一种天然气水合物开采装置和方法技术领域:
本发明涉及一种天然气水合物开采装置和开采方法，属于天然气水合物开采领
域。
背景技术:
天然气水合物是在低温高压条件下由CH4、CO2及H2S等小分子气体与水相互作用过
程中形成的白色固态结晶物质，因遇火可以燃烧，又称可燃冰。1立方米天然气水合物可转
化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，是一种极为高效清洁的能源。目前已发现水深
3000米以内的天然气水合物中CH4的碳总量相当于全世界已知煤、石油、天然气总量的二
倍，约2.1×1016m3，可满足人类1000年的能源需求。
当前的水合物开采方法主要有：热激法、减压法、化学试剂法。
热激法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡
温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。选取的加热方法有注入热水
或蒸汽法、电磁加热法以及微波加热法等。该方法的主要缺点是热能损失大，加热中有10％
到75％的热损失掉，热利用效率较低，开发的成本较高。
化学试剂法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙
二醇等来改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物的稳定温度，促使天然气水合物分解。
这种方法缺点是作用缓慢，费用太高。另外，所加注的化学试剂可能对环境造成较大的破
坏。
降压开采法是通过降低压力使天然气水合物稳定的相平衡曲线发生移动，从而促
使天然气水合物分解的开采方法。一般是通过抽取水合物层下的游离体天然气实现降低水
合物的压力，使与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。降压开采天然
气往往速度较慢，而且对天然气水合物藏层的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物藏
位于温压平衡边界附近时，减压法才具有经济可行性。
当前的水合物开采技术普遍存在开采效率低、生产成本高，开采过程中储层容易
坍塌失稳等问题，为了克服现有技术的缺陷，提出了一种海底水合物开采装置，为实现水合
物的高效、大规模开采开辟了一条新的途径。
发明内容：
一种天然气水合物开采装置，其特征在于：主要包括开采船、压缩机、燃气发动机、
涡流管、气液分离器、供气管线、注气管线、集气管线以及冷气回收管线，其中压缩机、燃气
发动机、涡流管以及气液分离器均安装于开采船上，压缩机的出气口与涡流管的涡流室通
过供气管线相连，涡流管的热端管出口与注气管线相连，涡流管的冷端管出口通过冷气回
收管线与气液分离器的冷气入口相连通，气液分离器进气口与集气管线相连，气液分离器
出口管线上设有气体分配器，气体分配器有三个出口，一个出口与外输管线相连，另两个出
口分别通过管线与压缩机的进气口以及燃气发动机的进气口相连。
所述的涡流管由涡流室、冷端管、热端管组成，热端管的末端安装有热力调节阀，
热端管的出口通过注气管线分别与注气A井和注气B井相连。
气液分离器顶部为半球状壳体，中部为圆筒体，下部为漏斗状锥体，气液分离器半
球状壳体顶部设有出气口，锥体侧壁设有排液口，漏斗状锥体底部中心设置有排污口，排污
口上安装有排污阀，圆筒壁面分别设有采出气进口和冷气进口，采出气进口与气液分离器
的圆筒体的壁面保持相切，冷气进口与圆筒体壁面保持垂直，采气进口通过集气管线与生
产井井口相连。
所述的涡流管的数目可以为一个，也可以为多个并联工作。
一种天然气水合物开采方法，其特征在于，开采步骤如下：钻通水合物盖层和水合
物储层，形成注气A井和注气B井，二者保持连通，构成连通井，用筛管对水平段完井，开采船
上的压缩机将天然气增压后输往涡流管的涡流室，通过热力调节阀控制冷、热流体比例，涡
流管的热端管出口的热流体通过注气管线加注到注气A井和注气B井，热气流通过筛管进入
水合物储层，水合物受热分解，在水合物储层内形成采气腔，钻生产井连通采气腔，采气腔
内积聚的天然气通过与生产井相连的集气管线进入气液分离器的采出气进口，在气液分离
器中进行气液分离，分离出的液体从排液口排出，分离出的天然气通过出气口进入气体分
配器，气体分配器将天然气分为三部分，一部分作为工作介质进入压缩机进行增压，驱动涡
流管工作以产生热气流；一部分天然气进入燃气发动机进气口，作为燃气发动机燃料；其余
气体则通过气体外输管线输往陆上终端或FPSO、海洋平台的天然气处理设备进行进一步处
理。
涡流管冷端管的低温天然气通过气液分离器的冷气进口进入气液分离器，降低天
然气温度，促进气液分离，分离出的液体通过排液口排出，一些固体杂质沉积在气液分离器
底部，定期开启排污阀，通过排污口排出。
通过热流调节阀控制进入涡流管的冷端管和热端管的气体流量比例，从而调节冷
气出口与热气出口的气流温度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)利用开采出天然气作为能源驱动燃气压缩机工作，无需额外动力，配套系统
少，开采成本低；
(2)利用涡流管产生的热气流加热水合物储层，适用范围广，对储层无特殊要求；
(3)无需化学药剂，对环境无污染，实现了绿色环保开采。
附图说明：
图1为本发明的组成示意图；
图2为涡流管工作原理示意图；
图3为气液分离器结构示意图；
图4为本发明工作示意图；
图5为多个涡流管并联工作示意图；
图6为陆上水合物开采示意图。
图中：1-开采船；2-压缩机；3-燃气发动机；4-涡流管；5-气液分离器；6-供气管线；
7-注气管线；8-冷气回收管线；9-集气管线；10-气体分配器；11-外输管线；12-注气A井；13-
注气B井；14-生产井；15-水合物盖层；16-水合物储层；17-水合物储层以下底层；18-筛管；
19-采气腔；20-涡流室；21-冷端管；22-热端管；23-热力调节阀；24-出气口；25-排液口；26-
排污口；27-排污阀；28-采出气进口；29-冷气进口。
具体实施方式:
如图1所示，一种天然气水合物开采装置，其特征在于：主要包括开采船1、压缩机
2、燃气发动机3、涡流管4、气液分离器5、供气管线6、注气管线7、冷气回收管线8以及集气管
线9，其中压缩机2、燃气发动机3、涡流管4以及气液分离器5均安装于开采船1上,压缩机2的
出气口24与涡流管4的涡流室20通过供气管线6相连，涡流管4的热端管22的出口与注气管
线7相连，涡流管4的冷端管21的出口通过冷气回收管线8与气液分离器5的冷气进口29相连
通，气液分离器5采出气进口28与集气管线9相连，与气液分离器5的出气口24相连的管线上
设有气体分配器10，气体分配器10有三个出口，一个出口与外输管线11相连，另两个出口分
别通过管线与压缩机2的进气口以及燃气发动机3的进气口相连。
如图2所示，涡流管4由涡流室20、冷端管21、热端管22组成，热端管22的末端安装
有热力调节阀23，热端管22的出口通过注气管线7分别与注气A井12和注气B井13相连。
如图3所示，气液分离器5顶部为半球状壳体，中部为圆筒体，下部为漏斗状锥体，
气液分离器5半球状壳体顶部设有出气口24，锥体侧壁设有排液口25，漏斗状锥体底部中心
设置有排污口26，排污口上安装有排污阀27，圆筒壁面分别设有采出气进口28和冷气进口
29，采出气进口28与气液分离器5的圆筒体的壁面保持相切，冷气进口29与圆筒体壁面保持
垂直，采出气进口28通过集气管线9与生产井14井口相连。
本发明开采天然气水合物的步骤如下：
如图1所示，水合物储层16上部为水合物盖层15，下部为水合物储层以下底层17。
钻通水合物盖层15和水合物储层16，形成注气A井12和注气B井13，二者保持连通，构成连通
井，用筛管18对水平段完井，开采船1上的压缩机2将天然气增压后通过管线进入涡流管4的
涡流室20。
如图2所示，高压天然气以很高的速度沿切线方向进入涡流室20，气流在涡流室20
内形成高速涡旋，在涡流效应作用下分离成冷热两股流体，这一现象被称为能量分离效应，
又称Ranque效应。其中，处于中心部位的回流气流温度降低，形成冷气流，由冷端管21出口
流出，而处于外层部位的气流温度升高，形成热气流，从热端管22的热气出口流出，热端管
22靠近热气出口处安装有热流调节阀23。通过热流调节阀23可以控制进入冷端管21和热端
管22的气体流量比例，进而改变冷气出口与热气出口的气流温度。
从涡流管4的热端管22末端排出的高温天然气通过注气管线7同时加注到注气A井
12和注气B井13，到达在筛管18时热气流通过管壁孔道流出，直接进入水合物藏,与固体水
合物充分热交换。固态水合物受热发生相变，分解出甲烷气体，从而形成采气腔19。随着热
气流的不断注入，固态水合物分解数量逐渐增加，所形成的采气腔19的体积不断增大。生产
井14位于注气A井12和注气B井13之间的采气腔19上部，贯穿水合物盖层15与采气腔19保持
联通。积聚在采气腔19中的天然气通过生产井14进入集气管线9，集气管线9出口与气液分
离器5的采出气进口28相连，携带有少量液体的天然气在气液分离器5中进行气液分离。
如图3所示，气液分离器5顶部为半球状壳体，中部为圆筒体，下部为漏斗状锥体，
来自于集气管线9的天然气通过采出气进口28切向进入气液分离器5，携带有液滴的天然气
沿气液分离器5筒体内壁旋转，在离心力作用下，密度大的液滴被甩向壁面，从而加速分离。
来自于涡流管4冷端管21的低温气流通过冷气进口29垂直进入气液分离器5，与切向运动的
采出气相互掺混，降低其温度，促进采出气中的水蒸气以及较重的烃类转变为液体，在气液
分离器5中分离出来。分离出的液相在重力作用下，逐渐沉积在气液分离器5下部，最终从排
液口25排出。气体携带的一些固体杂质则沉积在气液分离器5底部，定期开启排污阀27，通
过排污口26排出。
从气液分离器5顶部出口气口24流出的天然气基本不含水和重烃，利用气体分配
器10对出口天然气进行分配。气体分配器10设有三个出口，一个出口与输气管线11相连，另
两个出口分别通过管线与压缩机2的进气口以及燃气发动机3的进气口相连，其余天然气通
过外输管线11输往相关气体处理厂进一步处理。进入燃气发动机3的天然气作为燃料气驱
动燃气发动机3工作，为压缩机2提供动力。进入压缩机2入口的天然气作为工作气，工作气
经压缩机2增压后进入涡流管4，会分离成高温和低温两股气流，利用高温气流加热水合物
储层16中的固体水合物，使其汽化以便开采；利用低温气流对采出气进行冷却，以加速气相
中的水蒸汽或重烃分离。
如图5所示，为了提高热流注入效率，可以设置两个或两个以上的涡流管4进行并
联工作。
如图6所示，本发明亦可用于陆上永冻层水合物资源的开采。此时不需要开采船1，
压缩机2、燃气发动机3及涡流管4等均安装在陆上。
本发明巧妙利用涡流管能同时产生冷气流和热气流的原理，通过热气流分解固体
水合物，进行采气。与现有的水合物开采技术相比，本发明依赖水合物开展过程中产生的天
然气作为动力源，无需消耗额外能源，具有投资成本低、运行费用少、环保、高效等优点。