专利名称：一种开采天然气水合物的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开采天然气水合物的方法及其装置。
背景技术：
天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)，又称笼形化合物(Clathrate)。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。在自然界中存在的水合物绝大部分是甲烷水合物。通常情况下，从水合物分解得到甲烷是水合物体积的160多倍，而且以固态形式存在的天然气的总量比地球上化石燃料贮量多一倍，所以人们已经把水合物作为将来重要的能源贮备。另外甲烷含碳量少于煤或石油，甲烷产生的二氧化碳仅是煤的一半，是一种比较清洁的能源通过计算，运用能量平衡条件，在假设无能量损失的情况下，从水合物气体中获得的能量是分解水合物能量的15.5倍，因此开采天然气水合具有一定的商业价值，但由于天然气水合物的开发面临着经济和技术上的可行性问题，天然气水合物的开发技术尚处于实验阶段。天然气水合物开采的思路基本上是首先将蕴藏于沉积物中的天然气水合物进行分解，然后加以利用，现阶段提出的方法主要有热激发、减压和注入化学试剂(Sloan E D Jr.Clathrate hydrate of natural gases.New YorkMarcer Inc.，1997)。不管是热激发、减压或者注入化学试剂，每一种方法都有自身的缺点，例如注热水的过程中，在发生分离之前必须输入显热，同时又需要把热量输出到非水合岩中，加热中有10％到75％的热损失掉了；而减压法作用缓慢，效率低，并且需要较高的储层温度；注化学试剂则费用昂贵，作用缓慢，腐蚀设备，且在水合物中很难扩散，不宜在开采海底水合物时使用。
天然气水合物分解所得的天然气主要成分为甲烷，在常压下其沸点为-162℃，不易液化。目前实际应用的天然气储运方式有利用低温技术将天然气液化(LNG)，以液体的形式进行储存、运输；通过管道采用高压方法运输天然气；利用多孔介质的吸附作用储存天然气等。目前，绝大部分天然气(约占天然气总量的75％)采用管道输送，但其初期投资大，且越洋运输不易实现。而LNG由于要采用低温液化，运营费用高。利用气体水合物高储量的特点储存天然气。可降低运营费；同时天然气水合物(NGH)的储存较压缩天然气、液化天然气压力低，增加了系统的安全性和可靠性。在经济性方面具有一定的优势。
热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源(如空气，土壤，水中所含的热能，太阳能，工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤，燃气，油，电等)的目的。热泵虽然消耗了一定的高位能，但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和，故采用热泵装置可以节约高位能。由于水在4℃时密度最大，因此通常海底水的温度大约为4℃左右，如果海底的海水作为低位热源，利用热泵原理，对水合物层进行加热开采天然气水合物，将有效节约能源。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种利用热泵原理开采天然气水合物的方法和装置。
为实现以上目的，本发明采用的主要技术方案是加热开采水合物的热量和储存、运输过程中生产水合物需要的冷量均由热泵提供。该技术方案包含以下步骤a)通过采气装置中热泵(13)的热端产生的高温来加热水合物储层；b)将水合物储层(7)受热后分解出的天然气通过天然气采气管线(1)导入水合物快速生成罐(10)；c)通过采气装置中热泵(13)的冷端冷却水合物快速生成罐(10)中的水和天然气，使之重新生成水合物；
d)将装有水合物的水合物快速生成罐(10)直接输送上岸；e)在岸上汽化水合物快速生成罐(10)中的水合物获得天然气；该方案还可以通过如下步骤实现a)通过采气装置中热泵(13)的热端产生的高温来加热水合物储层；b)将水合物储层(7)受热后分解出的天然气通过天然气采气管线(1)输送到海面的采气平台(14)；c)在海面的采气平台(14)对天然气进行处理，通过压缩或液化或转成固体水合物，然后输送至用户。
本发明的利用热泵原理开采天然气水合物装置包含热泵系统、采气管道、热水循环管道等。其中热泵系统由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器等组成。天然气采气管线上依次设有控制阀、快速接头和控制阀，一端连接水合物储层，另一端连接海面的采气平台或水合物快速生成罐。水合物快速生成罐(10)的两侧面分别通过一根依次设有控制阀、快速接头和控制阀的循环水管道与热泵相连。
本发明的装置在使用时，热泵的冷凝器加热外循环冷却水，冷却水获得热量后注入水合物层使水合物分解得到天然气。天然气通过采气管线输送到海面的采气平台或水合物快速生成罐。当天然气输送到水合物快速生成罐时，蒸发器获得的冷量供给水合物快速生成罐，天然气和预先配好的水溶液反应生成固体水合物。当水溶液完全转化成水合物后，关闭控制阀，拆开快速接头，换另一个水合物快速生成罐。水合物快速生成罐在装满水合物后直接装船运输，运到指定水合物处理厂汽化。汽化完后，把装有水溶液的水合物快速生成罐运回循环利用。当天然气直接输送到海面的采气平台时，在海面的采气平台对天然气进行处理，通过压缩或液化或转成固体水合物，然后输送至用户。
为了使天然气和水能够迅速生成，可以在水合物快速生成罐的水中添加一定量的化学添加剂，例如1200ppm烷基多苷(APG)或300ppm的十二烷基硫酸钠(SDS)。
热泵使用的工质选用低沸点的工质，例如氟利昂等。
本装置的电能由采气平台提供，装置的自动控制部分也在地面控制。为了让装置可在水下移动，装置可带一定动力设备，例如螺旋桨和轮子。
本发明与现有技术相比具有如下的显著优点和积极效果充分利用了热泵的冷能和热能，比其他直接注热方法节能。本发明中的装置，操作简单，使用方便，同时实现了开采和储运。由于天然气水合物资源量非常巨大，有很大的商业开采前景，本发明具有很大的应用前景。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明；图1是利用本发明方法之一开采天然气水合物的装置结构示意图；图2是利用本发明方法之二开采海底天然气水合物示意简图；图3是利用本发明方法之二开采天然气水合物的装置结构示意图。
附图标记说明1、天然气采气管线；2、蒸发器；3、膨胀阀；4、压缩机；5、冷凝器；6、制冷工质；7、水合物储层；8、外循环水管道；9、载冷循环水管路；10、水合物快速生成罐；11、水溶液；12电缆；13、热泵；14、采气平台；15、海水；F1～F6控制阀；J1～J3快速接头。
具体实施例方式
图1是利用本发明方法之一开采天然气水合物的结构示意图。热泵系统13由蒸发器2、膨胀阀3、压缩机4和冷凝器5等组成。蒸发器2、膨胀阀3、压缩机4和冷凝器5通过管道相连，管道中装有制冷工质氟利昂。蒸发器2接一个载冷循环水管路9，管路9中接有四个控制阀(F3、F4、F5、F6)和两个快速接头(J2、J3)，管路9通过水合物快速生成罐10，水合物快速生成罐10有三个接口，分别接管路9和天然气采气管线1，天然气采气管线1也同样装有两个控制阀(F1、F2)和一个快速接头J1。
采用图1所示的装置，通过以下的步骤来实现天然气水合物的开采冷凝器5加热外循环冷却水，冷却水获得热量后通过外循环水管道8注入水合物储层7使水合物分解获得天然气，天然气通过采气管线1输送到水合物快速生成罐10。蒸发器2获得的冷量供给水合物快速生成罐10，天然气和预先配好的水溶液(例如300ppm的SDS溶液)反应生成固体水合物。当水溶液完全转化成水合物后，关闭控制阀(F1、F2、F3、F4、F5、F6)，拆开快速接头(J1、J2、J3)，换另一个水合物快速生成罐10。水合物快速生成罐10在装满水合物后直接装船运输，运到指定水合物处理厂汽化。汽化完后，把装有水溶液的水合物快速生成罐10运回循环利用。
也可以采用图2的方法开采天然气水合物，该方法的具体步骤如下热泵13把海水的低位热能转变为高位热能输入海底水合物储层7，水合物储层7的温度升高后分解，分解的天然气通过采天然气采气管线1引到海上采气平台14，在采气平台14通过压缩(CNG)或液化(LNG)或转成固体水合物(NGH)等手段对天然气进行处理后输送到用户。
图3是利用本发明方法二开采海底天然气水合物的结构示意图。该方法中热泵13的具体连接方式和图1中相同。图3中热泵13的蒸发器2直接跟海水15接触。天然气采气管线1直接接到采气平台14。
无能量损失的情况下，从水合物气体中获得的能量是分解水合物能量的15.5倍。在该实例中，设发电效率为30％，热泵热效率为300％，水合物储层的含水合物为50％，热泵出水温度为60℃。如果储层温度为9℃，压力为10Mpa，储层温度需要加热到15℃，其中水合物的分解焓大约为53kJ/mol，水合物的定压比热容为约为0.2kJ/(mol.K)，而孔隙中的含水合物砂比热约为0.83kJ/kg·K，上升6℃需要5.0kJ/kg，而水合物的分解焓53kJ/mol可换算为0.43kJ/kg(水合物按CH4·6H2O，分子量为124处理)输入的热量主要用来加热储层和分解水合物。
由计算所得，如果把开采水合物获得的能量直接加热水合物则，开采水合物获得的能量中有77％用来加热水合物储层7和分解水合物，收益为23％。使用热泵后，由于很大一部分能量从环境中获取，可以提高能量收益。本实例中如果提高发电效率和能量利用率，例如采用热电联产，能量利用率提高到80％，则能量收益可提高到65％。
实施例1如图1所示，海上采气平台利用石油或采集的天然气发电提供给水下热泵系统电能，热泵系统采用压缩式热泵装置，热泵系统由蒸发器2、膨胀阀3、压缩机4和冷凝器5等组成。蒸发器2、膨胀阀3、压缩机4和冷凝器5通过管道相连，管道中装有制冷工质氟利昂。蒸发器2接一个载冷循环水管路9，管路9中接有四个控制阀(F1、F2、F3、F4)和两个快速接头(J1、J2)，管路9通过水合物快速生成罐10，水合物快速生成罐10有三个接口，分别接循环管路和天然气采气管线1，天然气采气管线1也同样装有两个控制阀(F1、F2)和一个快速接头J1。热泵13让制冷工质不断完成蒸发(吸取水合物快速生成罐10中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水合物层中，热泵13输出的能量为压缩机4做的功和热泵从水合物快速生成罐10中吸收的热量。本装置的电能由采气平台提供，装置的自动控制部分也在地面控制，为了让装置可在水下移动，装置带有螺旋桨和轮子。
冷凝器5加热外循环水管道8中的冷却水，冷却水获得热量后注入水合物储层7使水合物分解。蒸发器2获得的冷量供给水合物快速生成罐10，天然气和预先配好的1200ppm烷基多苷(APG)水溶液反应生成固体水合物。当水溶液完全转化成水合物后，关闭控制阀(F1、F2、F3、F4、F5、F6)，拆开快速接头(J1、J2、J3)，换另一个水合物快速生成罐10。水合物快速生成罐10在装满水合物后直接装船运输，运到指定水合物处理厂汽化。汽化完后，把装有水溶液的水合物快速生成罐10运回循环利用。
本发明涉及的热泵是比较成熟的公知技术，不再具体介绍。
实施例2如附图2和3所示，海上采气平台利用石油或采集的天然气发电提供给水下热泵系统电能，热泵系统13采用压缩式热泵装置，热泵系统由蒸发器2、膨胀阀3、压缩机4和冷凝器5等组成。蒸发器2、膨胀阀3、压缩机4和冷凝器5通过管道相连，管道中装有制冷工质。工质选用低沸点的工质氟利昂。
热泵13把海水的低位热能转变为高位热能输入海底水合物储层7，水合物储层7的温度升高后分解，分解的天然气通过天然气采气管线1引到海上的采气平台14，在采气平台14通过压缩(CNG)或液化(LNG)或转成固体水合物(NGH)等手段对天然气进行处理后输送到用户。
权利要求
1.一种开采天然气水合物的方法，包括以下步骤a)通过热泵(13)的热端产生的高温来加热水合物储层(7)；b)将水合物储层(7)受热后分解出的天然气通过天然气采气管线(1)导入水合物快速生成罐(10)；c)通过热泵(13)的冷端冷却水合物快速生成罐(10)中的水和天然气，使之重新生成水合物；d)将装有水合物的水合物快速生成罐(10)直接输送上岸；e)在岸上汽化水合物快速生成罐(10)中的水合物获得天然气；采气装置位于海底，在开采过程中生成水合物所需要的能量均由热泵(13)提供；装置的电能由地面采气平台提供，装置的自动控制部分也在地面控制。
2.根据权利要求1所述的一种开采天然气水合物的方法，合成水合物时，在水合物快速生成罐(10)中添加化学添加剂。
3.根据权利要求1或2所述的一种开采天然气水合物的方法，在岸上将水合物快速生成罐(10)中的水合物汽化后，水合物快速生成罐(10)运回海底循环使用。
4.一种开采天然气水合物的方法，包括以下步骤a)通过采气装置中热泵(13)的热端产生的高温来加热水合物储层；b)将水合物储层(7)受热后分解出的天然气通过天然气采气管线(1)输送到海面的采气平台(14)；c)在海面的采气平台(14)对天然气进行处理，通过压缩或液化或转成固体水合物，然后输送至用户；采气装置位于海底，在开采、储存和运输过程中生成水合物所需要的能量均由热泵(13)提供；装置的电能由地面采气平台提供，装置的自动控制部分也在地面控制。
5.一种开采天然气水合物的装置，其特征在于所述装置由热泵(13)、天然气采气管线(1)、水合物快速生成罐(10)、外循环水管道(8)、载冷循环水管路(9)构成；水合物快速生成罐(10)的两侧面分别通过一根设有控制阀和快速接头的载冷循环水管路(9)与热泵(13)的蒸发器(2)相连；天然气采气管线(1)上依次设有控制阀(F1)、快速接头(J1)和控制阀(F2)，其一端连接水合物储层(7)，另一端连接到水合物快速生成罐(10)；热泵(13)的冷凝器(5)通过外循环水管道(8)与水合物储层(7)相连；装置的电能由地面采气平台提供，装置的自动控制部分也在地面控制。
6.一种开采天然气水合物的装置，其特征在于所述装置由热泵(13)、天然气采气管线(1)、外循环水管道(8)构成；天然气采气管线(1)上依次设有控制阀(F1)、快速接头(J1)和控制阀(F2)，其一端连接水合物储层(7)，另一端连接到海面的采气平台(14)；热泵(13)的冷凝器(5)通过外循环水管道(8)与水合物储层(7)相连；装置的电能由地面采气平台提供，装置的自动控制部分也在地面控制。
7.根据权利要求5或6所述的一种开采天然气水合物的装置，其特征在于所述装置带有动力装置。
8.根据权利要求7所述的一种开采天然气水合物的装置，其特征在于所述动力装置为螺旋桨和轮子。
全文摘要
本发明公开了一种开采天然气水合物的方法和装置，利用热泵可以使热量从低位热源流向高位热源的原理，通过热泵的热端产生的高温来加热水合物储层，使水合物储层受热分解出天然气。采用本发明的方法和装置来开采水合物天然气，可以有效的节约能源，有很大的应用前景。
文档编号E21C50/00GK1624296SQ20041007727
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者樊栓狮, 李栋梁, 梁德青, 唐翠萍, 冯自平 申请人:中国科学院广州能源研究所