專利名稱：利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天然氣水合物開采領(lǐng)域，尤其是一種利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置及方法。

背景技術(shù)：
已探明我國南海地區(qū)賦存天然氣水合物資源，初步預(yù)測，我國南海地區(qū)天然氣水合物遠(yuǎn)景資源量可達(dá)上百億噸油當(dāng)量。如何開采我國南海地區(qū)的水合物資源成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。開采水合物的方法有減壓法、加熱法和注化學(xué)劑法。天然氣水合物的分解過程是一個(gè)吸熱過程，分解熱大約是104J/mol。如果要進(jìn)行大量的水合物藏的開采，則需要巨大的熱能。減壓法是利用地層自身的能量來分解水合物，因此很難滿足水合物分解所需的大量熱量，而注化學(xué)劑法使水合物分解的能量來源則是個(gè)難題。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種效率高、能源獲取方便的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的方法，具體為通過循環(huán)水管將海面表層高溫海水導(dǎo)入到海底的水合物層中，利用水管管壁將高溫海水的熱量散熱到水合物層內(nèi)，以使水合物溫度升高并分解。
進(jìn)一步，所述循環(huán)水管的進(jìn)口端從海面表層注入高溫海水，出口端將散熱后的海水排出到海面。
一種實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，包括下水管、散熱管和出水管，散熱管鋪設(shè)在海底的水合物層中，散熱管的兩端分別與下水管、出水管相接通，通過水泵向下水管中注入海面表層高溫海水，高溫海水流經(jīng)散熱管，并將其熱量通過散熱管向水合物層散熱，以使水合物分解，散熱后的海水經(jīng)由出水管排出。
進(jìn)一步，所述散熱管為直管或波浪型彎曲管結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所述下水管的外壁上設(shè)置有保溫層。
進(jìn)一步，所述下水管、散熱管和出水管為管徑為400mm的鋼管。
本發(fā)明通過在海底鋪設(shè)管道，用水泵將表層的熱海水注入到管道中，通過注入海水與海底周圍環(huán)境存在溫差和熱交換，使水合物吸收熱量，分解氣體，實(shí)現(xiàn)高效開采。本發(fā)明充分利用現(xiàn)成的便利資源，能經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)海底天然氣水合物的開采，可望得到廣泛應(yīng)用，具有較好的市場前景。



圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為海底用散熱管波浪型彎曲布置示意圖； 圖3為直徑為400mm時(shí)不同流速下的水頭損失曲線圖； 圖4為流速為1m/s時(shí)不同管徑下的水頭損失曲線圖； 圖5為管道溫降曲線示意圖； 圖6為不同管徑下的沿線溫降曲線圖； 圖7為不同傳熱系數(shù)下的沿線溫降曲線圖； 圖8為不同注入速度下的沿線溫降曲線圖； 圖9為半無限空間內(nèi)水合物分解示意圖； 圖10為單臺(tái)DZS 350×470×2型離心泵的水頭損失曲線圖； 圖11為單臺(tái)DZS 350×470×2型離心泵的溫降曲線曲線圖； 圖12為水合物分解前沿的移動(dòng)速率曲線圖； 圖13為水合物分解前沿隨時(shí)間的變化曲線圖； 圖14為水合物儲(chǔ)層溫度場隨時(shí)間的變化曲線圖； 圖15為單位面積上的產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化曲線圖； 圖16為1平方公里面積上的產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化曲線圖； 圖17為水合物開采的熱效率曲線圖。

具體實(shí)施例方式 天然氣水合物的分解過程是一個(gè)吸熱過程，分解熱大約是40～60KJ/mol。對(duì)于熱帶海洋地區(qū)，由于太陽照射，海水表面溫度較高，海水中儲(chǔ)備有巨大的熱能。
本發(fā)明利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置及方法，適用于廣泛的熱帶海洋區(qū)域，本實(shí)施例中僅以我國南海地區(qū)海洋為例。我國南海地區(qū)地處熱帶，由于太陽照射，海水表面溫度較高，在靠近海表面的水溫約為25～30℃。雖然海水的熱流密度低，但由于量大，所以其總熱能量是很可觀的。
如圖1所示，本發(fā)明利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，包括下水管1、散熱管3和出水管2，散熱管3鋪設(shè)在海底的水合物層4中，散熱管3的兩端分別與下水管1、出水管2相接通，通過水泵向下水管中注入海面表層高溫海水6，高溫海水流經(jīng)散熱管3，并將其熱量通過散熱管3向水合物層4散熱，水合物吸收熱量溫度升高，當(dāng)溫度升高到高于水合物的相平衡溫度時(shí)，水合物開始分解，釋放出甲烷氣體，散熱后的海水經(jīng)由出水管2排出。散熱管3可為直管，如圖2所示，為了增大散熱面積，散熱管3可為波浪型彎曲管結(jié)構(gòu)。
水合物的分解不是在整個(gè)地層內(nèi)分解，而是類似于冰的融化，存在著一個(gè)分解前沿。當(dāng)具有較高溫度的表層海水被源源不斷地注入到海底時(shí)，由于管內(nèi)的海水與管外的地層存在溫度梯度，于是管線開始向外放熱。地層吸收熱量后，水合物開始分解，分解前沿平行于管線的軸心線，且向深度方向推進(jìn)。該分解前沿把整個(gè)區(qū)域分為已分解區(qū)(1區(qū))和未分解區(qū)(2區(qū))兩個(gè)區(qū)域，假設(shè)1區(qū)存在氣、水兩相，2區(qū)含有固態(tài)的水合物。隨著水合物的分解，分解前沿向下移動(dòng)，不斷分解產(chǎn)生出氣體。
由于液體有粘滯性，使液體流動(dòng)時(shí)具有不同的流態(tài)，即層流和紊流。圓管內(nèi)層流和紊流時(shí)的流速分布規(guī)律不同，兩者的水頭損失和流速的關(guān)系也有差別。
一般用雷諾數(shù)Re判別水流的流態(tài)。通過試驗(yàn)得出，圓管滿流時(shí)的雷諾數(shù)Re＜2000時(shí)，不論液體性質(zhì)和管徑大小如何均為層流，Re＞2000時(shí)為紊流。但實(shí)際水流中很少為層流，紊流居多。
水頭損失一般包括兩部分，沿程水頭損失hf和局部水頭損失。前者是克服管線摩擦阻力而損失的水頭，它隨著管線長度的增加而增加，所以又稱長度損失。后者是水流通過各種閥件、管件所產(chǎn)生的水頭損失。長輸管道的水頭損失主要是沿程水頭損失，局部水頭損失只占1％-2％。因此這里只考慮管線的沿程水頭損失hf。
圓管流動(dòng)的沿程水頭損失公式為 式中，λ——沿程阻力系數(shù)； l——管線長度(m)； d——圓管直徑(m)； v——水流速度(m/s)； g——重力加速度(m/s2)； 沿程阻力系數(shù)λ一般是雷諾數(shù)的函數(shù)。層流時(shí)

當(dāng)雷諾數(shù)4000＜Re＜105時(shí)，λ＝0.3164/Re0.25。
從圖3～圖4中可以看出，流速越大，水頭損失越大；管徑越小，水頭損失越大；管線越大，相應(yīng)地水頭損失肯定也越大。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇管徑和控制管內(nèi)的水流速度。
在設(shè)計(jì)管道時(shí)，應(yīng)該合理選擇管道直徑，管道直徑大，在相同流量下、液流速度小，阻力損失小，但價(jià)格高，管道直徑小，會(huì)導(dǎo)致阻力損失急劇增大，使所選泵的揚(yáng)程增加，配帶功率增加，成本和運(yùn)行費(fèi)用都增加。因此應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮。
確定經(jīng)濟(jì)管徑的方法可采用費(fèi)用現(xiàn)值最小法。假設(shè)不同的管徑，計(jì)算出管道的一次性投資，然后根據(jù)供水流量、管長、管徑、管材計(jì)算凈揚(yáng)程，再由凈揚(yáng)程、流量等計(jì)算裝機(jī)容量，從而計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)，按費(fèi)率和年限折現(xiàn)，求出費(fèi)用現(xiàn)值，其中最小費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)應(yīng)的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑。根據(jù)估算500mm管徑為經(jīng)濟(jì)管徑。
通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前海底管道的最大直徑為16英寸(約0.4m)，一般為2～14英寸(0.05～0.36m)。因此建議采用400mm管徑的輸水管。
在管道輸送中，泵站的工作任務(wù)就是不斷地向管道輸入一定量的液體，并給液體供應(yīng)一定的壓力能，以克服管道流動(dòng)中的水頭損失，維持管內(nèi)液體的流動(dòng)。由于離心泵具有排量大，能串聯(lián)工作，運(yùn)行平穩(wěn)、構(gòu)造簡單、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，在管道輸送中得到了廣泛的應(yīng)用。
泵的工作狀況通常用工作參數(shù)來表示，其主要工作參數(shù)有揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速和效率等。這些參數(shù)反映了泵的工作狀態(tài)和能量轉(zhuǎn)換的程度。泵的主要性能指標(biāo)也用這些主要工作參數(shù)來表示。離心泵常以串聯(lián)或并聯(lián)的方式在管路系統(tǒng)中聯(lián)合運(yùn)行。目的在于增加系統(tǒng)中的流量或提高壓力。在遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)中，一般需要多臺(tái)泵串聯(lián)運(yùn)行，以將液流運(yùn)送到預(yù)定的地點(diǎn)。一般來說，泵的聯(lián)合運(yùn)行要比單泵的運(yùn)行效果差，而且運(yùn)行工況復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難。聯(lián)合運(yùn)行的臺(tái)數(shù)最好不超過3臺(tái)。若串聯(lián)的泵數(shù)量過多，末級(jí)泵將承受很大的壓力，對(duì)泵體的強(qiáng)度要求就更高。
在系統(tǒng)中，當(dāng)單臺(tái)泵的揚(yáng)程低于裝置揚(yáng)程，往往使用兩臺(tái)或多臺(tái)泵串聯(lián)運(yùn)行。兩臺(tái)泵串聯(lián)時(shí)兩臺(tái)泵的流量相等，總揚(yáng)程等于兩泵在此流量下的揚(yáng)程之和。為保證它們都在高效區(qū)工作，最好要求二泵的流量相同或相近。串聯(lián)運(yùn)行的兩臺(tái)泵是按流量相等的原則來分配揚(yáng)程的。本發(fā)明中采用離心泵串聯(lián)組合方式，其特點(diǎn)是通過每臺(tái)泵的排量相同，均等于泵站排量；泵站揚(yáng)程等于各泵揚(yáng)程之和。
原動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)管道用泵的動(dòng)力機(jī)械，是管道輸送的核心設(shè)備。目前較常用的管道用的原動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等。
電動(dòng)機(jī)在管道上應(yīng)用最多，它的安裝、維修和管理都較方便，能與泵直接連接，容易實(shí)現(xiàn)自控和遙控，效率不受高程影響；但泵站使用電動(dòng)機(jī)需要相應(yīng)的供配電系統(tǒng)支持。在缺乏電源的地區(qū)，柴油機(jī)是一種可以考慮選用的原動(dòng)機(jī)。它的體積大，噪音大，運(yùn)行管理不方便，易損件多，維修工作量大，需要解決燃料供應(yīng)問題。它的燃料除柴油外還可用重油、燃料油和原油。但柴油機(jī)的熱效率不高，一般為32％～35％，若對(duì)排氣廢熱加以利用，效率還可以提高。通常情況下柴油機(jī)常用于輸油管道中。燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，轉(zhuǎn)速高，能以多種油品和天然氣作燃料；不用水冷卻；便于自控和遙控；機(jī)組有雙重甚至三重保護(hù)系統(tǒng)，故運(yùn)行安全可靠；可在滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速的70～110％范圍內(nèi)變速，以調(diào)節(jié)輸量。主要缺點(diǎn)是熱效率偏低，只有20～30％，且受高程和氣溫影響。但燃?xì)廨啓C(jī)大型化和采用全能量系統(tǒng)，以及充分回收和利用余熱后，它的熱效率已可提高80％。而且燃?xì)廨啓C(jī)檢修周期長，維修間隔期為50000小時(shí)。
泵的原動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)泵的性能參數(shù)、原動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、能源供應(yīng)情況、管道自控及調(diào)節(jié)方式等因素來決定。這里結(jié)合工程特性優(yōu)先選用燃?xì)廨啓C(jī)。從海底開采出的天然氣可以為燃?xì)廨啓C(jī)提供燃料，同時(shí)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣廢熱加以利用，可以用來加熱注入海水的溫度，實(shí)現(xiàn)廢氣的高效利用。
離心泵選型計(jì)算步驟 步驟一根據(jù)設(shè)計(jì)揚(yáng)程、流量，初步選出符合要求的幾個(gè)泵系列型號(hào)； 步驟二根據(jù)泵站或泵裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量及每種泵型的設(shè)計(jì)流量。計(jì)算出每種泵型所需要的臺(tái)數(shù)。一般情況下，每座泵站可選用2～4臺(tái)泵，其中一臺(tái)備用； 步驟三配套動(dòng)力機(jī)的功率計(jì)算。當(dāng)泵型選定后，與其配套的動(dòng)力機(jī)的功率即可計(jì)算。
每臺(tái)泵所匹配的原動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)不小于輸水時(shí)泵的軸功率N， 式中，N——泵的軸功率，kW； Q——泵的排量，m3/s； H——泵排量為Q時(shí)的揚(yáng)程，m； ρ——海水密度，kg/m3；； g——重力加速度，m/s2； η——泵排量為Q時(shí)的效率。
溫度較高的表層海水進(jìn)入管道后，沿管道流動(dòng)不斷向周圍介質(zhì)散熱，使注入的海水溫度降低。散熱量及沿線溫度分布受很多因素的影響，如輸水量、周圍海水溫度、管道散熱條件等。這些因素是隨時(shí)間變化的，故管道經(jīng)常處于熱力不穩(wěn)定狀態(tài)。工程上將正常運(yùn)行工況近似為熱力、水力穩(wěn)定狀況，在此前提下進(jìn)行軸向溫降計(jì)算。
如圖5所示，溫度為TR的表層海水在沿管道流動(dòng)過程中，不斷地把熱量散失到溫度較低的管道周圍介質(zhì)中，因而使水流的溫度逐漸下降。設(shè)管道周圍介質(zhì)溫度為T0，水流到距注入處L處溫度降為T℃。由該處往前，長為dl的一小段管路中，單位時(shí)間內(nèi)向外散失的熱量為Kπd(T-T0)dl。經(jīng)過dl這一小段距離后，油溫又降低了dT。在穩(wěn)定傳熱過程中，如不考慮水流的摩擦熱，則水流放出的熱量為GCdT，d1段的熱平衡關(guān)系為 Kπd(T-T0)dl＝-GCdT(3.1) 因dT與d1的方向相反，故引入負(fù)號(hào)。
設(shè)總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，水流流經(jīng)長為L的管段后溫度降為TL，將(3.1)由0到L積分后，可得到管路沿線的溫降關(guān)系式為 即 式中，K——管道總傳熱系數(shù)(W/m2·K)； d——管道直徑(m)； G——水流的質(zhì)量流量(kg/s)； C——水的比熱容(J/kg·K) L——管道輸送長度(m)； T0——管道周圍介質(zhì)溫度(K)； TR——管道起點(diǎn)水溫(K)； TL——距起點(diǎn)L處水溫(K)； 根據(jù)溫降關(guān)系式(3.2)計(jì)算分析了從海表面到海底這段距離內(nèi)(豎直管)管道內(nèi)的溫降分布。分析了管徑d、管道總傳熱系數(shù)K、注入速度v對(duì)豎直管內(nèi)的溫降分布的影響。
勘探表明我國南海地區(qū)的水合物儲(chǔ)層位于水深800～1200m的海底表層。于是本實(shí)施例中取豎直下水管的長度為1000m，表層海水的溫度取25℃(298K)。
如圖6～圖8可知，管徑越小，溫降越快；管道的傳熱系數(shù)越大，溫降越快；海水的注入速率越大，溫降越慢。由于采用的管道多為鋼管，而鋼管的導(dǎo)熱能力很強(qiáng)，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)46.5W/m·K，熱量很快就被消耗掉了，如圖8中的黃線所示。為了盡量減少在豎直管內(nèi)的溫降，使進(jìn)入到海底管道內(nèi)的海水維持較高的溫度，因此在下水管的外面加護(hù)有絕緣層、保溫層，以保護(hù)管內(nèi)的熱水不被周圍介質(zhì)降低溫度。對(duì)于海底的散熱管，以及出水管則不需要做保溫措施。
管線鋪設(shè)在海底的表層，熱量從管內(nèi)進(jìn)入水合物地層后，海底的水合物沿著水深方向開始分解。如圖9所示的是半無限空間內(nèi)水合物的分解過程。建立開采地層中水合物溫度分布的一維數(shù)學(xué)模型，水合物的初始溫度為Ti。在時(shí)間t＝0時(shí)刻，注入熱水，z＝0的邊界溫度升高至Tw，并且在整個(gè)開采過程中始終維持恒溫。在分解過程中，存在一個(gè)分解前沿，它沿著水深z的方向移動(dòng)，將原水合物區(qū)分為1區(qū)(分解區(qū))和2區(qū)(水合物區(qū))。
在某個(gè)時(shí)刻t，水合物地層不同區(qū)域內(nèi)溫度場分別為(假定在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)均依靠純導(dǎo)熱而傳遞熱量) (1)已分解區(qū)(1區(qū)，0＜z＜s(t)) 邊界條件z＝0，T1＝Tw(4.1b) (2)未分解區(qū)(2區(qū)，z＞s(t)) 邊界條件z→∞，T2＝Ti(4.2b) (3)分解面處(z＝s(t))，水合物處于地層壓力下的分解溫度Tp T1＝T2＝Tp(4.3a) 移動(dòng)邊界上的應(yīng)當(dāng)滿足能量守恒，即 式(4.1)～(4.3)構(gòu)成了水合物儲(chǔ)層在熱力作用下分解過程的傳熱方程的一維微分形式以及邊界條件和初始條件。
水合物分解溫度與壓力的關(guān)系式采用下式(Sloan，1998) 分析表明，在一維相變問題中，相界面位置隨時(shí)間的平方根而變化，即

同時(shí)，結(jié)合相界面條件(4.3a)的要求，1區(qū)與2區(qū)的溫度分布T1(z，t)，T2(z，t)的表達(dá)式中應(yīng)包含

這種組合形式的綜合自變量，以保證相界面上溫度恒定。分析表明，一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程有誤差函數(shù)形式的解，即 在這一形式的解中，恰好包含了

這樣的綜合自變量，滿足相變問題的特性對(duì)解提出的要求，可用來構(gòu)造相變問題的解。
取1區(qū)內(nèi)的溫度分布為 取2區(qū)內(nèi)的溫度分布為 式(4.5)滿足方程(4.1a)及邊界條件(4.1b)，式(4.6)滿足方程(4.2a)及邊界條件(4.2b)，系數(shù)A與B未知待定。
為求系數(shù)A與B，將式(4.5)與式(4.6)帶入相界面條件(4.3a)，得 其中 為了使式(4.7)成立，參數(shù)M必須為常數(shù)，于是可由式(4.7)求得 將A、B的表達(dá)式分別代入(4.5)與式(4.6)，即可得到1、2兩區(qū)內(nèi)的溫度分布分別為 最后，還必須確定常參數(shù)M的值。為此，必須應(yīng)用相界面條件(4.3b)。將式(4.10)與式(4.11)代入式(4.3b)，得 式(4.12)是一個(gè)關(guān)于M的超越方程，也稱為相變問題的特征方程，要用迭代法求解。在求得M之后，將其代入式(4.10)與式(4.11)，即得到已分解區(qū)及未分解區(qū)的最終溫度分布。將M代入式(4.8)，即得到移動(dòng)相界面的位置s(t)。
在已經(jīng)得到水合物分解前沿、分解區(qū)域、水合物區(qū)域溫度分布的解析表達(dá)式的基礎(chǔ)上，對(duì)住熱開采水合物過程中分解區(qū)和未分解區(qū)進(jìn)行能量分析，對(duì)利用表層熱海水開采水合物進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)價(jià)。
1、水合物開采熱效率 在不考慮蓋層的熱量損失的情況下，從時(shí)間t＝0到時(shí)間t，進(jìn)入地層的熱量在水合物開采過程中分為以下三部分 (1)已分解區(qū)(0＜z＜s(t)) 進(jìn)入地層的熱量一部分用于升高已分解區(qū)的溫度，即加熱分解區(qū)內(nèi)的多孔介質(zhì)及水合物分解所得的水和天然氣消耗的熱量，Q1。
(2)分解前沿(z＝s(t)) 分解水合物引起的熱量損失QD (3)未分解區(qū)(s(t)＜z＜∞) 由于分解區(qū)與未分解區(qū)存在溫度梯度，通過水合物區(qū)導(dǎo)走的熱量為 定義水合物開采熱效率(thermal efficiency)ηTE為用于水合物分解的熱量QD與輸入的總熱量Qin之比， 2、水合物開采能量效率 根據(jù)理論計(jì)算，1m3的天然氣水合物在標(biāo)準(zhǔn)條件下可釋放出164m3的甲烷氣體。因此由分界前沿可以計(jì)算出水合物分解速率(產(chǎn)氣速率)qg，即 把式(4.8)帶入式(4.17)得 分解出的總的氣體體積為 水合物開采的能量效率(energy efficiency ratio)ηEER是水合物分解所得到的甲烷氣體充分燃燒所產(chǎn)生的熱量Qgm與原動(dòng)機(jī)消耗的能量QN之比，即 符號(hào)含義 Tw表層海水的溫度，K Tp一定壓力下的水合物分解溫度，K Ti地層內(nèi)水合物藏的初始溫度，K ρgw分解區(qū)內(nèi)氣水密度，kg/m3 ρH水合物的密度，kg/m3 ρr儲(chǔ)層巖石的密度，kg/m3 ρ1分解區(qū)的密度ρ1＝SHρgw+(1-SH)ρr，kg/m3 ρ2未分解區(qū)的密度ρ2＝SHρH+(1-SH)ρr，kg/m3 ΔHD水合物的分解熱，J/mol ΔHm甲烷氣體燃燒熱，J/m3 SH水合物在地層中的飽和度， α1分解區(qū)的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s α2未分解區(qū)的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s k1分解區(qū)區(qū)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m·K k2未分解區(qū)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m·K nH水合物水合數(shù)，這里為 Mw甲烷氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol Mg水的摩爾質(zhì)量，1kg/mol MH水合物的摩爾質(zhì)量，kg/mol M水合物分解前沿常數(shù)， Cg甲烷的比熱容，J/kg·K Cr儲(chǔ)層巖石的比熱容，J/kg·K Cw水的比熱容，J/kg·K C1分解區(qū)的比熱容，C1＝SH(Cg+Cw)+(1-SH)Cr，J/kg·K QD分解水合物引起的熱量損失，J Q1分解區(qū)內(nèi)的多孔介質(zhì)及水合物分解所得的水和天然氣消耗的熱量，J Q2進(jìn)入水合物區(qū)的熱量，J Qgm甲烷氣體充分燃燒所產(chǎn)生的熱量，J qg水合物分解的產(chǎn)氣率，m3/m2·s Qg水合物的產(chǎn)氣量，m3 ηTE水合物開采熱效率 ηEER水合物開采的能量效率 現(xiàn)已探明我國南海地區(qū)富含天然氣水合物資源，如何將這部分天然氣開采出來將是一個(gè)問題。我國南海地區(qū)地處熱帶，表層海水溫度較高，在開采該地區(qū)的水合物礦藏時(shí)，應(yīng)因地制宜地充分利用這一便利資源。
經(jīng)過分析，選用管徑為400mm的無接縫鋼管，泵型選用離心泵。例如當(dāng)選用單臺(tái)泵最大流量為1960m3/h的DZS 350×470×2型離心泵時(shí)，如圖10所示，通過計(jì)算得知流經(jīng)25km管線長度時(shí)的水頭損失為493m，而這臺(tái)泵的最大揚(yáng)程為564m，因此揚(yáng)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。如圖11所示，在開采水合物時(shí)，我們需要把大量的表層熱海水源源不斷地注入到管道中，因此這里我們選擇并聯(lián)離心泵，增加系統(tǒng)的流量，也就意味著不斷有能量補(bǔ)給海底散熱管。
以我國的南海地區(qū)為例，根據(jù)上面提出的公式和評(píng)價(jià)方法對(duì)利用熱海水開采天然氣水合物藏進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)價(jià)。我國南海地區(qū)的參數(shù)取值如表1所示 如圖12～17所示，國家地質(zhì)調(diào)查局初步估計(jì)，我國南海海槽地區(qū)水合物分布區(qū)域的面積有2400平方公里，鉆探顯示該地區(qū)的水合物飽和度在20％～43％之間，含水合物沉積層的厚度為11～34m。在進(jìn)行預(yù)測時(shí)，我們選取水合物的平均飽和度為30％。當(dāng)利用該地區(qū)的表層熱海水來開采水合物時(shí)，初步估算1平方公里面積的水合物儲(chǔ)層半年內(nèi)可生產(chǎn)出6億立方米的天然氣，則僅南海海槽該地區(qū)半年內(nèi)的產(chǎn)氣量就可達(dá)14400億立方米。
2009年我國的天然氣消費(fèi)量為778億立方米，而生產(chǎn)天然氣830億立方米，生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了消耗量。2010年預(yù)期將消耗天然氣1400億立方米，依目前我國的生產(chǎn)能力來說肯定滿足不了需求。如果我們提供的思路可行的話，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
我們也對(duì)該技術(shù)從能量的角度進(jìn)行了可行性評(píng)估，以開采1平方公里面積的水合物藏為例，經(jīng)計(jì)算與泵所匹配的原動(dòng)機(jī)的功率為3500kW，運(yùn)行半年將消耗相當(dāng)于約54.4×1012J的熱量。而1平方公里面積的水合物儲(chǔ)層可生產(chǎn)出6億立方米的天然氣，完全燃燒后可釋放熱量233.12×1014J的熱量，是所消耗熱量的428倍。因此從能量效率的角度考慮，該方法也具有可行性。
本發(fā)明中以我國南海地區(qū)為例，經(jīng)管線的溫降計(jì)算發(fā)現(xiàn)，管道的傳熱系數(shù)越大，溫降越快。25℃的海水在鋼管內(nèi)流動(dòng)到海底1000米深度處時(shí)，如果鋼管沒有加保溫措施，1000米末端處的水溫降低了14％，而加了保溫措施后，末端的水溫僅降低了0.6％。因此在豎直段的鋼管外加保溫措施，以保護(hù)管內(nèi)的熱水不被周圍介質(zhì)降低溫度，而位于海底的水平段的鋼管則不用采取保溫措施。結(jié)合我國南海地區(qū)的數(shù)據(jù)，初步估算了該地區(qū)的產(chǎn)氣量，以1km2的面積為例，半年可以生產(chǎn)出6.20×108m3的天然氣。初步估算了不同水合物飽和度所對(duì)應(yīng)的熱效率和能量效率，勘探發(fā)現(xiàn)我國南海地區(qū)的水合物飽和度一般為20～40％，計(jì)算出能量效率在8.6～10.8之間，從天然氣開采的角度來說，這個(gè)能量效率還是具有一定的優(yōu)勢。由于地理位置的優(yōu)越性，南海地區(qū)的表層海水溫度較高(25～30℃)，量大易得，充分利用這一便利條件，就地取材，在我國南海地區(qū)利用表層海水開采水合物的途徑具有非常好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的方法，其特征在于，該方法具體為通過循環(huán)水管將海面表層高溫海水導(dǎo)入到海底的水合物層中，利用水管管壁將高溫海水的熱量散熱到水合物層內(nèi)，以使水合物溫度升高并分解。
2.如權(quán)利要求1所述的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的方法，其特征在于，所述循環(huán)水管的進(jìn)口端從海面表層注入高溫海水，出口端將散熱后的海水排出到海面。
3.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，其特征在于，該裝置包括下水管、散熱管和出水管，散熱管鋪設(shè)在海底的水合物層中，散熱管的兩端分別與下水管、出水管相接通，通過水泵向下水管中注入海面表層高溫海水，高溫海水流經(jīng)散熱管，并將其熱量通過散熱管向水合物層散熱，以使水合物分解，散熱后的海水經(jīng)由出水管排出。
4.如權(quán)利要求3所述的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，其特征在于，所述散熱管為直管或波浪型彎曲管結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求3所述的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，其特征在于，所述下水管的外壁上設(shè)置有保溫層。
6.如權(quán)利要求6所述的利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的裝置，其特征在于，所述下水管、散熱管和出水管為管徑為400mm的鋼管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用表層熱海水高效開采天然氣水合物的方法，具體為通過循環(huán)水管將海面表層高溫海水導(dǎo)入到海底的水合物層中，利用水管管壁將高溫海水的熱量散熱到水合物層內(nèi)，以使水合物溫度升高并分解。本發(fā)明通過在海底鋪設(shè)管道，用水泵將表層的熱海水注入到管道中，通過注入海水與海底周圍環(huán)境存在溫差和熱交換，使水合物吸收熱量，分解氣體，實(shí)現(xiàn)高效開采。本發(fā)明充分利用現(xiàn)成的便利資源，能經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)海底天然氣水合物的開采，可望得到廣泛應(yīng)用，具有較好的市場前景。
文檔編號(hào)E21B43/241GK101806206SQ201010135520
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者李家春, 張珍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所