电厂烟气高效开采天然气水合物的装置技术领域
本实用新型涉及天然气水合物开采领域，尤其涉及电厂烟气高效、经济开采天然
气水合物的方法。
背景技术
天然气水合物广泛存在于陆地冻土区和海底沉积物层，是一种极具前景的下一代
能源资源。如何高效、经济地从水合物储层中开采储量庞大的天然气资源仍面临诸多挑战。
目前海上开采天然气水合物的技术一般源于石油天然气工业常规的油、气开采技
术。这些方法都是利用温度、压力和化学势方面驱动力不同，从而显著改变水合物储层区的
条件。热激法是引起水合物储层温度在生成与分解之间变化（ΔT ）；降压法是改变储层的
压力使其低于水合物生成压力（ΔP ）；抑制剂是改变水合物的化学环境（Δμ ）从而阻碍气
体水合物的生成。然而，这些方法都是建立在水合物分解的基础之上可能会造成严重的后
果，如海底滑坡和海底生物系统的破坏。
采用烟气（CO2与N2的混合气）来开采天然气水合物是一种潜在的无损开采方式，开
采过程会形成CO2水合物可以起到稳定地层的作用。但是由于注入气体中N2含量较高，采出
气中CH4含量太低且N2/CH4难分离，使得整个过程的总能效降低，开采过成本增大，导致获取
的CH4工业应用价值不高。
针对烟气开采水合物时，产出气甲烷浓度低，开采过程能效低、经济性差的缺点，
本实用新型提出电厂烟气高效、经济开采天然气水合物的方法，一方面提高产出气甲烷的
浓度，另一方面从烟气置换开采水合物整个流程（从电厂烟气到最终的甲烷产品气）来考
虑，选取合适的操作条件以及分离工艺，从而提高烟气开采水合物过程的经济性以及能效。
实用新型内容
针对烟气开采水合物时，产出气甲烷浓度低，开采过程能效低、经济性差的缺点，
本实用新型提出电厂烟气高效开采天然气水合物的方法。
本实用新型通过以下技术方案来实现：
电厂烟气高效开采天然气水合物的方法，首先在水合物储层钻出两口以上的水平
井；所述水平井包括一个以上的注入井和一个以上的开采井；开始采用降压开采方式进行
开采，当水合物储层压力降低至储层温度所对应水合物相平衡压力的5%~15%时，通过注入
井向水合物储层注入高于水合物储层压力2~4 MPa的烟气，注入到地层的烟气与水合物储
层中的水合物发生反应得到含甲烷的混合气，经过开采井、管线输送至透平膨胀装置回收
部分压力能，经过透平膨胀装置后的混合气输送至膜分离装置除去氮气，膜分离装置处理
后的气体通过管线直接输送至脱碳装置进行脱碳，最终得到所需要的产品气甲烷气。
上述方法中，向水合物储层注入烟气，电厂烟气直接进行增压、注入无需对烟气进
行分离、净化处理；增压后的烟气也无需进行降温处理通过注入井直接注入地层。
上述方法中，经过透平膨胀装置后的混合气输送至膜分离装置除去氮气，所述膜
分离装置除去氮气还包括采用变压吸附或水合方式脱除氮气。
上述方法中，所述的膜分离装置处理后的气体通过管线直接输送至脱碳装置进行
脱碳，此处脱碳方式可以采用乙醇胺吸收、水合物、膜分离、变压吸附方式进行脱碳。
上述方法中，采出井出来的气体通过透平膨胀装置将压力降至膜分离装置所需要
的进气压力同时回收部分压力能。
电厂烟气高效开采天然气水合物的装置，包括气体增压机、注入井、上覆地层、开
采井、透平膨胀装置、膜分离装置和脱碳装置；
所述气体增压机与注入井连接；所述开采井与透平膨胀装置、膜分离装置和脱碳
装置顺次连接。
进一步地，所述膜分离装置包括第一级中空纤维膜组件、第二级中空纤维膜组件
和第三级中空纤维膜组件；所述第一级中空纤维膜组件渗透气出口与渗余气出口分别与第
二级中空纤维膜组件和第三级中空纤维膜组件的入口连接；所述第二级中空纤维膜组件渗
余气出口和第三级中空纤维膜组件的渗透气出口与第一级中空纤维膜组件的进气入口连
接。
进一步地，所述脱碳装置包括吸收塔、管束式换热器、离心泵和解吸塔；所述吸收
塔的底部出口与管束式换热器左侧入口连接、管束式换热器右侧出口连接解吸塔上部入
口；所述解吸塔的底部出口与离心泵入口相连接、离心泵出口与管束式换热器的底部入口
相连；所述管束式换热器的上部出口与吸收塔的顶部入口连接；CH4通过吸收塔塔顶出口排
出，CO2通过解吸塔塔顶出口排出。
与现有技术相比，本实用新型的优势在于：
采用本方法开采水合物，甲烷的回收率更高；开采方式更环保，在开采甲烷水合物
的同时封存了CO2；同时能耗更低。
附图说明
图1为电厂烟气高效、经济开采天然气水合物的方法的原理图；
图2为膜分离装置的结构示意图；
图3为脱碳装置的结构示意图。
图中各个部件如下：
气体增压机1、注入井2、下覆地层3、水合物层4、上覆地层5、开采井6、透平膨胀装
置7、膜分离装置8、脱碳装置9、第一级中空纤维膜组件10、第二级中空纤维膜组件11、第三
级中空纤维膜组件12、吸收塔13、管束式换热器14、离心泵15、解吸塔16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，
实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。
电厂烟气高效开采天然气水合物的装置，包括气体增压机1、注入井2、上覆地层5、
开采井6、透平膨胀装置7、膜分离装置8和脱碳装置9；所述气体增压机1与注入井2连接；所
述开采井6与透平膨胀装置7、膜分离装置8和脱碳装置9顺次连接。所述膜分离装置8包括第
一级中空纤维膜组件10、第二级中空纤维膜组件11和第三级中空纤维膜组件12；所述第一
级中空纤维膜组件10渗透气出口与渗余气出口分别与第二级中空纤维膜组件11和第三级
中空纤维膜组件12的入口连接；所述第二级中空纤维膜组件11渗余气出口和第三级中空纤
维膜组件12的渗透气出口与第一级中空纤维膜组件10的进气入口连接。所述脱碳装置9包
括吸收塔13、管束式换热器14、离心泵15和解吸塔16；所述吸收塔13的底部出口与管束式换
热器14左侧入口连接、管束式换热器14右侧出口连接解吸塔16上部入口；所述解吸塔16的
底部出口与离心泵15入口相连接、离心泵15出口与管束式换热器14的底部入口相连；所述
管束式换热器14的上部出口与吸收塔13的顶部入口连接；CH4通过吸收塔13塔顶出口排出，
CO2通过解吸塔16塔顶出口排出。
本实用新型的透平膨胀装置7采用苏州西达低温设备有限公司生产的透平膨胀发
电机组一。本实用新型的连接结构如下：
如图1所示，电厂烟气高效、经济开采天然气水合物的方法，首先钻出两口水平井，
水平井2和水平井6，采用降压开采方式进行开采；当水合物储层压力降低至储层温度对应
水合物相平衡压力之上5%~15%，电厂烟气通过增压装置1增压，然后向注入井2注入烟气；采
出井6开采出来的气体先经过透平膨胀装置7回收部分压力能，经过透平膨胀装置后的混合
气输送至膜分离装置8除去氮气，膜分离装置处理后的气体通过管线直接输送至脱碳装置9
进行脱碳，最终得到所需要的产品气甲烷气。
透平膨胀装置可采用苏州西达低温设备有限公司生产的透平膨胀发电机组一；膜
分离装置由第一级中空纤维膜组件、第二级中空纤维膜组件、第三级中空纤维膜组件组成，
中空纤维膜组件的中空纤维膜可采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）三嵌段共聚物膜；脱碳
装置的吸收剂采用甲基二乙醇胺（MDEA）溶液。
图2为膜分离装置8的结构示意图，具体工艺过程如下：经过透平膨胀机压力下将
至2MPa的混合气输送至膜分离装置的第一级中空纤维膜组件10。第一级中空纤维膜组件的
渗透气进入第二级中空纤维膜组件11，渗余气进入第三级中空纤维膜组件12；第三级中空
纤维膜组件渗透气返回至第一级中空纤维膜组件，渗余气直接放空；第二级中空纤维膜组
件渗余气返回至第一级中空纤维膜组件，渗透气直接输送至脱碳装置。
图3为脱碳装置9的结构示意图，具体工艺过程如下：将膜分离装置第二级中空纤
维膜组件渗透气直接输入至脱碳装置的吸收塔13，同时从吸收塔顶部注入MDEA溶液，从吸
收塔塔顶得到所需要的产品气甲烷气，塔底的吸收液（含CO2的MDEA溶液）经管束式换热器
14进入解吸塔16解吸，塔顶排出CO2废气，塔底的贫液用离心泵15经过管束式换热器返回至
吸收塔。
实施例1
本实施例提供一种电厂烟气高效开采储层条件为4℃、12MPa的天然气水合物藏的
方法，其操作过程如下：
首先在水合物储层中部及边缘各钻一口水平井，开始采用降压开采方式进行开
采。当水合物储层压力降低至4.3MPa时，向水合物储层注入8MPa烟气（体积分数为0.16CO2+
0.84N2）。注入到地层的烟气与水合物储层中的水合物发生反应得到含甲烷的混合气，经过
开采井、管线直接输送至透平膨胀机回收部分压力能，混合气压力降至2MPa输送至膜分离
装置的第一级中空纤维膜组件。第一级中空纤维膜组件的渗透气进入第二级中空纤维膜组
件，渗余气进入第三级中空纤维膜组件；第三级中空纤维膜组件渗透气返回至第一级中空
纤维膜组件，渗余气直接放空；第二级中空纤维膜组件渗余气返回至第一级中空纤维膜组
件，渗透气直接输送至脱碳装置。进入脱碳装置的渗透气经吸收塔吸收，从塔顶得到所需要
的产品气甲烷气。塔底的吸收液（含CO2的MDEA溶液）经管束式换热器进入解吸塔解吸，塔顶
排出CO2废气，塔底的贫液用离心泵经过管束式换热器返回至吸收塔。
实施例2
本实施例提供一种电厂烟气高效开采储层条件为1℃、12MPa的天然气水合物藏的
方法，其操作过程如下：
首先在水合物储层中部及边缘各钻一口水平井，开始采用降压开采方式进行开
采。当水合物储层压力降低至3.3MPa时，向水合物储层注入7MPa烟气（体积分数为0.16CO2+
0.84N2）。注入到地层的烟气与水合物储层中的水合物发生反应得到含甲烷的混合气，经过
开采井、管线直接输送至透平膨胀机回收部分压力能，混合气压力降至2MPa输送至膜分离
装置的第一级中空纤维膜组件。第一级中空纤维膜组件的渗透气进入第二级中空纤维膜组
件，渗余气进入第三级中空纤维膜组件；第三级中空纤维膜组件渗透气返回至第一级中空
纤维膜组件，渗余气直接放空；第二级中空纤维膜组件渗余气返回至第一级中空纤维膜组
件，渗透气直接输送至脱碳装置。进入脱碳装置的渗透气经吸收塔吸收，从塔顶得到所需要
的产品气甲烷气。塔底的吸收液（含CO2的MDEA溶液）经管束式换热器进入解吸塔解吸，塔顶
排出CO2废气，塔底的贫液用离心泵经过管束式换热器返回至吸收塔。
实施例3
本实施例提供一种电厂烟气高效开采储层条件为1℃、10MPa的天然气水合物藏的
方法，其操作过程如下：
首先在水合物储层中部及边缘各钻一口水平井，开始采用降压开采方式进行开
采。当水合物储层压力降低至3.3MPa时，向水合物储层注入6MPa烟气（体积分数为0.16CO2+
0.84N2）。注入到地层的烟气与水合物储层中的水合物发生反应得到含甲烷的混合气，经过
开采井、管线直接输送至透平膨胀机回收部分压力能，混合气压力降至2MPa输送至膜分离
装置的第一级中空纤维膜组件。第一级中空纤维膜组件的渗透气进入第二级中空纤维膜组
件，渗余气进入第三级中空纤维膜组件；第三级中空纤维膜组件渗透气返回至第一级中空
纤维膜组件，渗余气直接放空；第二级中空纤维膜组件渗余气返回至第一级中空纤维膜组
件，渗透气直接输送至脱碳装置。进入脱碳装置的渗透气经吸收塔吸收，从塔顶得到所需要
的产品气甲烷气。塔底的吸收液（含CO2的MDEA溶液）经管束式换热器进入解吸塔解吸，塔顶
排出CO2废气，塔底的贫液用离心泵经过管束式换热器返回至吸收塔。