廢氣回注處理一體化的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油與天然氣開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，本發(fā)明還涉及一種地熱開采天然氣水合物與0)2廢氣回注處理一體化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物(natural gas hydrate, NGH)，又稱“可燃冰”，是一種高密度、高熱值的非常規(guī)能源，主要分布于水深大于300米的海洋及陸地永久凍土帶沉積物處，其中海洋天然氣水合物通常埋藏于水深大于300米的海底一下O?1100米處，其資源量是陸地凍土帶的100倍以上。因此，天然氣水合物被譽為“21世紀最有潛力的結(jié)題能源”，同時也是目前尚未大規(guī)模有效開發(fā)的儲量最大的一種新型能源。
[0003]在海洋中，天然氣在海底水溶氣藏高溫高壓條件下由烴源巖分解產(chǎn)生，在向上運移的過程中遇到海底高壓低溫條件而形成天然氣水合物，致密的水合物層充當了儲層的蓋層，阻擋下部天然氣繼續(xù)向上運移。水合物的這種存在形式現(xiàn)已證實為天然氣資源海洋存在的基本形式，且廣泛分布于海底，其中蘊含的天然氣資源量非常豐富。因此，經(jīng)濟有效地開發(fā)該類天然氣資源對于緩解全球能源危機、控制環(huán)境污染具有十分重要的意義。
[0004]80年代國際天然氣潛力委員會(PGC)統(tǒng)計顯示，世界各大洋中，天然氣水合物的總量高達2X 1016m3甲烷當量，其碳含量更為迄今為止世界上所有已知的石油、天然氣以及煤炭礦產(chǎn)的2倍，約占化石燃料(煤、石油、天然氣)的53%。若將所有的天然氣水合物按照碳含量相等轉(zhuǎn)換為甲烷氣體，這個儲量相當于標準狀態(tài)下，將約40m厚的甲烷氣體覆蓋在地球表面。20世紀80年代以來，隨著深海鉆探計劃(DSDP)和后來的大洋鉆探計劃(ODP)的相繼實施，世界上許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家都將NGH列入國家重點發(fā)展戰(zhàn)略，紛紛投入巨資開展NGH的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。中國從1999年開始對NGH開展實質(zhì)性的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)大量NGH存在的生物和地質(zhì)標志，成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃采到水合物實物樣品的國家。國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)將“天然氣水合物開發(fā)技術(shù)”列為重點研究發(fā)展的前沿技術(shù)，這表明NGH資源開采技術(shù)的研究對于確保我國后續(xù)能源安全以及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。
[0005]天然氣水合物一種由天然氣和水組成的亞穩(wěn)態(tài)礦物，存在于特定的溫壓條件下。一旦賦存條件發(fā)生變化，天然氣水合物的相平衡就會被破壞，從而引起天然氣水合物分解?？偨Y(jié)世界各國在天然氣水合物開采領(lǐng)域的研究結(jié)果，可將現(xiàn)有開采方法分為傳統(tǒng)開采方法和新型開采方法兩類。
[0006]傳統(tǒng)的天然氣水合物開采技術(shù)根據(jù)天然氣水合物自身性質(zhì)設(shè)計，主要包括熱激開采法、減壓開采法與化學試劑注入開采法。
[0007]熱激開采法:直接對天然氣水合物層進行加熱，是天然氣水合物層的溫度超過其平衡溫度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開采方法。熱激發(fā)開采法可實現(xiàn)循環(huán)注熱，且作用方式較快。加熱方式的不斷改進，促進了熱激發(fā)開采法的發(fā)展。但這種方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題，而且只能進行局部加熱，導致開發(fā)成本高，使用這種方法進行大規(guī)?？扇急_采存在困難；因此該方法尚有待進一步完善。
[0008]減壓開采法:減壓開采法是一種通過降低壓力促使天然氣水合物分解的開采方法。減壓開采法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開采，但使用存在局限性，只有當天然氣水合物藏位于溫壓平衡邊界附近時，減壓開采法才具有經(jīng)濟可行性。
[0009]化學試劑注入開采法:化學試劑注入開采法通過向天然氣水合物層中注入某些化學試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物藏的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法所需的化學試劑費用昂貴，對天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會帶來一些環(huán)境問題，所以目前對這種方法投入的研究相對較少。
[0010]隨著天然氣水合物開采研究的深入，近年來涌現(xiàn)出一些新的天然氣水合物的開采思路。新型開采方法主要包括CO2置換開采法及固體開采法。
[0011]CO2置換開采法:方法依據(jù)天然氣水合物穩(wěn)定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下，天然氣水合物保持穩(wěn)定需要的壓力比CO2水合物更高。因此在某一特定的壓力范圍內(nèi)，天然氣水合物會分解，而CO2水合物則易于形成并保持穩(wěn)定。如果此時向天然氣水合物藏內(nèi)注CO2氣體，CO 2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO 2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應(yīng)得以持續(xù)地進行下去。
[0012]固體開采法:直接采集海底固態(tài)天然氣水合物，將天然氣水合物拖至淺水區(qū)進行控制性分解。這種方法進而演化為混合開采法或稱礦泥漿開采法，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然后將這種混合泥漿導入海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺進行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。
[0013]經(jīng)驗表明，單單采用某一種方法來開采天然氣水合物是不經(jīng)濟的，只有結(jié)合不同方法的有點才能達到對水合物的有效開采。
[0014]近年來，隨著0)2排放量逐年升高，全球溫室效應(yīng)不斷加劇。近100年，全球氣溫升高0.6°C，照這樣下去，預計到21世紀中葉，全球氣溫將升高1.5?4.5°C。截至2013年5月，地球大氣層中的二氧化碳濃度已超過400ppm(百萬分之400)。2000至2009年間的濃度增長率為每年2.0ppm，且逐年加速。濃度比工業(yè)化之前的280ppm濃度高得多，釋放出的二氧化碳中，57%進入大氣層，其余的則進入海洋，造成海洋酸化。而人為因素是導致二氧化碳濃度急劇上升的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提供一種地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的天然氣水合物開發(fā)難度大、成本大的問題。
[0016]本發(fā)明的另一目的是提供一種地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的方法。
[0017]本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是，一種地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，包括生產(chǎn)井和注入井，生產(chǎn)井和注入井的依次穿過海平面上和天然氣水合物層，其底部均設(shè)置于地熱層內(nèi)，生產(chǎn)井的頂部依次連接有氣水分離器、集氣罐、工廠車間、第二高壓栗組和注入井；氣水分離器依次連接有第一高壓栗組和注入井；生產(chǎn)井的頂部連接有地面控制臺。
[0018]在上述技術(shù)方案中，注入井內(nèi)設(shè)置有第一油管，第一油管的底部開設(shè)有出口，所述注入井內(nèi)壁與第一油管之間形成第一油套環(huán)空，第一油套環(huán)空內(nèi)設(shè)置有封隔器，封隔器設(shè)置于天然氣水合物層與地熱層之間。
[0019]第一高壓栗組通過液體輸送管線與第一油管相連接。
[0020]生產(chǎn)井內(nèi)設(shè)置有第二油管，第二油管自上而下依次設(shè)置有井下控制設(shè)備、壓力/溫度傳感器和高壓層間節(jié)流控制閥；生產(chǎn)井內(nèi)壁和第二油管之間形成第二油套環(huán)空，第二油套環(huán)空內(nèi)設(shè)置有過電纜封隔器和過電纜封隔器，過電纜封隔器設(shè)置于天然氣水合物層處，過電纜封隔器設(shè)置于天然氣水合物層與地熱層之間；地面控制臺通過電纜與井下控制設(shè)備相連接。
[0021]本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是，一種地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的方法，采用上述的地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，包括以下步驟:
[0022]步驟1、做生產(chǎn)前準備，并在相應(yīng)的層段設(shè)置射孔，下入油管及封隔器；
[0023]步驟2、安裝地熱開采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置；
[0024]步驟3、生產(chǎn)井實現(xiàn)自注流水及天然氣水合物的開采；
[0025]步驟4、注入井實現(xiàn)C02及低溫水回注。
[0026]其中，所述步驟I中做生產(chǎn)前準備，并在相應(yīng)的層段設(shè)置射孔，下入油管及封隔器具體為:在天然氣水合物層和地熱層設(shè)置射孔，設(shè)置生產(chǎn)井，將第一油管和第二油管放入射孔中，將過電纜封隔器設(shè)置于天然氣水合物層處，將過電纜封隔器和封隔器設(shè)置于天然氣水合物層和地熱層之間，將第一油管和第二油管并座封相應(yīng)位置:過電纜封隔器位于天然氣水合物中部，過電纜封隔器位于天然氣水合物層與地熱層之間，另有壓力/溫度傳感器、高壓層間節(jié)流控制閥及注水口隨生產(chǎn)井的第二油管一同下入井內(nèi)；注入井為射孔完井，射孔層位為上部的天然氣水合物層與下部的地熱層，下入第一油管并座封相應(yīng)位置，封隔器位于天然氣水合物層與地熱層之間。
[0027]步驟2中安裝設(shè)備及管線，完成一個完整的天然氣水合物開采及CO2處理系統(tǒng)具體為:將生產(chǎn)井的頂部依次連接氣水分離器、集氣罐、工廠車間、第二高壓栗組和注入井；氣水分離器依次連接第一高壓栗組和注入井；生產(chǎn)井的頂部連接地面控制臺。
[0028]步驟3中生產(chǎn)井實現(xiàn)自注流水及天然氣水合物的開采具體為:開啟地面控制臺，控制地熱層的熱水流入天然氣水合物層的速度；開啟氣水分離器與第一高壓栗組，開啟第一截止閥；熱水經(jīng)高壓層間控制閥流入第二油管，由注水口流出并注入天然氣水合物層；從生產(chǎn)井的第二油套環(huán)空采出天然氣水合物層中的氣水混合物，氣水混合物經(jīng)過氣液混合物輸送管線輸入氣水分離器完成氣水分離；分離