一种利用微波加热开采天然气水合物的方法及装置.pdf

本发明涉及一种利用微波加热开采天然气水合物的方法及采用微波加热开采天然气水合物的装置。该装置包含微波发生装置、微波转换装置及微波传输装置，还可以包含微波接收装置，该微波传输装置使得微波能够到达水合物储层。采用该装置开采天然气水合物的方法步骤如下：微波发生装置产生微波；通过地面传输管线和微波转换装置将微波送到井口装置；井口装置通过微波传输装置发送微波，微波通过微波接收装置或直接到达水合物储层，对水合物储层进行加热；水合物储层分解成天然气和水；天然气通过采气管线输出。

1、  一种利用微波加热开采天然气水合物的方法，其特征在于：加热水合物储层的热量是由微波提供的。

2、  根据权利要求1所述的开采天然气水合物的方法，其特征在于：它包含以下步骤：
a、微波发生装置产生微波；
b、通过地面传输管线和微波转换装置将微波送到井口装置；
c、井口装置通过微波传输装置发送微波，微波直接到达水合物储层，对水合物储层进行加热；
d、水合物储层分解成天然气和水；
e、天然气通过采气管线输出。

3、  根据权利要求1所述的开采天然气水合物的方法，其特征在于：它包含以下步骤：
a、微波发生装置产生微波；
b、通过地面传输管线和微波转换装置将微波送到井口装置；
c、井口装置通过微波传输装置发送微波；
d、微波由微波接收装置接收，并产生热量加热水合物储层；
e、水合物储层分解成天然气和水；
f、天然气通过采气管线输出。

4、  根据权利要求3所述的开采天然气水合物的方法，其特征在于：步骤d中的微波接收装置为一天线装置(15)。

5、  根据权利要求2或3所述的开采天然气水合物的方法，其特征在于：所述微波传输装置为一井下微波传输线(9)。

6、  一种利用微波加热开采天然气水合物的装置，其特征在于包含微波发生装置(1)、微波转换装置(2)及微波传输装置，该微波传输装置使得微波能够到达水合物储层(13)。

7、  根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述微波传输装置为一井下微波传输线(9)。

8、  根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述传输线(9)外包覆套管(8)。

9、  根据权利要求6或7或8所述的装置，其特征在于：在水合物储层(13)还设有微波接收装置。

10、  根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述微波接收装置为一天线装置(15)。

一种利用微波加热开采天然气水合物的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用微波加热开采天然气水合物的方法，应用于海底或冻土地带的天然气水合物资源开采。
本发明还涉及一种利用微波加热开采天然气水合物的装置。
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物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 York：Marcer 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。
微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，微波是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长在1米到1毫米之间的电磁波。当微波在传输过程中遇到不同材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，微波对不同材料有不同的穿透率，对金属几乎全反射，而对玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料之类则几乎全透过，对于其他物质，渗透深度随波长的增大而变化，换言之，它与频率有关，频率越高，波长越短，其穿透力也越弱。
微波具有独特的加热性能，其加热与其他的加热方式不同，热量从介质内部产生，温度场比较均匀，具有许多优点，因此现在已经广泛应用于食品、医药等行业。已经证明，微波是一种很好的加热手段。实验证明微波可以加快水合物分解，而且加热的效果比常规加热好，操作也比较简单，微波可以用来对水合物进行开采。利用微波加热水合物储层可以避免其他注热方式在井口到井底部分的热损失。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种利用微波加热开采天然气水合物的方法。
本发明的另一目的是提供一种利用微波加热开采天然气水合物的装置。
对于本发明的利用微波加热开采天然气水合物的方法来说，采用的主要技术方案是：加热水合物储层的热量是由微波提供的。该方法包含以下步骤：
a、微波发生装置产生微波；
b、通过地面传输管线和微波转换装置将微波送到井口装置；
c、井口装置通过微波传输装置发送微波，微波直接到达水合物储层，对水合物储层进行加热；
d、水合物储层分解成天然气和水；
e、天然气通过采气管线输出。
该方法还可以通过以下步骤来实现：
a、微波发生装置产生微波；
b、通过地面传输管线和微波转换装置将微波送到井口装置；
c、井口装置通过微波传输装置发送微波；
d、微波由微波接收装置接收，并产生热量加热水合物储层；
e、水合物储层分解成天然气和水；
f、天然气通过采气管线输出。
本发明的利用微波加热开采天然气水合物的装置包含微波发生装置、微波转换装置及微波传输装置，该微波传输装置使得微波能够到达水合物储层。
在水合物储层还可以设有微波接收装置，以接收微波传输装置发送来的微波。由于传输线一般由铝或铜制成，存在强度问题，传输线可以增加强度很高的套管。
本发明装置的工作过程如下：微波由微波发生器产生，通过地面传输管线和微波转换装置送到井口装置。再由井口装置通过井下微波传输线往地下发送微波，微波直接到达水合物储层并加热水合物储层或微波通过天线装置接收并产生热量加热水合物储层，水合物储层温度升高后分解成天然气和水，天然气通过水平井段和采气管线，在进口装置通过除湿后进入储气设备。
进入井中的传输线可以由一节一节微波波导管通过法兰连接而成，方便安装和拆卸。
该系统所有地面系统组件都采用法兰连接，型号选用公知型号，选择组件时保证所有组件都使用同一型号。为了保证不让微波产生泄露，连接处可采用金属垫圈，一般以软的金属为主，例如铜或铝。
本发明采用微波的频率为300MHz到3GHz。
本发明与现有技术相比具有如下的显著优点和积极效果：利用微波传输能量和直接加热水合物储层，减少能量损失，可以避免其他注热方式在井口到井底部分的热损失，同时热量从介质内部产生，温度场比较均匀。本发明中的利用微波加热开采天然气水合物的装置，操作简单，使用方便，设备通用性强，不必重复投资。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，因此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是本发明装置用于水平井开采的结构示意图；
图2是本发明装置在井桶部分截面图；
图3是海底开采天然气水合物方法的示意简图；
图4是本发明装置用于垂直井开采的结构示意图。
附图标记说明
1微波发生装置；2微波转换器；3地面传输线；4储气设备；5采气管线；6地表面；7外部导管；8套管；9井下微波传输线；10上覆岩层；11水平井弯曲段；12层间带；13水合物储层；14水平井段；15天线装置；16下覆岩层；17井口装置；18井桶。
图1是利用微波加热开采天然气水合物的装置用于水平井开采的结构示意图。微波发生装置1与微波转换器2之间连接有地面传输线3，微波转换器2与井口装置17相连，井口装置17设有井下微波传输线9，该井下微波传输线9向地下发送微波。在水合物储层13内设有接收微波的天线装置15，天线装置15接收微波并产生热量加热水合物储层13。在井口装置17附近有采气管线5，将水合物储层13分解的天然气和水在进口装置17通过除湿后进入储气设备4。
该装置也可不用天线装置15，这样采用井下微波传输线9向地下发送微波的方式直接加热水合物储层13。当采气井很深时，由于传输线一般由铝或铜制成，存在强度问题，传输线可以增加强度很高的套管8。
进入井中的传输线可以由一节一节微波波导管通过法兰连接而成，可以方便安装和拆卸，这种连接方式是公知技术，在此不再叙述。
采用图1所示地装置，通过以下的步骤来实现利用微波加热开采水平井中天然气水合物的目的：微波由微波发生器1产生，通过地面传输管线3和微波转换装置2送到井口装置，再由井口装置通过井下微波传输线9往地下发送微波，微波由天线装置15接收并产生热量加热水合物储层13，水合物储层13温度升高后分解成天然气和水，天然气通过水平井段14和采气管线5，在进口装置17通过除湿后进入储气设备4。
也可以采用井下微波传输线9直接往井下传输微波直接加热水合物储层13的方法，该方法的的具体步骤如下：微波由微波发生器1产生，通过地面传输管线3和微波转换装置2送到井口装置。再由井口装置通过井下微波传输线9往地下发送微波，水合物储层13温度升高后分解成天然气和水，天然气通过水平井段14和采气管线5，在进口装置17通过除湿后进入储气设备4。
图4是利用微波加热开采天然气水合物的装置用于水平井开采的结构示意图。该装置中部件的具体连接方式和图1中相同。采用图4中的装置实现垂直井中天然气水合物的开采的方法和采用图1中的装置实现水平井中天然气水合物的开采的方法也一样，这里不再重复。
该装置所有地面系统组件都采用法兰连接，选择组件时保证所有组件都使用同一型号。为了保证不让微波产生泄露，连接处可采用金属垫圈，一般以软的金属为主，例如铜或铝。
本发明采用的微波频率可以为工业中常用的915MHz和2.45GHz，也可以根据微波应用工业标准改动，可以使用300MHz到3GHz的微波频率。功率可根据产气量进行调节。
由于产气量必须达到一定量才能发挥经济效益，在没有大功率微波发生器的情况下，可以和减压开采结合，通过降低井压，达到节约能源的效果。
实施例1
水平井中的天然气水合物的开采。
水平井是指垂直钻到一定深度后，借助特殊造斜工具，按设计方位使井深轨迹以大于86度井斜角，穿过目的层并延伸300米以上的特殊工艺井。它通过在储层中水平延伸钻进的方式，既能克服诸如城镇、村庄、河流、海洋等地面障碍，实现钻探目标，又能一次穿透十几个油气层，取得相当于5到10口井常规直井的效益。其中多目标水平井、阶梯式水平井、一井双探水平井和海油陆采水平井是几种典型的水平井。微波技术也可以通过将天线或小型大功率微波源放入水平井段，天线通过接受地面井口传来的微波并在周围辐射加热储层。
设计一个产气量为日产量可达100万立方米的冻土型水合物天然气井，需要加热0.625万立方米的水合物，水合物含量为40％，则需要加热1.5625万立方米的储层。如果储层温度为9℃，压力为8Mpa，井深1000米，储层温度需要加热到15℃，其中水合物的分解焓大约为53kJ/mol，通过储层的热容可以估算所需要的微波功率，例如2M瓦，则微波发生器选用2M瓦，频率为915MHz。
实施例2
垂直井中的天然气水合物的开采。
水下井的维修费用较高、而微波源等设备需要放在平台上，所以在选用时应考虑井口能放在平台的生产系统(如固定平台生产系统和张力腿浮式生产系统)，不考虑采用半潜式或油轮式浮式生产系统。由于压力太高，井中也不采用微波传输线，而采用在井底放置天线的方法。
在此实例中，平台微波装置部分由微波发生装置、微波转换器和地面传输线组成。微波频率为915MHz，传输线采用国家标准BJ-9，功率可根据需要进行匹配，具体连接方式可参考附图3。