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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811641277.7 (22)申请日 2018.12.29 (71)申请人 中国石油大学 （华东） 地址 266580 山东省青岛市黄岛区长江西 路66号 (72)发明人 姚军 朱旭晨 孙致学 孙治雷 何楚翘 都巾文 葛成红 刘垒 刘昌岭 李彦龙 (74)专利代理机构 重庆晟轩知识产权代理事务 所(普通合伙) 50238 代理人 王海凤 (51)Int.Cl. E21B 43/01(2006.01) E21B 43/24(2006.01) H02N 11/00(2006.。
2、01) (54)发明名称 一种温差发电热激法开采海域水合物系统 及方法 (57)摘要 本发明公开了一种温差发电热激法开采海 域水合物系统及方法， 该系统包括多个生产井、 加热井和温差发电装置； 多个生产井以加热井为 中心， 设置在加热井的周边， 温差发电装置中的 温差热端设置在加热井地热储层段内的底部， 电 加热元件组设在加热井水合物层段内， 所述温差 发电冷端设置在海水层， 温差热端、 电加热元件 组、 温差发电冷端通过耐高温导线串联连接。 该 方法是利用前述系统对水合物储层进行加热， 将 进入生产井的天然气和水抽出， 并进行气液分 离， 将分离出来的天然气输送到集气站。 该系统 巧妙的利用。
3、水域温差， 将温差发电技术与热激法 开采水合物技术相结合， 结构设计巧妙， 实施技 术难度小， 但是开采效果非常好。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 109458159 A 2019.03.12 CN 109458159 A 1.一种温差发电热激法开采海域水合物系统， 其特征在于： 包括多个生产井、 加热井 （21） 和温差发电装置； 所述多个生产井以加热井 （21） 以加热井 （21） 为中心， 设置在加热井 （21） 的周边； 每个生产井的结构： 包括相互垂直， 并且相互连通的生产井水平井段 （11） 和生产井垂 直井段 （12） ； 所述生产井垂直井段 （12） 的顶端穿出海。
4、平面 （1） ； 所述生产井水平井段 （11） 设置在水合物储层 （4） ， 并且生产井水平井段 （11） 的压力小 于水合物储层 （4） ， 生产井水平井段 （11） 上设置多个生产井射孔 （10） ； 所述加热井 （21） 依次穿过非渗透层 （3） 、 水合物层 （4） 和下部岩层 （5） ， 到达地热储层顶 部 （6） ， 加热井 （21） 包括依次连通的加热井非渗透层段、 加热井水合物层段、 加热井下部岩 层段和加热井地热储层段， 加热井水合物层段上设置多个加热井第一射孔， 加热井地热储 层段上设置多个加热井第二射孔； 温差发电装置： 包括温差热端 （7） 、 电加热元件组 （8） 、。
5、 温差发电冷端 （13） 和耐高温导线 （14） ； 所述温差热端 （7） 设置在加热井地热储层段内的底部， 电加热元件组 （8） 设在加热井水 合物层段内， 所述温差发电冷端 （13） 设置在海水层 （2） ， 温差热端 （7） 、 电加热元件组 （8） 、 温 差发电冷端 （13） 通过耐高温导线 （14） 串联连接。 2.如权利要求1所述的温差发电热激法开采海域水合物系统， 其特征在于： 所述生产井 的数量为六个， 并且六个生产井 （15、 16、 17、 18、 19、 20） 分别位于等边六边形的六个顶点， 加 热井 （21） 位于该等边六边形的中心。 3.如权利要求2所述的温差发电。
6、热激法开采海域水合物系统， 其特征在于： 所述温差发 电冷端 （13） 设置在海水层 （2） 的底部。 4.如权利要求2所述的温差发电热激法开采海域水合物系统， 其特征在于： 所述温差 热端 （7） 和温差发电冷端 （13） 使用金属硅化型热电材料、 钴基氧化物热电材料或PbTe基热 电材料制成。 5.如权利要求2所述的温差发电热激法开采海域水合物系统， 其特征在于： 所述耐高温 导线 （14） 选择电阻率小的铜或者铝质导线 （14） 。 6.如权利要求2所述的温差发电热激法开采海域水合物系统， 其特征在于： 所述电加热 元件组 （8） 包括多个相互并联的加热元件。 7.一种开采海域水合物的方。
7、法， 其特征在于， 采用如权利要求1所述的温差发电热激法 开采海域水合物系统， 开采步骤如下： S1: 生产井布置， 在生产目标区域布置生产井井网， 利用海上钻井技术按照预先设计 的井眼轨迹完成钻井得到多个生产井， 在生产井水平井段 （11） 打多个射孔 （10） ， 将生产井 水平井段 （11） 与水合物层 （4） 连通， 生产井水平井段 （11） 保持压力低于水合物层 （4） 压力4- 5MPa； S2： 加热井钻井， 在生产目标区域， 多个生产井形成的区域中心钻加热井 （21） ， 利用海 上钻井技术依次钻穿非渗透层 （3） 、 水合物层 （4） 和下部岩层 （5） ， 最后到达地热储层。
8、顶部 （6） ， 在井眼中下套管并注入水泥固井形成加热井 （21） ， 并分别在加热井水合物层段打多个 加热井第一射孔， 将加热井 （21） 与水合物层 （4） 连通， 在加热井地热储层段打加热井第二射 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 109458159 A 2 孔， 将将加热井 （21） 与地热储层顶部 （6） 连通； S3： 安装温差发电装置， 温差热端 （7） 设置在加热井地热储层段内的底部， 电加热元件 组 （8） 设在加热井水合物层段内， 温差发电冷端 （13） 设置在海水层 （2） ， 所述温差热端 （7） 、 电加热元件组 （8） 、 温差发电冷端 （13） 通过耐高温。
9、导线 （14） 串联连接； 水合物吸收热量发生分解， 产生气态的天然气 （9） ， 由于压力差的存在天然气 （9） 与水 一起流入生产井水平井段 （11） ； S4： 天然气分离， 将S3得到的天然气 （9） 和水抽出， 再通过气液分离器进行分离， 将分离 出的水回注入到海水层 （2） 内， 将分离出来的天然气输送到集气站。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 109458159 A 3 一种温差发电热激法开采海域水合物系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及利用地热和海洋温度差异开采海底水合物的技术， 具体涉及一种温差 发电热激法开采海域水合物系统及方法。 背景技术 0002 天然气。
10、水合物是由天然气分子和水分子组成的冰状结晶化合物， 分布在大陆地区 的深海沉积物或永久冻土中。 水合物燃烧后只产生二氧化碳和水， 是一种具有发展前景的 清洁能源， 据最保守的估计其中储存的能量也相当于目前已知的所有矿物燃料的两倍。 0003 到目前为止， 各国学者已经提出了四种主要开采水合物的方法： 热激法、 减压法、 抑制剂注射和二氧化碳置换法。 其中热激法直接向水合物储层提供热量， 水合物吸热分解 流向生产井井底， 热激法对环境影响小， 能够适用于多种矿藏特点的水合物开采。 但在开采 过程中， 热量利用率较低， 不仅加热水合物， 同时还加热沉积物、 孔隙气体和液体， 从而造成 热量的大量损。
11、失， 能量利用效率低， 并且需要消耗大量常规能源加热注入的热流体。 0004 为了满足世界不断增长的能源需求， 地热能受到了世界各国的关注,地热是一种 清洁、 可持续性和开发前景广阔的能源.到目前为止,大约有82个国家(地区)直接利用地热 能和26个国家(地区)使用地热能发电。 0005 珠江口盆地是中国南海最大的新生代沉积盆地， 其地温梯度在3.5-4.0、 100m 之间， 属于高地温盆地， 地层深部地热资源丰富。 2007年4-6月， 我国在南海北部珠江口盆地 神狐海域进行了钻探， 实现了地质普查工作， 发现水合物层， 2017年5-7月我国在神狐区域 进行水合物试采， 连续稳定试采60。
12、天， 累计产气30.9104m。 因此， 珠江口盆地浅部含有大 量的水合物资源， 而盆地深部具有丰富的地热资源。 0006 因此， 急需一种装置和方法， 可以有效开采南海珠江口盆地水合物的方法。 发明内容 0007 本发明的第一个目的是提供一种温差发电热激法开采海域水合物系统， 该系统主 要针对深层地热和海洋温差发电热激法开采海域， 尤其是针海域盆地， 比如珠江口盆地。 0008 本发明的第二个目的是提供一种开采海域水合物的方法， 该方法既能有效利用珠 江口盆地深部的地热资源， 又能高效开发浅部水合物储层。 0009 为了实现上述发明第一个目的， 本发明采用的技术方案如下： 一种温差发电热激 。
13、法开采海域水合物系统， 包括多个生产井、 加热井和温差发电装置； 所述多个生产井以加热井以加热井为中心， 设置在加热井的周边； 每个生产井的结构： 包括相互垂直， 并且相互连通的生产井水平井段和生产井垂直井 段； 所述生产井垂直井段的顶端穿出海平面； 所述生产井水平井段设置在水合物储层， 并且生产井水平井段的压力小于水合物储 层， 生产井水平井段上设置多个生产井射孔； 说 明 书 1/5 页 4 CN 109458159 A 4 所述加热井依次穿过非渗透层、 水合物层和下部岩层到达地热储层顶部， 加热井包括 依次连通的加热井非渗透层段、 加热井水合物层段、 加热井下部岩层段和加热井地热储层 段。
14、， 加热井水合物层段上设置多个加热井第一射孔， 加热井地热储层段上设置多个加热井 第二射孔； 温差发电装置： 包括温差热端、 电加热元件组、 温差发电冷端和耐高温导线； 所述温差热端设置在加热井地热储层段内的底部， 电加热元件组设在加热井水合物层 段内， 所述温差发电冷端设置在海水层， 温差热端、 电加热元件组、 温差发电冷端通过耐高 温导线串联连接。 0010 作为优化， 所述生产井的数量为六个， 并且六个生产井分别位于等边六边形的六 个顶点， 加热井位于该等边六边形的中心。 0011 作为优化， 所述温差发电冷端设置在海水层的底部。 0012 作为优化， 所述温差热端和温差发电冷端使用金属。
15、硅化型热电材料、 钴基氧化物 热电材料或PbTe基热电材料制成。 0013 作为优化， 所述耐高温导线选择电阻率小的铜或者铝质导线。 0014 作为优化， 所述电加热元件组包括多个相互并联的加热元件。 0015 为了实现上述发明第二个目的， 本发明采用的技术方案如下： 一种开采海域水合 物的方法， 采用上述的温差发电热激法开采海域水合物系统， 开采步骤如下： S1: 生产井布置， 在生产目标区域布置生产井井网， 利用海上钻井技术按照预先设计 的井眼轨迹完成钻井得到多个生产井， 在生产井水平井段打多个射孔， 将生产井水平井段 与水合物层连通， 生产井水平井段保持压力低于水合物层压力4-5MPa；。
16、 S2： 加热井钻井， 在生产目标区域， 多个生产井形成的区域中心钻加热井， 利用海上钻 井技术依次钻穿非渗透层、 水合物层和下部岩层， 最后到达地热储层顶部， 在井眼中下套管 并注入水泥固井形成加热井， 并分别在加热井水合物层段打多个加热井第一射孔， 将加热 井与水合物层连通， 在加热井地热储层段打加热井第二射孔， 将将加热井与地热储层顶部 连通； S3： 安装温差发电装置， 温差热端设置在加热井地热储层段内的底部， 电加热元件组设 在加热井水合物层段内， 温差发电冷端设置在海水层， 所述温差热端、 电加热元件组、 温差 发电冷端通过耐高温导线串联连接； 水合物吸收热量发生分解， 产生气态的。
17、天然气， 由于压力差的存在天然气与水一起流 入生产井水平井段； S4： 天然气分离， 将S3得到的天然气和水抽出， 再通过气液分离器进行分离， 将分离出 的水回注入到海水层内， 将分离出来的天然气输送到集气站 相比现有技术， 本发明至少具有如下优点： 1、 本发明提供的温差发电热激法开采海域水合物系统， 巧妙的利用水域温差， 将温差 发电技术与热激法开采水合物技术相结合， 结构设计巧妙， 实施技术难度小， 但是开采效果 非常好。 0016 2、 本发明提供的开采海域水合物的方法利用上述系统进行水合物开采， 既能有效 利用地热资源， 尤其是珠江口盆地深部的地热资源， 又能高效开发浅部水合物储层。。
18、 0017 3、 由于地热储层和海水的温度可以长期保持稳定， 因此可以长期通过温差发电， 说 明 书 2/5 页 5 CN 109458159 A 5 再将电能转化为热能加热储层， 因此本发明方法具有可持续、 低能耗和环保的优点。 附图说明 0018 图1为温差发电热激法开采海域水合物系统的结构原理图。 0019 图2为温差发电装置的电器连接图。 0020 图3为多个生产井与加热井的布置方式图。 0021 图中标记， 1-海平面、 2-海水层、 3-非渗透层、 4-水合物储层、 5-下部岩层、 6-地热 储层、 7-温差发电热端、 8-电加热原件组、 9-水合物、 10-射孔道、 11-生产井。
19、水平井段、 12-生 产井垂直井段、 13-温差发电冷端、 14-导线、 15-20-水平生产井、 21-加热井。 具体实施方式 0022 为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明。 0023 参见图1海洋底部的结构为， 从海平面向地心依次包括海平面1、 海水层2、 非渗透 层3、 水合物储层4和下部岩层5。 0024 实施例1， 参见图1-3， 一种温差发电热激法开采海域水合物系统， 包括多个生产 井、 加热井21和温差发电装置； 所述多个生产井以加热井21以加热井21为中心， 设置在加热井21的周边。 0025 具体实施时， 所述生产井的数量为六个， 并且六个生产井15、 16、 17、。
20、 18、 19、 20分别 位于等边六边形的六个顶点， 加热井21位于该等边六边形的中心。 所述相邻两个生产井垂 直井段12中心线之间的距离为500m。 即六个生产井15、 16、 17、 18、 19、 20所在的等边六边形 的边长为500m。 所述任意一个生产井垂直井段12的中心线到加热井21中心线的距离为 500m。 即等边六边形的任意一个顶点到中心点距离为500m。 0026 每个生产井的结构： 包括相互垂直， 并且相互连通的生产井水平井段11和生产井 垂直井段12； 所述生产井垂直井段12的顶端穿出海平面1； 所述生产井水平井段11设置在水合物储层4， 并且生产井水平井段11的压力小。
21、于水合 物储层4， 生产井水平井段11上设置多个生产井射孔10； 所述生产井水平井段11处于水合物 储层4， 长度为300m， 生产井水平井段11上具有多个射孔10， 多个射孔10沿生产井水平井段 11周向设置， 射孔10将生产井与水合物储层4连通， 生产井保持井底压力低于水合物储层4 压力4-5MPa， 形成压力压差， 从而保证分解的天然气体9通过射孔10流向生产井。 0027 所述加热井21依次穿过非渗透层3、 水合物层4和下部岩层5到达地热储层顶部6， 加热井21包括依次连通的加热井非渗透层段、 加热井水合物层段、 加热井下部岩层段和加 热井地热储层段， 加热井21的顶部位于非渗透层3，。
22、 加热井21的底部位于地热储层顶部6， 加 热井水合物层段上设置多个加热井第一射孔， 多个加热井第一射孔沿加热井21沿加热井水 合物层段周向设置， 作用是将水合物储层4与加热井21内腔连通， 有利于热量向水合物储层 4的传递， 加热井地热储层段上设置多个加热井第二射孔， 多个加热井第二射孔沿加热井21 沿加热井地热储层段的周向设置， 作用是将地热储层6与加热井21内腔连通， 有利于热量交 换。 0028 温差发电装置： 包括温差热端7、 电加热元件组8、 温差发电冷端13和耐高温导线 说 明 书 3/5 页 6 CN 109458159 A 6 14。 0029 所述温差热端7设置在加热井地热。
23、储层段内的底部， 即位于地热储层6电加热元件 组8设在加热井水合物层段内， 所述温差发电冷端13设置在海水层2， 温差热端7、 电加热元 件组8、 温差发电冷端13通过耐高温导线14串联连接。 0030 作为改进， 温差发电冷端13设置在海水层2的底部。 海水层2低部距离海平面11200 米， 温度为2-5， 地热储层6距离海平面14000米， 温度在100以上， 因此， 温差发电冷端13 与温差发电热端7之间具有巨大的温差， 温差发电热端7、 温差发电冷端13、 导线14和电加热 元件组8构成的闭合回路将产生电流， 电加热元件组8工作将电能转化为热能加热水合物储 层4。 作为改进， 所述电加。
24、热元件组8包括多个相互并联的加热元件增大热功率， 加热元件可 以贴着加热井21的内壁， 在加热井21内壁周向均匀布置， 这样加热井水合物层段的受热更 加均匀。 0031 温差热端7和温差发电冷端13使用金属硅化型热电材料、 钴基氧化物热电材料或 PbTe基热电材料制成。 温差热端7和温差发电冷端13使用金属硅化型热电材料、 钴基氧化物 热电材料或PbTe基热电材料制成， 还可以采用ZT热电材料无量纲优值高的新型热点材料制 成。 需要说明的是温差发电冷端13和温差发电热端7的结构和制作工艺是现有技术， 也不是 本发明的发明点， 本发明的一个重要发明点在于将温差发电装置引入海域水合物的开采。 00。
25、32 实施例2， 一种开采海域水合物的方法， 采用实施例1中的温差发电热激法开采海 域水合物系统， 开采步骤如下： S1: 生产井布置， 在生产目标区域布置生产井井网， 利用海上钻井技术按照预先设计 的井眼轨迹完成钻井得到多个生产井， 在生产井水平井段11打多个射孔10， 将生产井水平 井段11与水合物层4连通， 生产井水平井段11保持压力低于水合物层4压力4-5MPa； S2： 加热井钻井， 在生产目标区域， 多个生产井形成的区域中心钻加热井21， 利用海上 钻井技术依次钻穿非渗透层3、 水合物层4和下部岩层5， 最后到达地热储层顶部6， 在井眼中 下套管并注入水泥固井形成加热井21， 并分。
26、别在加热井水合物层段打多个加热井第一射 孔， 将加热井21与水合物层4连通， 在加热井地热储层段打加热井第二射孔， 将将加热井21 与地热储层顶部6连通； S3： 安装温差发电装置， 温差热端7设置在加热井地热储层段内的底部， 电加热元件组8 设在加热井水合物层段内， 温差发电冷端13设置在海水层2， 所述温差热端7、 电加热元件组 8、 温差发电冷端13通过耐高温导线14串联连接； 电加热元件组8工作导致水合物储层4温度升高， 破坏水合物的原始相平衡状态分解成 甲烷自由气， 即水合物吸收热量发生分解， 产生气态的天然气9， 由于压力差的存在天然气9 与水一起流入生产井水平井段11。 0033。
27、 S4： 天然气分离， 将S3得到的的天然气9和水抽出， 再通过气液分离器进行分离， 将 分离出的水回注入到海水层2内， 将分离出来的天然气输送到集气站。 0034 该方法是一种可持续、 低能耗、 提高水合物的采出程度和降低水合物开采成本的 水合物开采方法。 0035 本发明方法主要应用于南海珠江口等盆地， 既能有效利用珠江口盆地深部的地热 资源， 又能高效开发浅部水合物储层。 0036 需要说明的是， 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽管 说 明 书 4/5 页 7 CN 109458159 A 7 参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解； 其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行 等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的范围。 说 明 书 5/5 页 8 CN 109458159 A 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 9 CN 109458159 A 9 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 10 CN 109458159 A 10 。