本實用新型涉及天然氣水合物開采領(lǐng)域，尤其涉及電廠煙氣高效、經(jīng)濟開采天然氣水合物的方法。

背景技術(shù)：

天然氣水合物廣泛存在于陸地凍土區(qū)和海底沉積物層，是一種極具前景的下一代能源資源。如何高效、經(jīng)濟地從水合物儲層中開采儲量龐大的天然氣資源仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

目前海上開采天然氣水合物的技術(shù)一般源于石油天然氣工業(yè)常規(guī)的油、氣開采技術(shù)。這些方法都是利用溫度、壓力和化學(xué)勢方面驅(qū)動力不同，從而顯著改變水合物儲層區(qū)的條件。熱激法是引起水合物儲層溫度在生成與分解之間變化（ΔT ）；降壓法是改變儲層的壓力使其低于水合物生成壓力（ΔP ）；抑制劑是改變水合物的化學(xué)環(huán)境（Δμ ）從而阻礙氣體水合物的生成。然而，這些方法都是建立在水合物分解的基礎(chǔ)之上可能會造成嚴(yán)重的后果，如海底滑坡和海底生物系統(tǒng)的破壞。

采用煙氣（CO₂與N₂的混合氣）來開采天然氣水合物是一種潛在的無損開采方式，開采過程會形成CO₂水合物可以起到穩(wěn)定地層的作用。但是由于注入氣體中N₂含量較高，采出氣中CH₄含量太低且N₂/CH₄難分離，使得整個過程的總能效降低，開采過成本增大，導(dǎo)致獲取的CH₄工業(yè)應(yīng)用價值不高。

針對煙氣開采水合物時，產(chǎn)出氣甲烷濃度低，開采過程能效低、經(jīng)濟性差的缺點，本實用新型提出電廠煙氣高效、經(jīng)濟開采天然氣水合物的方法，一方面提高產(chǎn)出氣甲烷的濃度，另一方面從煙氣置換開采水合物整個流程（從電廠煙氣到最終的甲烷產(chǎn)品氣）來考慮，選取合適的操作條件以及分離工藝，從而提高煙氣開采水合物過程的經(jīng)濟性以及能效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對煙氣開采水合物時，產(chǎn)出氣甲烷濃度低，開采過程能效低、經(jīng)濟性差的缺點，本實用新型提出電廠煙氣高效開采天然氣水合物的方法。

本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

電廠煙氣高效開采天然氣水合物的方法，首先在水合物儲層鉆出兩口以上的水平井；所述水平井包括一個以上的注入井和一個以上的開采井；開始采用降壓開采方式進(jìn)行開采，當(dāng)水合物儲層壓力降低至儲層溫度所對應(yīng)水合物相平衡壓力的5%~15%時，通過注入井向水合物儲層注入高于水合物儲層壓力2~4 MPa的煙氣，注入到地層的煙氣與水合物儲層中的水合物發(fā)生反應(yīng)得到含甲烷的混合氣，經(jīng)過開采井、管線輸送至透平膨脹裝置回收部分壓力能，經(jīng)過透平膨脹裝置后的混合氣輸送至膜分離裝置除去氮氣，膜分離裝置處理后的氣體通過管線直接輸送至脫碳裝置進(jìn)行脫碳，最終得到所需要的產(chǎn)品氣甲烷氣。

上述方法中，向水合物儲層注入煙氣，電廠煙氣直接進(jìn)行增壓、注入無需對煙氣進(jìn)行分離、凈化處理；增壓后的煙氣也無需進(jìn)行降溫處理通過注入井直接注入地層。

上述方法中，經(jīng)過透平膨脹裝置后的混合氣輸送至膜分離裝置除去氮氣，所述膜分離裝置除去氮氣還包括采用變壓吸附或水合方式脫除氮氣。

上述方法中，所述的膜分離裝置處理后的氣體通過管線直接輸送至脫碳裝置進(jìn)行脫碳，此處脫碳方式可以采用乙醇胺吸收、水合物、膜分離、變壓吸附方式進(jìn)行脫碳。

上述方法中，采出井出來的氣體通過透平膨脹裝置將壓力降至膜分離裝置所需要的進(jìn)氣壓力同時回收部分壓力能。

電廠煙氣高效開采天然氣水合物的裝置，包括氣體增壓機、注入井、上覆地層、開采井、透平膨脹裝置、膜分離裝置和脫碳裝置；

所述氣體增壓機與注入井連接；所述開采井與透平膨脹裝置、膜分離裝置和脫碳裝置順次連接。

進(jìn)一步地，所述膜分離裝置包括第一級中空纖維膜組件、第二級中空纖維膜組件和第三級中空纖維膜組件；所述第一級中空纖維膜組件滲透氣出口與滲余氣出口分別與第二級中空纖維膜組件和第三級中空纖維膜組件的入口連接；所述第二級中空纖維膜組件滲余氣出口和第三級中空纖維膜組件的滲透氣出口與第一級中空纖維膜組件的進(jìn)氣入口連接。

進(jìn)一步地，所述脫碳裝置包括吸收塔、管束式換熱器、離心泵和解吸塔；所述吸收塔的底部出口與管束式換熱器左側(cè)入口連接、管束式換熱器右側(cè)出口連接解吸塔上部入口；所述解吸塔的底部出口與離心泵入口相連接、離心泵出口與管束式換熱器的底部入口相連；所述管束式換熱器的上部出口與吸收塔的頂部入口連接；CH₄通過吸收塔塔頂出口排出，CO₂通過解吸塔塔頂出口排出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)勢在于：

采用本方法開采水合物，甲烷的回收率更高；開采方式更環(huán)保，在開采甲烷水合物的同時封存了CO₂；同時能耗更低。

附圖說明

圖1為電廠煙氣高效、經(jīng)濟開采天然氣水合物的方法的原理圖；

圖2為膜分離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為脫碳裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各個部件如下：

氣體增壓機1、注入井2、下覆地層3、水合物層4、上覆地層5、開采井6、透平膨脹裝置7、膜分離裝置8、脫碳裝置9、第一級中空纖維膜組件10、第二級中空纖維膜組件11、第三級中空纖維膜組件12、吸收塔13、管束式換熱器14、離心泵15、解吸塔16。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型的實用新型目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實施例不能在此一一贅述，但本實用新型的實施方式并不因此限定于以下實施例。

下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步描述。

電廠煙氣高效開采天然氣水合物的裝置，包括氣體增壓機1、注入井2、上覆地層5、開采井6、透平膨脹裝置7、膜分離裝置8和脫碳裝置9；所述氣體增壓機1與注入井2連接；所述開采井6與透平膨脹裝置7、膜分離裝置8和脫碳裝置9順次連接。所述膜分離裝置8包括第一級中空纖維膜組件10、第二級中空纖維膜組件11和第三級中空纖維膜組件12；所述第一級中空纖維膜組件10滲透氣出口與滲余氣出口分別與第二級中空纖維膜組件11和第三級中空纖維膜組件12的入口連接；所述第二級中空纖維膜組件11滲余氣出口和第三級中空纖維膜組件12的滲透氣出口與第一級中空纖維膜組件10的進(jìn)氣入口連接。所述脫碳裝置9包括吸收塔13、管束式換熱器14、離心泵15和解吸塔16；所述吸收塔13的底部出口與管束式換熱器14左側(cè)入口連接、管束式換熱器14右側(cè)出口連接解吸塔16上部入口；所述解吸塔16的底部出口與離心泵15入口相連接、離心泵15出口與管束式換熱器14的底部入口相連；所述管束式換熱器14的上部出口與吸收塔13的頂部入口連接；CH₄通過吸收塔13塔頂出口排出，CO₂通過解吸塔16塔頂出口排出。

本實用新型的透平膨脹裝置7采用蘇州西達(dá)低溫設(shè)備有限公司生產(chǎn)的透平膨脹發(fā)電機組一。本實用新型的連接結(jié)構(gòu)如下：

如圖1所示，電廠煙氣高效、經(jīng)濟開采天然氣水合物的方法，首先鉆出兩口水平井，水平井2和水平井6，采用降壓開采方式進(jìn)行開采；當(dāng)水合物儲層壓力降低至儲層溫度對應(yīng)水合物相平衡壓力之上5%~15%，電廠煙氣通過增壓裝置1增壓，然后向注入井2注入煙氣；采出井6開采出來的氣體先經(jīng)過透平膨脹裝置7回收部分壓力能，經(jīng)過透平膨脹裝置后的混合氣輸送至膜分離裝置8除去氮氣，膜分離裝置處理后的氣體通過管線直接輸送至脫碳裝置9進(jìn)行脫碳，最終得到所需要的產(chǎn)品氣甲烷氣。

透平膨脹裝置可采用蘇州西達(dá)低溫設(shè)備有限公司生產(chǎn)的透平膨脹發(fā)電機組一；膜分離裝置由第一級中空纖維膜組件、第二級中空纖維膜組件、第三級中空纖維膜組件組成，中空纖維膜組件的中空纖維膜可采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）三嵌段共聚物膜；脫碳裝置的吸收劑采用甲基二乙醇胺（MDEA）溶液。

圖2為膜分離裝置8的結(jié)構(gòu)示意圖，具體工藝過程如下：經(jīng)過透平膨脹機壓力下將至2MPa的混合氣輸送至膜分離裝置的第一級中空纖維膜組件10。第一級中空纖維膜組件的滲透氣進(jìn)入第二級中空纖維膜組件11，滲余氣進(jìn)入第三級中空纖維膜組件12；第三級中空纖維膜組件滲透氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲余氣直接放空；第二級中空纖維膜組件滲余氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲透氣直接輸送至脫碳裝置。

圖3為脫碳裝置9的結(jié)構(gòu)示意圖，具體工藝過程如下：將膜分離裝置第二級中空纖維膜組件滲透氣直接輸入至脫碳裝置的吸收塔13，同時從吸收塔頂部注入MDEA溶液，從吸收塔塔頂?shù)玫剿枰漠a(chǎn)品氣甲烷氣，塔底的吸收液（含CO₂的MDEA溶液）經(jīng)管束式換熱器14進(jìn)入解吸塔16解吸，塔頂排出CO₂廢氣，塔底的貧液用離心泵15經(jīng)過管束式換熱器返回至吸收塔。

實施例1

本實施例提供一種電廠煙氣高效開采儲層條件為4℃、12MPa的天然氣水合物藏的方法，其操作過程如下：

首先在水合物儲層中部及邊緣各鉆一口水平井，開始采用降壓開采方式進(jìn)行開采。當(dāng)水合物儲層壓力降低至4.3MPa時，向水合物儲層注入8MPa煙氣（體積分?jǐn)?shù)為0.16CO₂+0.84N₂）。注入到地層的煙氣與水合物儲層中的水合物發(fā)生反應(yīng)得到含甲烷的混合氣，經(jīng)過開采井、管線直接輸送至透平膨脹機回收部分壓力能，混合氣壓力降至2MPa輸送至膜分離裝置的第一級中空纖維膜組件。第一級中空纖維膜組件的滲透氣進(jìn)入第二級中空纖維膜組件，滲余氣進(jìn)入第三級中空纖維膜組件；第三級中空纖維膜組件滲透氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲余氣直接放空；第二級中空纖維膜組件滲余氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲透氣直接輸送至脫碳裝置。進(jìn)入脫碳裝置的滲透氣經(jīng)吸收塔吸收，從塔頂?shù)玫剿枰漠a(chǎn)品氣甲烷氣。塔底的吸收液（含CO₂的MDEA溶液）經(jīng)管束式換熱器進(jìn)入解吸塔解吸，塔頂排出CO₂廢氣，塔底的貧液用離心泵經(jīng)過管束式換熱器返回至吸收塔。

實施例2

本實施例提供一種電廠煙氣高效開采儲層條件為1℃、12MPa的天然氣水合物藏的方法，其操作過程如下：

首先在水合物儲層中部及邊緣各鉆一口水平井，開始采用降壓開采方式進(jìn)行開采。當(dāng)水合物儲層壓力降低至3.3MPa時，向水合物儲層注入7MPa煙氣（體積分?jǐn)?shù)為0.16CO₂+0.84N₂）。注入到地層的煙氣與水合物儲層中的水合物發(fā)生反應(yīng)得到含甲烷的混合氣，經(jīng)過開采井、管線直接輸送至透平膨脹機回收部分壓力能，混合氣壓力降至2MPa輸送至膜分離裝置的第一級中空纖維膜組件。第一級中空纖維膜組件的滲透氣進(jìn)入第二級中空纖維膜組件，滲余氣進(jìn)入第三級中空纖維膜組件；第三級中空纖維膜組件滲透氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲余氣直接放空；第二級中空纖維膜組件滲余氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲透氣直接輸送至脫碳裝置。進(jìn)入脫碳裝置的滲透氣經(jīng)吸收塔吸收，從塔頂?shù)玫剿枰漠a(chǎn)品氣甲烷氣。塔底的吸收液（含CO₂的MDEA溶液）經(jīng)管束式換熱器進(jìn)入解吸塔解吸，塔頂排出CO₂廢氣，塔底的貧液用離心泵經(jīng)過管束式換熱器返回至吸收塔。

實施例3

本實施例提供一種電廠煙氣高效開采儲層條件為1℃、10MPa的天然氣水合物藏的方法，其操作過程如下：

首先在水合物儲層中部及邊緣各鉆一口水平井，開始采用降壓開采方式進(jìn)行開采。當(dāng)水合物儲層壓力降低至3.3MPa時，向水合物儲層注入6MPa煙氣（體積分?jǐn)?shù)為0.16CO₂+0.84N₂）。注入到地層的煙氣與水合物儲層中的水合物發(fā)生反應(yīng)得到含甲烷的混合氣，經(jīng)過開采井、管線直接輸送至透平膨脹機回收部分壓力能，混合氣壓力降至2MPa輸送至膜分離裝置的第一級中空纖維膜組件。第一級中空纖維膜組件的滲透氣進(jìn)入第二級中空纖維膜組件，滲余氣進(jìn)入第三級中空纖維膜組件；第三級中空纖維膜組件滲透氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲余氣直接放空；第二級中空纖維膜組件滲余氣返回至第一級中空纖維膜組件，滲透氣直接輸送至脫碳裝置。進(jìn)入脫碳裝置的滲透氣經(jīng)吸收塔吸收，從塔頂?shù)玫剿枰漠a(chǎn)品氣甲烷氣。塔底的吸收液（含CO₂的MDEA溶液）經(jīng)管束式換熱器進(jìn)入解吸塔解吸，塔頂排出CO₂廢氣，塔底的貧液用離心泵經(jīng)過管束式換熱器返回至吸收塔。