一种基于风电补偿的天然气水合物开采系统及方法与流程

本发明涉及海域天然气水合物开采领域，具体涉及一种基于风电补偿的天然气水合物开采系统及方法。

背景技术：

随着经济社会的发展，能源短缺问题成为制约经济发展的主要问题之一，天然气水合物是一种清洁能源，是在高压，地温条件下水和小分子烷烃类化合物形成的一种冰状、笼型晶体化合物，其燃烧后的产物主要为水和二氧化碳，相对于燃煤发电更加清洁，天然气水合物的分布较广，能量密度很高，是一种优秀的能源物质，且储量很大，但是天然气水合物主要呈层状分布于海洋底部，海底渗流特性复杂难以开采。目前较好的天然气水合物主要开采方法有：加热法、降压法、化学抑制剂法及co2-ch4置换法，其中有经济性开采前景的是降压法和加热法联合使用的方式进行开采，然而加热法需要投入大量的热力资源，天然气水合物的储层范围极大，所需要的热力资源也很高。

风能是一种清洁能源，指的是地球表面大量空气流动所产生的动能，资源丰富，并具有巨大的发展潜力。近年来风机容量逐年加大，但是由于风机的不稳定发电导致并网困难，造成大规模的“弃风”的现象，造成了电力资源和风机资源的浪费。近年来我国风力发电设备装机容量逐年增加，国内大规模的“弃风”的现象在近两年得到缓解，但是“弃风”率依然很高。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于风电补偿的天然气水合物开采系统及方法，将风力发电装置的“弃风”利用到天然气水合物的开采过程，增加天然气水合物开采过程中的能源来源，提高了能源利用率并有效解决了天然气水合物开采过程的电能热能供应问题。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于风电补偿的天然气水合物开采系统，包括依次连接的风电场及辅助装置、海洋平台系统、井下开采系统，所述风电场及辅助装置包括依次相连接的风电场、逆变与整流装置、升压变压器和降压变压器；

所述海洋平台系统包括蓄电池、n2分离装置、热力发电装置、控制器、储气装置、加速泵a、提纯装置、气水分离装置、电热装置和加速泵b，所述电热装置的第一输出端与蓄电池的第一输出端相连接，所述蓄电池的第二输出端与n2分离装置相连接，所述蓄电池的第三输出端与控制器的第二输出端相连接，所述n2分离装置与热力发电装置相连接，所述热力发电装置与控制器的第一输出端相连接，所述控制器的第三输出端与储气装置相连接，所述气水分离装置与提纯装置连接，所述提纯装置与储气装置连接；

所述井下开采系统包括注入井、产气井和井口设备，所述注入井包括竖直段和水平段，所述竖直段的井口分别连接加速泵b一端、n2分离装置、热力发电装置，所述加速泵b另一端与电热装置连接；所述水平段为套管结构，包括内套管和外套管；所述产气井尾端与井口设备相连接，所述井口设备与气水分离装置相连接；

进一步的，n2分离装置包括依次通过输电电缆相连接的分离罐、压缩机和过滤器；所述热力发电装置包括依次通过输电电缆相连接的发电机、燃气轮机、燃烧室，所述燃气轮机和燃烧室之间设有喷管；

所述降压变压器的第一输出端与蓄电池连接，降压变压器的第二输出端与n2分离装置连接，降压变压器的第三输出端与电热装置连接；所述储气装置与提纯装置之间设有流量计。

进一步的，所述控制器的第一输出端和加速泵a均与热力发电装置的燃烧室连接；所述注入井竖直段的井口连接于发电机与燃气轮机之间的输电电缆上。

一种基于风电补偿的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

s1:风电场的风机受风力驱动，叶片产生旋转转矩，发出电流，流经逆变与整流装置后流向升压变压器，进行电压提升；

s2：经过升压变压器的电流通过输电电缆进行电能传输，流通至降压变压器进行降压；

s3：经过降压变压器降压的电流一端流入电热装置，电热装置通过电热转换将电流转换为热能注入海水，给海水加热；经经过降压变压器降压的电流另一端流入n2分离装置，经n2分离装置分离出n2，提供气源；经过降压变压器降压的电流还有一端流入蓄电池，储存剩余电能；

s4：针对注入井采用交替注入方式，利用n2打破天然气水合物储层相平衡分压，促进分解，当n2采气作用能力降低时，快速注入热海水，加大储层传热速率，提供相变所需的热量，增大采气效率；

s5：气水分离装置分离出的气体经过提纯装置将天然气分离，转移到储气装置中，储气装置将天然气运输至热力发电装置，进而提供海洋平台系统所需要的电能；

s6：经燃气轮机燃烧后的气体，作为注入井的气源，注入天然气水合物储层，由于该气体具有一定热量，能提供储层所需要的热能，形成循环。

进一步的，步骤s3的具体步骤为，电热装置加热之后的电流经过加速泵b加速后注入注入井，流向天然气水合物的储层，注入井水平段的内套管注入热海水，外套管注入n2。

本发明的有益效果是：将风力发电装置所发出的“弃风”利用到天然气水合物的开采过程，增加了天然气水合物开采过程中的能源来源，提高了能源利用率，并且解决了风力弃用所带来的电能资源浪费问题以及天然气水合物开采过程的用电、供热问题；通过电热装置加热的海水注入天然气水合物储层中，高温海水与天然气水合物储层发生热量交换，可以提供储层中水合物分解所需要的热量，加速水合物分解，提高开采效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中附图标记如下：1、逆变与整流装置，2、风电场，3、升压变压器，4、降压变压器，5、蓄电池，6、分离罐，7、压缩机，8、过滤器，9、发电机，10、燃气轮机，11、燃烧室，12、控制器，13、储气装置，14、加速泵a，15、提纯装置，16、气水分离装置，17、电热装置，18、加速泵b,19、注入井，20、产气井，21、流量计，22、喷管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例提供一种基于风电补偿的天然气水合物开采系统，包括依次连接的风电场及辅助装置、海洋平台系统、井下开采系统，所述风电场及辅助装置包括依次相连接的风电场2、逆变与整流装置1、升压变压器3和降压变压器4；

所述海洋平台系统包括蓄电池5、n2分离装置、热力发电装置、控制器12、储气装置13、加速泵a14、提纯装置15、气水分离装置16、电热装置17和加速泵b18，所述电热装置17的第一输出端与蓄电池5的第一输出端相连接，所述蓄电池5的第二输出端与n2分离装置相连接，所述蓄电池5的第三输出端与控制器12的第二输出端相连接，所述n2分离装置与热力发电装置相连接，所述热力发电装置与控制器12的第一输出端相连接，所述控制器12的第三输出端与储气装置13相连接，所述储气装置13通过加速泵a14与热力发电装置相连接，所述气水分离装置16与提纯装置15连接，所述提纯装置15与储气装置13连接；

所述井下开采系统包括注入井19、产气井20和井口设备，所述注入井19包括竖直段和水平段，所述竖直段的井口分别连接加速泵b18一端、n2分离装置、热力发电装置，所述加速泵b18另一端与电热装置17连接；所述水平段为套管结构，包括内套管和外套管；所述产气井20尾端与井口设备相连接，所述井口设备与气水分离装置16相连接；

优选的，上述连接均通过输电电缆进行连接。

n2分离装置包括依次通过输电电缆相连接的分离罐6、压缩机7和过滤器8；所述热力发电装置包括依次通过输电电缆相连接的发电机9、燃气轮机10、燃烧室11，所述燃气轮机10和燃烧室11之间设有喷管22；

所述降压变压器4的第一输出端与蓄电池5连接，降压变压器4的第二输出端与n2分离装置连接，降压变压器4的第三输出端与电热装置17连接；所述储气装置13与提纯装置15之间设有流量计21。

所述控制器12的第一输出端和加速泵a14均与热力发电装置的燃烧室11连接；所述注入井19竖直段的井口连接于发电机9与燃气轮机10之间的输电电缆上。

优选的，本实施例中井下开采系统还包括管钻机、定向装置、随钻射流喷嘴，所述注入井19包括竖直段和水平段，采用竖直水平横向钻井结合的方式，加大注水区域，利于天然气水合物大范围快速分解；注入井19水平段置于天然气水合物储层中间，采用套管结构，便于大范围注入热源与n2。

注入天然气水合物储层的n2，打破相平衡分压，促进水合物的分解，提高开采效率；电热装置17为海洋平台系统提供了电源，避免风电发电低谷时造成用电短缺，并且电热装置17排出的乏气注入水合物储层，可以提供一部分水合物分解过程中所需热量，并且可以驱替水合物封存的天然气，提高开采效率，实现零排放。优选的，本实施例中，气水分离装置16、电热装置17均直接与海水相连。

实施例2

本实施例给出一种基于风电补偿的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

s1:风电场2的风机受风力驱动，叶片产生旋转转矩，发出电流，流经逆变与整流装置1后流向升压变压器3，进行电压提升；

s2：经过升压变压器3的电流通过输电电缆进行电能传输，流通至降压变压器4进行降压；

s3：经过降压变压器4降压的电流一端流入电热装置17，电热装置17通过电热转换将电流转换为热能注入海水，给海水加热；经经过降压变压器4降压的电流另一端流入n2分离装置，经n2分离装置分离出n2，提供气源；经过降压变压器4降压的电流还有一端流入蓄电池5，储存剩余电能；

s4：针对注入井19采用交替注入方式，利用n2打破天然气水合物储层相平衡分压，促进分解，当n2采气作用能力降低时，快速注入热海水，加大储层传热速率，提供相变所需的热量，增大采气效率；

s5：气水分离装置16分离出的气体经过提纯装置15将天然气分离，转移到储气装置13中，储气装置13将天然气运输至热力发电装置，作为能源经过热力发电装置的火力发电过程提供海洋平台系统所需要的电能；

s6：经燃气轮机10燃烧后的气体，作为注入井19的气源，注入天然气水合物储层，由于该气体具有一定热量，能提供储层所需要的热能，形成循环。

步骤s3的具体步骤为，电热装置17加热之后的电流经过加速泵b18加速后注入注入井19，流向天然气水合物的储层，注入井19水平段的内套管注入热海水，外套管注入n2。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。