專利名稱：利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法和裝置，其屬于凍土地帶或者海底沉積層天然氣水合物資源開采領域。
背景技術：
天然氣水合物是近年來引起世界各國廣泛關注的一種新能源。由于天然氣水合物資源在全球分布極廣，而且數量巨大，已被公認為是21世紀最具開發前景的能源，并被科技界列為常規油氣資源的可替代性資源。因此經濟、高效、環保的開采天然氣水合物具有非常重要的意義。
從20世紀60年代蘇聯發現麥索雅哈氣田至今，各國的研究者相繼開展了對天然氣水合物的調查研究和評價工作，在天然氣水合物的基礎研究方面取得了較大的進展。但是，還沒有一種可以用來開采天然氣水合物的具體而有效的方法。實際投入開采尚有爭議的是蘇聯的麥索雅哈氣田，用降壓和注入抑制劑的方法生產了19年。
2001年10月到2002年3月，在加拿大的Mallik氣藏鉆了一口生產試驗井和兩口觀察井，成功地進行了為期79天的降壓開采和加熱開采試驗，但是開采過程中都沒有考慮生產效率與經濟性問題。天然氣水合物的開發思路基本上都是首先考慮如何使蘊藏在沉積物中的天然氣水合物分解，然后再將天然氣采至地面。一般來說，人為地打破天然氣水合物穩定存在的溫度壓力條件，造成其分解，是目前開采天然氣水合物中甲烷資源的主要方法。主要包括(1)加熱法，將蒸汽、熱水、熱鹽水或其他熱流體從地面泵入天然氣水合物儲層，促使溫度上升使水合物分解。常規的加熱開采技術的不足主要是會造成大量的熱損失，效率很低，特別是在永久凍土區，即便認為更為有效的電磁加熱法能量效率只有40％左右。(2)降壓法，通過降低壓力打破天然氣水合物穩定存在的條件，促使其分解。降壓法最大的特點是不需要昂貴的連續激發，但是作用緩慢，效率低，而且要求儲層溫度較高。(3)添加化學劑法，某些化學劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩定的溫度。當將上述化學劑從井孔泵入后，就會引起天然氣水合物的分解。添加化學劑法最大缺點是費用太高，而且注入的物質可能對地層產生污染。
發明內容
為解決現有技術中效率低、成本高的缺陷，本發明提供一種利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法和裝置，該方法和裝置應利用自然界取之不盡、用之不竭的太陽能來加熱天然氣水合物儲層開采天然氣，并具有效率高、經濟性好和環保等特性。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法，采用加熱法和降壓法開采，它采用的步驟如下A、采集太陽能；B、將采集的太陽能輸送至天然氣水合物儲層，加熱天然氣水合物，讓天然氣水合物分解為天然氣和水；C、利用井壓把天然氣輸送至地面并儲存。
上述的步驟A中，用聚光器采集太陽能。
上述的步驟B中，將聚光器采集的太陽能經光纖輸送至置于天然氣水合物儲層中的光熱轉換器，光熱轉換器向外供熱并加熱天然氣水合物。
上述的步驟C中，天然氣水合物受熱分解并產生井壓。
在使用上述方法時，一般白天采用太陽能加熱法、晚上采用降壓法開采天然氣。
一種實現上述方法的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置，它包括一個太陽能采集支裝置、一個太陽能傳送支裝置和一個向地面輸氣的支裝置。
上述的太陽能采集支裝置至少采用一個太陽能聚光器。太陽能聚光器由聚光體、透鏡、支光纖和自動跟蹤器組成，聚光體把太陽光匯聚到透鏡經支光纖輸出。聚光體包括一個大反射式拋物球面和一個小反射式拋物球面，大反射式拋物球面首先把太陽能會聚到小反射式拋物球面，再由小反射式拋物球面把太陽能會聚到透鏡。
上述的太陽能傳送支裝置把各聚光器采集的太陽能由支光纖經太陽能匯集器和主光纖輸送至太陽能終端轉換器。太陽能匯集器可采用把各支光纖和主光纖連接在一起的光纖連接器，該主光纖采用多芯光纖；太陽能匯集器也可采用把各支光纖至少分成一個支光纖組，每個支光纖組輸送來的太陽能經各自的凸透鏡匯集入主光纖中各自的單芯光纖。太陽能終端轉換器內部采用光熱轉換材料、外殼采用導熱防腐蝕材料，該太陽能終端轉換器設置在豎井或水平井的天然氣水合物儲層中。
上述的向地面輸氣的支裝置使井中的天然氣經井口裝置、輸氣管和控制閥向外輸送。
本發明的有益效果是一種利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法和裝置，該方法和裝置利用多個聚光器采集自然界取之不盡、用之不竭的太陽能，經光纖把太陽能輸送至井下的天然氣水合物儲層來開采天然氣，對環境無污染，實現真正的清潔生產。光纜直接將太陽能傳輸到地層加熱，只需一次光-熱轉換，轉換效率是光-電-熱轉換效率的5倍以上，傳輸過程能量損失少，對井壁溫度變化影響小。可根據實際開采天然氣水合物的量來調整太陽能的采集量，操作簡單、通用性強。還可以通過控制氣井壓力條件，白天采用加熱法開采，夜間采用井壓法開采。由于天然氣水合物資源豐富，開采的效率高、經濟性好和環保等特性，具有很好的應用前景。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是利用太陽能加熱開采天然氣水合物裝置在豎井中應用的示意圖。
圖2是利用太陽能加熱開采天然氣水合物裝置在水平井中應用的示意圖。
圖3是一種使用凸透鏡做太陽能匯集器的示意圖。
圖中1、小反射式拋物球面，2、透鏡，3、大反射式拋物球面，4、自動跟蹤器，5、支架，6、支光纖，6a、主光纖，7、太陽能匯集器，8、輸氣管，8a、控制閥，9、井口裝置，10、豎井，10a、水平井，11、地表面，12、天然氣水合物儲層上表面，13、天然氣水合物儲層下表面，14、太陽能終端轉換器，15、凸透鏡，16、天然氣水合物儲層。
具體實施例方式
圖1、2所示的實施例中，首先要在地表面11向地層深處鉆井直達天然氣水合物儲層16，天然氣水合物儲層16有天然氣水合物儲層上表面12和天然氣水合物儲層下表面13。在圖1中，豎井10一直鉆至天然氣水合物儲層16，太陽能終端轉換器14就設置在天然氣水合物儲層16的豎井段中；在圖2中，豎井10一直鉆至天然氣水合物儲層16后，在天然氣水合物儲層16中還鉆有水平井10a，太陽能終端轉換器14就設置在天然氣水合物儲層16的水平井段中。
在豎井10的地表面11處設有井口裝置9，該井口裝置9不僅起到固井和密封的作用，還把豎井10和輸氣管8連接在一起，在輸氣管8末端設有控制閥8a。開采的天然氣依次經過豎井10、井口裝置9、輸氣管8和控制閥8a被輸送到需要的地方，調整控制閥8a的開度可以控制天然氣井壓和產生量。
由于要讓天然氣水合物分解為天然氣和水需要降低井壓或加熱，降低井壓可以方便地調整控制閥8a的開度來實現。下面要重點介紹利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法和裝置，并把方法和裝置結合在一起介紹。
一、用聚光器采集太陽能多個太陽能聚光器集合在一起組成一個稱作為太陽能采集支裝置，每個太陽能聚光器都設置在各自的支架5上。太陽能聚光器由聚光體、透鏡2、支光纖6和自動跟蹤器4組成，聚光體把太陽光匯聚到透鏡2經支光纖6輸出。聚光體包括一個大反射式拋物球面3和一個小反射式拋物球面1，大反射式拋物球面3首先把太陽能會聚到小反射式拋物球面1，再由小反射式拋物球面1把太陽能會聚到透鏡2。自動跟蹤器4讓聚光體能跟蹤太陽得到最大的照度。
二、太陽能的輸送將采集的太陽能輸送至天然氣水合物儲層，加熱天然氣水合物，讓天然氣水合物分解為天然氣和水。把聚光器采集的太陽能經光纖輸送至置于天然氣水合物儲層中的光熱轉換器，光熱轉換器向外供熱并加熱天然氣水合物。
采用一個稱作為太陽能傳送支裝置把各聚光器采集的太陽能由支光纖6經太陽能匯集器7和主光纖6a輸送至太陽能終端轉換器14。太陽能匯集器7可以采用光纖連接器把各支光纖6和主光纖6a連接在一起，自然主光纖6a應采用多芯光纖；太陽能匯集器7也可以采用把各支光纖6至少分成一個支光纖組，每個支光纖組輸送來的太陽能經各自的凸透鏡15匯集入主光纖6a中各自的單芯光纖。如圖3所示，每6個支光纖6分為一個支光纖組，一個支光纖組輸送來的平行光太陽能經一個凸透鏡15匯集入主光纖6a中的一個單芯光纖，自然主光纖6a仍應采用多芯光纖，該圖中的主光纖6a采用7芯光纖，因此至少可以連接42個太陽能聚光器。太陽能終端轉換器14內部采用高效的光熱轉換材料、外殼采用導熱防腐蝕材料制作，以便于實現高效的光熱轉換并把熱量迅速傳給周圍的介質；太陽能終端轉換器14設置在豎井10或水平井10a的天然氣水合物儲層中。
三、天然氣輸送天然氣水合物受熱分解并產生井壓，可利用井壓把天然氣輸送至地面并儲存。一般要采用一個向地面輸氣的支裝置使井中的天然氣經井口裝置9、輸氣管8和控制閥8a向外輸送，有些內容已在本節的開始部分作了較為詳細的描述。
在使用上述的方法和裝置時，白天采用太陽能加熱法、晚上采用降壓法開采天然氣。也就是說白天太陽能輸入，地層溫度升高，水合物分解，地層壓力升高，此時控制井口壓力，保證以一定的速度生產天然氣，到夜間沒有太陽能輸入，需要降低井下壓力，繼續促使水合物分解，分解過程中地層溫度會降低，隨著溫度降低水合物分解變慢，到第二天繼續重復加入太陽能。這樣就能夠實現連續的高效生產。
權利要求
1.一種利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法，采用加熱法和降壓法開采；其特征是它采用的步驟如下A、采集太陽能；B、將采集的太陽能輸送至天然氣水合物儲層，加熱天然氣水合物，讓天然氣水合物分解為天然氣和水；C、利用井壓把天然氣輸送至地面并儲存。
2.據權利要求1所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法；其特征是所述的步驟A中，用聚光器采集太陽能。
3.據權利要求1所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法；其特征是所述的步驟B中，將聚光器采集的太陽能經光纖輸送至置于天然氣水合物儲層中的光熱轉換器，光熱轉換器向外供熱并加熱天然氣水合物。
4.據權利要求1所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法；其特征是所述的步驟C中，天然氣水合物受熱分解并產生井壓。
5.據權利要求1所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法；其特征是白天采用太陽能加熱法、晚上采用降壓法開采天然氣。
6.一種實現權利要求1所述方法的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是它包括一個太陽能采集支裝置、一個太陽能傳送支裝置和一個向地面輸氣的支裝置。
7.據權利要求6所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能采集支裝置至少采用一個太陽能聚光器。
8.據權利要求7所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能聚光器由聚光體、透鏡(2)、支光纖(6)和自動跟蹤器(4)組成，聚光體把太陽光匯聚到透鏡(2)經支光纖(6)輸出。
9.據權利要求8所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的聚光體包括一個大反射式拋物球面(3)和一個小反射式拋物球面(1)，大反射式拋物球面(3)首先把太陽能會聚到小反射式拋物球面(1)，再由小反射式拋物球面(1)把太陽能會聚到透鏡(2)。
10.據權利要求6所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能傳送支裝置把各聚光器采集的太陽能由支光纖(6)經太陽能匯集器(7)和主光纖(6a)輸送至太陽能終端轉換器(14)。
11.據權利要求10所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能匯集器(7)采用把各支光纖(6)和主光纖(6a)連接在一起的光纖連接器。
12.據權利要求11所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的主光纖(6a)采用多芯光纖。
13.據權利要求10所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能匯集器(7)采用把各支光纖(6)至少分成一個支光纖組，每個支光纖組輸送來的太陽能經各自的凸透鏡(15)匯集入主光纖(6a)中各自的單芯光纖。
14.據權利要求10所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能終端轉換器(14)內部采用光熱轉換材料、外殼采用導熱防腐蝕材料。
15.據權利要求14所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的太陽能終端轉換器(14)設置在豎井(10)或水平井(10a)的天然氣水合物儲層中。
16.據權利要求5所述的利用太陽能加熱開采天然氣水合物的裝置；其特征是所述的向地面輸氣的支裝置使井中的天然氣經井口裝置(9)、輸氣管(8)和控制閥(8a)向外輸送。
全文摘要
一種利用太陽能加熱開采天然氣水合物的方法和裝置，其屬于凍土地帶或者海底沉積層天然氣水合物資源開采領域。該方法和裝置利用多個聚光器采集太陽能，經光纖輸送至井下的天然氣水合物儲層來開采天然氣，對環境無污染，實現真正的清潔生產。光纜直接將太陽能傳輸到地層加熱，只需一次光－熱轉換，轉換效率是光－電－熱轉換效率的5倍以上，傳輸過程能量損失少，對井壁溫度變化影響小。可根據實際開采天然氣水合物的量來調整太陽能的采集量，操作簡單、通用性強。還可以通過控制氣井壓力條件，白天采用加熱法開采，夜間采用井壓法開采。由于天然氣水合物資源豐富，開采的效率高、經濟性好和環保等特性，具有很好的應用前景。
文檔編號E21C50/00GK101037938SQ20071001113
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月25日 優先權日2007年4月25日
發明者宋永臣, 李紅海, 穆海林, 劉瑜, 劉衛國 申請人:大連理工大學