的天然气经过气体输送管线输入集气罐，并通过天然气输送管网配输给工厂车间；分离出的水经过液体输送管线输入第一高压泵组进行
增压。
[0029] 注入井实现CO2及低温水回注具体为：开启第二高压泵组，开启第二截止阀和第三截止阀；由第一高压泵组增压的低温水经过液体输送管线，通过注入井的第一油管注入地热层；由第二高压泵组增压的CO2气体经过CO2输送管线，通过注入井的第一油套环空注入天然气水合物层，以处理CO2废气。
[0030] 生产井和气水分离器通过气液混合物输送管线相连接，气液混合物输送管线上设置有第一截止阀，气水分离器和集气罐通过气体输送管线相连接，集气罐和工厂车间通过天然气输送管网相连接，工厂车间和第二高压泵组通过CO2废气输送管网相连接；第二高压泵组与注入井通过CO2输送管线相连接，CO2输送管线上设置有第三截止阀；气水分离器与第一高压泵组通过天然气输送管网相连接。
[0031] 本发明的有益效果是：(1)钻井至海底地热层(常溶有少量天然气)，通过将热水通过井筒引入天然气水合物层，对天然气水合物进行热激法开采。充分利用了可再生的
地热资源，
热能来源广且获取过程省时省力，弥补了热激开采法由于开发成本高导致的无法大规模开采的缺点；
[0032] (2)通过建立CO2回收管网，回收工业废气CO2，控制大气中CO2的排放，从而达到控制温室效应，保护环境的目的；
[0033] (3)将回收的CO2注入已开采的天然气水合物层，保持地
层压力，防止由于天然气水合物的不断开采导致的
地层压力下降。避免由于地层压力下降造成地层固结性变差，进而引发地质灾变的严重后果；
[0034] (4)将CO2气体注入地层，可利用CO2置换法开采天然气水合物。在一定的温压条件下由于CO2水合物则易于形成并保持稳定，可利用CO2将天然气水合物中的CH4置换出来。
[0035] 本发明涉及热激法与CO2置换法开采天然气水合物的方法，二者协同开采比单一一种方法开采更加经济有效。
附图说明
[0036] 图1是本发明地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置的结构示意图。
[0037] 图中，1.气液混合物输送管线，2.气体输送管线，3.液体输送管线，4.天然气输送管网，5.CO2废气输送管网，6.液体输送管线，7.CO2输送管线，8～10、截止阀，11.气水分离器，12.集气罐，13.工厂，14.第一高压泵组，15.第二高压泵组，16.生产井，17.海平面，18.注入井，19.天然气水合物层，20.地热层，21.第一过电缆封隔器，22.注水口，23.第二过电缆封隔器，24.压力/温度传感器，25.高压层间节流控制阀，26.封隔器，27.电缆，28.地面控制台，29.第一油管，30.出口，31.第二油管，32.井下控制设备，33.第一油套环空，34.第二油套环空。
具体实施方式
[0038] 下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0039] 本发明提供一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置，如图1所示，包括生产井16和注入井18，生产井16和注入井18依次穿过海平面17上和天然气水合物层19，其底部均设置于地热层20内，生产井16的顶部依次连接有气水分离器11、集气罐12、工厂车间13、第二高压泵组15和注入井18；气水分离器11依次连接有第一高压泵组14和注入井18；生产井16的顶部连接有地面控制台28。
[0040] 注入井18内设置有第一油管29，第一油管29的底部开设有出口30，注入井18内壁与第一油管29之间形成第一油套环空33，第一油套环空33内设置有封隔器26，封隔器26设置于天然气水合物层19与地热层20之间。
[0041] 第一高压泵组14通过液体输送管线6与第一油管29相连接。
[0042] 述生产井16内设置有第二油管31，第二油管31自上而下依次设置有井下控制设备32、压力/温度传感器24和高压层间节流控制阀25；生产井16内壁和第二油管31之间形成第二油套环空34，第二油套环空34内设置有第一过电缆封隔器21和第二过电缆封隔器23，第一过电缆封隔器21设置于天然气水合物层19处，第二过电缆封隔器23设置于天然气水合物层19与地热层20之间；地面控制台28通过电缆27与井下控制设备32相连接；井下控制设备
32为用于监
测井下工作情况的常规设备，可以根据不同的井的设置具体布置。
[0043] 生产井16和气水分离器11通过气液混合物输送管线1相连接，气液混合物输送管线1上设置有第一截止阀8，气水分离器11和集气罐12通过气体输送管线2相连接，集气罐12和工厂车间13通过天然气输送管网4相连接，工厂车间13和第二高压泵组15通过CO2废气输送管网5相连接；第二高压泵组15与注入井18通过CO2输送管线7相连接，CO2输送管线7上设置有第三截止阀10；气水分离器11与第一高压泵组14通过液体输送管线3相连接。
[0044] 本装置根据天然气水合物层的形成机理，研究证实海底地层中各类储层的基本结构往往为上部水合物层，下部高压热水层。
[0045] 生产井16为射孔
套管内下绕丝筛管完井，避免水源层出砂磨损管柱和堵塞注水层，杜绝地层返吐出砂，射开层段位于地热层20与天然气水合物层19。生产井包含一套同井注采装置及层间控制装置，该井装置由上到下依次为：第一过电缆封隔器21、注水口22、第二过电缆封隔器23、压力/温度传感器24、高压层间节流控制阀25。第一过电缆封隔器21将天然气水合物层一分为二，下部注入地层热水，上部通过地面装置将气水
混合液产出；第二过电缆封隔器23位于天然气水合物层19与地热层20之间，封隔上下两层；地层水从热水
层流入套管与油管之间的环空到达高压
节流阀25后，向上进入油管，穿过过电缆封隔器、上部油套环空和射孔通道，进入天然气水合物层。压力/温度传感器可监测环空及油管内的压力及温度变化，地面控制台可根据反馈的
信号控制高压节流阀，从而控制层间流量。生产井装置运行时，可同时实现两个目的：1、将热水引入天然气水合物层，当地热层与天然气水合物层的层间压差达到一定值时，可以通过生产井16将地热层的热水引入天然气水合物层，通过生产井内的智能完井装置反馈压力温度信息并控制层间流量；2、由生产井上部的环空输出气水混合物，经由地面管线进入地面设备进行进一步处理。
[0046] 注入井18为射孔完井，射开层段位于地热层20与天然气水合物层19。封隔器位于天然气水合物层与地热层之间，封隔上下两层。从产出的气水混合物中分离出的低温水经由注入井中的油管注入地热层；回收的工业废气CO2经由注入井的油套环空注入天然气水合物层。
[0047] 地面设备主要有：气水分离器气水分离器11、集气罐12、工厂13、高压泵组14、高压泵组15、天然气输送管网4、CO2废气输送管网5、地面控制台28。气水分离器主要用于分离由生产井产出的气水混合物，分离出的天然气经由气体输送管线2输入集气罐，分离出的水经由液体输送管线3输入高压泵组14；集气罐用于收集储存天然气，并将气体通过天然气输送管网4配输给工厂等地用于燃料消耗；工厂产生的CO2废气通过CO2废气输送管网输送至高压泵组15。
[0048] 生产井从油套环空中输出的气水混合物，通过气液混合物输送管线1输入气水分离器，管线1上安装截止阀8，用于控制管线内
流体流量及管线开闭；高压泵组14将气水分离器分离出的低温水，通过液体输送管线6注入地热层管线6上安装截止阀9，用于控制液体的注入速度及管线开闭；高压泵组15将CO2气体通过CO2输送管线7注入天然气水合物层，管线7上安装截止阀，用于控制CO2气体注入速度及管线开闭；地面控制台通过电缆27与井下控制设备相连，接收处理井下智能完井设备反馈的信息，并通过电缆控制高压层间节流控制阀25，进而控制上下两层的层间流量。
[0049] 本发明还提供一种地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的方法，采用上述的地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置，包括以下步骤：
[0050] 步骤1、做生产前准备，并在相应的层段设置射孔，下入油管及封隔器：在天然气水合物层19和地热层20设置射孔，设置生产井16，将第一油管29和第二油管31放入射孔中，将第一过电缆封隔器21设置于天然气水合物层19处，将第二过电缆封隔器23和封隔器26设置于天然气水合物层19和地热层20之间，将第一油管29和第二油管31并座封相应位置：第一过电缆封隔器21位于天然气水合物中部，第二过电缆封隔器23位于天然气水合物层19与地热层20之间，另有压力/温度传感器24、高压层间节流控制阀25及注水口22随生产井16的第二油管31一同下入井内；注入井18为射孔完井，射孔层位为上部的天然气水合物层19与下部的地热层20，下入第一油管29并座封相应位置，封隔器26位于天然气水合物层19与地热层20之间。
[0051] 步骤2、安装地热开采天然气水合物与CO2废气回注处理一体化的装置：将生产井16的顶部依次连接气水分离器11、集气罐12、工厂车间13、第二高压泵组15和注入井18；气水分离器11依次连接第一高压泵组14和注入井18；生产井16的顶部连接地面控制台28。
[0052] 步骤3、生产井实现自注流水及天然气水合物的开采：开启地面控制台28，控制地热层的热水流入天然气水合物层的速度；开启气水分离器11与第一高压泵组14，开启第一截止阀8；热水经高压层间节流控制阀25流入第二油管31，由注水口22流出并注入天然气水合物层19；从生产井16的第二油套环空34采出天然气水合物层19中的气水混合物，气水混合物经过气液混合物输送管线1输入气水分离器11完成气水分离；分离出的天然气经过气体输送管线2输入集气罐12，并通过天然气输送管网4配输给工厂车间13；分离出的水经过液体输送管线3输入第一高压泵组14进行增压。
[0053] 步骤4、注入井实现CO2及低温水回注：开启第二高压泵组15，开启第二截止阀9和第三截止阀10；由第一高压泵组14增压的低温水经过液体输送管线6，通过注入井18的第一油管29注入地热层；由第二高压泵组15增压的CO2气体经过CO2输送管线7，通过注入井18的第一油套环空33注入天然气水合物层19，以处理CO2废气，同时保持地层压力，注入的CO2在一定条件下置换天然气水合物中的CH4，从而增加地层中游离的CH4含量。
[0054] 本发明提供了一种利用地热开采天然气水合物，并回收处理CO2废气的装置。首先利用地球内部可再生的地热资源对天然气水合物进行热激法开采，随后，回收工业废气中的CO2气体，将其回注到海底的天然气水合物层，从而达到控制温室效应、保持地层压力，同时利用CO2置换开采天然气水合物的目的。本发明提供了一种通过两种开采方式协同作用开采天然气水合物的方法；通过
回收利用工业废气CO2，控制
温室气体的排放，保护环境，同时通过将CO2回注入水合物层保持地层压力，防止由于水合物开采导致的地层的固结性变差，从而引发地质灾变的严重后果。
[0055] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。
