[发明专利]从烃水合物中生产天然气同时将二氧化碳存储在地层中的方法

说明书

本发明涉及一种生产存储在气体水合物中的甲烷同时在地质底土(geological subsoil)中存储二氧化碳(CO₂)的方法。

大量天然气存储在海床中，为土、冰状甲烷水合物。这些天然沉积物与我们这颗行星上所有常规的煤、油和气体沉积物相比可能含有更多的能量和碳(约3000Gt C)。因此，气体水合物作为未来的天然气源扮有重要角色。已证实甲烷水合物存在于几乎所有的水下约400米深度的大陆架上。它们仅在高压和低温下是稳定的。在充足的有机碳嵌入沉积物且压力和稳定条件允许甲烷固定在甲烷水合物中时发生。很多沿海国家有大量天然沉积物(例如，中国、印度、日本、韩国、巴西、智利、美国、加拿大、挪威和俄罗斯)。在陆地上在厚永冻层沉积物下检测到甲烷水合物。这些水合物沉积物已知都来自西伯利亚、加拿大和阿拉斯加。

图1示出甲烷在海水中的相图。甲烷水合物仅在高压和低温下稳定。水合物和气体之间的相界表示晶格类型I的纯甲烷水合物和盐含量为35重量％的海水。

相界表示纯的具有晶格类型I的甲烷水合物。甲烷水合物以不同的晶格类型存在。类型I是最普遍和最广泛存在的变型。

图2示出晶格类型I的甲烷水合物簇；这种类型中，平均一个甲烷分子对应5.7个水分子。甲烷分子用大球表示，而由黑线连接的小球表示水分子组成的水合物晶格。

目前全世界都在开发甲烷水合物沉积物来生产天然气。为了提取天然气，首先必须分解地质底土中的水合物。这种方法中，固定于水合物水笼(water cage)中的甲烷被释放为气体，可以使用常规技术通过一个或多个钻孔来提取该气体。目前，必须通过以下不同的方法进行：

-降低沉积物的压力；

-升高沉积物的温度；

-添加化学物质来分解水合物。

US 7,222,673公开了用二氧化碳(CO₂)代替气体水合物中的甲烷而不破坏水合物结构。该方法中，将水合物与液态CO₂接触。不需要外部供应能量反应即发生，这是因为形成的CO₂水合物比天然甲烷水合物更稳定。这种方法提取天然气具有额外的优点：使地球温度升高的气候相关的温室气体CO₂同时可被安全地存储在地下并从而从大气中去除。这种方法的缺点是同时维持水合物结构的取代反应速度低，这仅能得到极低的生产速率。

WO2005/076904描述了一种通过引入气态CO₂至甲烷水合物田将CO₂存储在海床下的方法。一旦形成CO₂水合物，释放的热量导致甲烷水合物离解并释放甲烷。计划收集并使用释放的甲烷气体。使用释放的甲烷气体经过燃烧产生能量时，高浓度的气态CO₂是一个缺点。由于甲烷仅在借助于CO₂水合物形成时释放的热量时才有可能从甲烷水合物中释放，因此其生产速率可能也很低。

因此本发明的目的是提供一种以生产速率高于先前可能的生产速率从水合物中提取碳水合物(carbon hydrate)(特别是甲烷)、同时将CO₂存储在地层(geological formations)中的方法。

具有权利要求1特征的方法能实现所述目的。从属权利要求表明本发明的设计优点。

要提取天然气并将CO₂存储在底土中，建议将超临界CO₂注入水合物沉积物。本方法中，甲烷水合物在注入孔周围的大范围内高速热学和化学性地分解，从而实现高的天然气生产速率。

图3示出海水中CO₂作为压力和温度的函数的相图。水合物和液态CO₂之间的相限表示晶格类型I的CO₂水合物和盐含量为35重量％的海水。CO₂临界点为7.4Mpa和31.48℃。较高的温度和压力下，CO₂转化为所谓的超临界相。该相的特点是没有气态和液态之间的急变和能量势垒；不再有气相和液相的区别。超临界CO₂与液态或气态CO₂不同。它由仅松散互连的CO₂簇组成。表现出特别适合于生产来自水合物的天然气的特殊属性。