CN102322245B - 天然气水合物开采装置 - Google Patents

Abstract

一种能源开采技术领域的用于天然气水合物开采装置，由依次串联连接的开采钻头上部、输运升降管路和开采钻头下部组成。本发明装置易于移动，能够提高开采效率和安全性，该装置采用自下而上的开采方式能够将泥沙初步分离且回填到开采井中，更加方便快捷且节约能耗且该装置设施简单、成本低、易于控制和可靠性高。

Description

天然气水合物开采装置

技术领域

本发明涉及的是一种能源开采技术领域的装置，具体是一种天然气水合物开采装置。

背景技术

天然气水合物，又称笼形化合物。它是在一定条件下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。在自然界中存在的天然气水合物绝大部分是甲烷水合物。通常情况下，从天然气水合物中分离出的甲烷是天然气水合物的体积的160倍，而且以固态形势存在的天然气的总量是化学燃料贮量的两倍多，所以人们把水合物作为未来的主要能源。但由于天然气的开采存在技术和经济上的可行性问题，所以目前的开采都未进入商业阶段。天然气水合物开采的基本思路是将蕴藏的天然气水合物进行分解，然后加以利用，现阶段提出的方法主要有热激化法、减压法和化学试剂法。不管是热激发、减压法还是注入化学试剂的方法，每种方法都有自身的缺点，例如：注入热量的过程中，在发生分离之前必须输入显热，同时又需要把热量输出到非水合岩中，加热中有10％到75％的热损失掉；而减压法作用缓慢，效率低，并且需要较高的储层温度；注化学试剂则费用昂贵，作用缓慢，腐蚀设备，且在水合物中很难扩散，不宜在开采海底水合物时使用。

高压水射流技术是近代发展起来的一门新技术，其特点是通过高压水射流的能量高度集中，射击物体的巨大冲击力，会对被击物体进行加工作业。到上个世纪八十年代，国内外进行高压水射流冲孔的工业试验，已应用于煤层的开采。同时在石油地面钻井中，国外有采用水射流由垂直钻孔实施超短半径水平连续钻孔的研究，并取得了成果。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利公布号为：CN101818635A，名称为“高压热射流开采气水合物的方法”，该专利中的开采装置是一个很粗的圆柱形管道，该装置不便于频繁移动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种天然气水合物开采装置，该装置易于移动，能够提高开采效率和安全性，该装置采用自下而上的开采方式能够将泥沙初步分离且回填到开采井中，更加方便快捷且节约能耗且该装置设施简单、成本低、易于控制和可靠性高。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由依次串联连接的开采钻头上部、输运升降管路和开采钻头下部组成。

所述开采钻头上部包括：外壳体、水合物抽吸组件、管路连接牵引装置、注水组件、射流水组件、分流结构和安全阀盘，其中：外壳体与分流结构连接，安全阀盘与分流结构的阀盘端连接，分流结构的管路端分别与注水组件、射流水组件和水合物抽吸组件连接，管路连接牵引装置分别与注水组件、射流水组件、水合物抽吸组件和输运升降管路连接，注水组件和射流水组件均与输运升降管路连接。

所述的外壳体顶部为外突结构，底部为内凹结构。

所述的安全阀盘旋转设置于外壳体内。

所述的安全阀盘和分流结构上设有均匀分布的贯穿入水孔且安全阀盘能够旋转至安全阀盘的贯穿入水孔和分流结构的贯穿入水孔同轴的位置。

所述的分流结构包括：分流阀盘和水合物输运管路，其中：分流阀盘分别与外壳体、水合物输运管路和安全阀盘连接，水合物输运管路与分别与注水组件、射流水组件和水合物抽吸组件连接。

所述的输运升降管路包括：吊缆、射流输水管和注水输水管，其中：吊缆、射流输水管和注水输水管均与开采钻头上部和开采钻头下部连接，射流输水管设置于注水输水管内，注水输水管设置于吊缆内。

所述的开采钻头下部包括：下部壳体、若干个液压射流组件和旋转桨片结构，其中：旋转桨片结构与下部壳体连接且设置于下部壳体内部，若干个液压射流组件与下部壳体连接且以圆形阵列均匀分布于下部壳体外侧，下部壳体和若干个液压射流组件均与输运升降管路连接。

所述的旋转桨片结构由四组水平旋转桨组成。

所述的液压射流组件由依次串联连接的射流展臂、液压顶杆、液压缸和液压泵组成，其中：射流展臂和液压泵分别与输运升降管路和下部壳体连接。

射流展臂内部设有射流水输运管，射流展臂的表面与射流水输运管的表面均设有射流孔。

所述的射流孔的排布密度沿下部壳体轴心至外侧依次增大。

所述的液压缸驱动液压泵，液压泵控制液压顶杆，液压顶杆撑起射流展臂能够调节射流展臂21与下部壳体18的角度即调节射流孔和天然气水合物矿物层之间的有效靶距。

所述开采钻头上部的主要功能是为开采钻头下部提供开采需水和提供牵引力，收集并运送已开采的可燃冰矿物；同时，开采钻头上部负责井口密封以及应急处理等工作。当正常工作时，安全阀盘的贯穿入水孔与海水运输管路的贯穿入水孔重合，当遇到井内气压过高，射流水组件和注水组件中进入大量天然气的事故时，安全阀盘将旋转至能够封住海水运输管路的贯穿入水孔的位置，保证气体不泄露。外壳体顶部外突沿能和井口密封环配合，保证开采过程中无气体逸出；海水经安全阀盘贯穿入水孔和海水运输管路的贯穿入水分别进入射流水组件和注水组件，在射流水组件中被加压成高压水并加热用以最后送达开采钻头下部，注水组件中的水输送到开采钻头下部；被开采的矿物在外壳体内凹形底部富集，通过水合物运输管路进入水合物抽吸泵，被输送至其他水合物进一步处理装置。

所述开采钻头下部主要负责开采矿物的工作，开采钻头下部在初始时顶端与开采钻头上部底端连在一起，射流展臂为收起状态；再安装在已事先钻好的工作井位后开采钻头下部下放至井底，之后射流展臂射流并展开至正常工作状态，射流展臂、液压顶杆、液压缸和液压泵组成的液压射流组件负责控制射流展臂的收展动作；开采钻头上部的热高压射流水被输送到每个展臂中，通过射流孔形成脉冲式射流水，击碎可燃冰矿层；注水组件中的水经下部壳体推动旋转浆片结构，使得整个开采钻头下部产生旋转，同时在井中产生水流循环，将击碎的可燃冰颗粒沿井路带至钻头上部并收集；开采钻头下部边开采边在管路连接牵引装置的作用下上升，直至开采完成后，收起射流展臂，钻头回复至初始状态，等待被移动至下一待开采井位。

本发明的液压射流组件扩大了有效开采范围、射流孔的分布由内向外依次增多，使外端扫过的面积要比内侧大，合理地安排射流孔的位置能够使开采更均匀，通过调节射流展臂与下部壳体的角度能够使液压射流组件中的射流水与可燃冰矿层更好的接触，提高开采效率。

本发明设置有安全阀盘能够提高安全性，本发明采用自下而上的开采方式能够将泥沙初步分离且回填到开采井中，可燃冰的开采过程中泥沙回填是很重要的，如果不进行泥沙回填，那么就会在海底留下一个大窟窿，可能会导致崩塌等地质灾害。为了更简单的解决本问题，我们设计的开采钻头先直接深入到开采井的最下部，由下而上开采，这样由于泥土的密度比海水的密度大，所以大部分泥沙会向下沉淀，而随着钻头不断向上开采，泥沙也不断的把底部掩埋，开采到最后，泥沙就基本上填满了开采井的大部分窟窿，更有利于安全。本发明更加方便快捷、节约能耗、设施简单、成本低、易于控制、易于移动和可靠性高。

本发明的开采钻头抛弃了传统的热激化和减压法，创新性的使用水循环的方法开采可燃冰。该方法提高了能量的利用率，降低能量耗散和损失，从根本上提高了开采的经济性，为实现商业开采铺垫了基础；从安全性角度讲，本开采钻头强调密封性，从开采原理和设备两个方面降低开采过程中事故的发生，具有安全可靠的特点；从设备角度讲，本开采钻头结构简单，各部件功能单一明确，相互协调，便于设计制造，监控和维修。

附图说明

图1为实施例1结构示意图。

图2为实施例1开采钻头上部结构示意图，(a)为主视图，(b)为局部俯视图。

图3为实施例1输运升降管路结构示意图。

图4为实施例1开采钻头下部结构示意图，(a)为立体图，(b)为局部剖视图。

图5为实施例1液压射流组件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施由依次串联连接开采钻头上部1、输运升降管路2和开采钻头下部3组成。

如图1和图2所示，所述开采钻头上部1包括：外壳体4、水合物抽吸组件5、管路连接牵引装置6、注水组件7、射流水组件8、分流结构9和安全阀盘10，其中：外壳体4与分流结构9连接，安全阀盘10与分流结构9的阀盘端连接，分流结构9的管路端分别与注水组件7、射流水组件8和水合物抽吸组件5连接，管路连接牵引装置6分别与注水组件7、射流水组件8、水合物抽吸组件5和吊缆15连接，注水组件7和射流水组件8分别与注水输水管17和射流输水管16连接。

所述的外壳体4顶部为外突结构，底部为内凹结构。

所述的安全阀盘10旋转设置于外壳体内。

所述的安全阀盘10和分流结构9上设有均匀分布的贯穿入水孔11且安全阀盘10能够旋转至安全阀盘10的贯穿入水孔11和分流结构9的贯穿入水孔11同轴的位置。

所述的分流结构9包括：分流阀盘12和水合物输运管路13，其中：分流阀盘12分别与外壳体4、水合物输运管路13和安全阀盘10连接，水合物输运管路13与分别与注水组件7、射流水组件8和水合物抽吸组件5连接。

如图1和图3所示，所述的输运升降管路2包括：吊缆15、射流输水管16和注水输水管17，其中：射流输水管16设置于注水输水管17内，注水输水管17设置于吊缆15内，吊缆15分别与路连接牵引装置6和下部壳体18连接，射流输水管16分别与开采钻头上部1的射流水组件8和开采钻头下部3的若干个液压射流组件19连接，注水输水管17分别与注水组件7和开采钻头下部3的下部壳体18连接。

如图1、图4和图5示，所述的开采钻头下部3包括：下部壳体18、若干个液压射流组件19和旋转桨片结构20，其中：旋转桨片结构20与下部壳体18连接且设置于下部壳体18内部，若干个液压射流组件19与下部壳体18连接且以圆形阵列均匀分布于下部壳体18外侧，下部壳体18和若干个液压射流组件19均与输运升降管路2连接。

所述的旋转桨片结构20由四组水平旋转桨组成。

所述的液压射流组件19由依次串联连接的射流展臂21、液压顶杆22、液压缸23和液压泵24组成，其中：射流展臂21和液压泵24与输运升降管路2和下部壳体18连接。

射流展臂21内部设有射流水输运管25，射流展臂21的表面与射流水输运管25的表面均设有射流孔26。

所述的射流孔26的排布密度沿下部壳体18轴心至外侧依次增大。

所述的液压缸23驱动液压泵24，液压泵24控制液压顶杆22，液压顶杆22撑起射流展臂21能够调节射流展臂21与下部壳体18的角度即调节射流孔26和天然气水合物矿物层之间的有效靶距。

如图1、图2和图4所示，当本装置处于准备阶段时，开采钻头被安装在预先打好的开采井上，开采钻头上部1设置于开采井口即海床14上，安全阀盘10设置于海床14上面的海水中，输运升降管路2分别设置于海床14内和海床14下部的可燃冰矿层内，安全阀盘10旋转，打开贯穿入水孔11，管路连接牵引装置6下放吊缆15，将开采钻头下部3下放到预，定开采深度，海水经贯穿入水孔11分别进入注水组件7和射流水组件8，注水组件7中的海水经注水输水管17，通过下部壳体18流到旋转桨片结构20推动四组水平旋转桨旋转，带动下部壳体18和射流展臂21旋转；射流水组件8中的海水被加压加热成成热高压射流水，经射流输水管16从射流孔26喷射而出，冲击天然气水合物矿物层；注入的海水在井中形成循环水系统，由于天然气水合物颗粒的密度要小于泥土颗粒的密度，由水合物抽吸组件5抽吸提供压力差，使得天然气水合物颗粒流至上部的管路连接牵引装置6，再流经上部的分流结构9，最终到达上端的收集系统。

当本装置处于工作阶段时，射流展臂21撑开到工作位置后，管路连接牵引装置6拉动吊缆15，按照预定开采速度将开采钻头下部3拉起，由下向上开采天然气水合物。注入的海水在井中产生循环水系统。泥沙由于自身密度大，自动沉淀，天然气水合物颗粒和泥沙分离。

当本装置处于回收阶段时，开采钻头下部3运行到开采最高点的位置后，管路连接牵引装置6暂时停止上拉，射流水组件8先停止运行，然后液压泵24运行，收回液压顶杆22，带动射流展臂21收回至开采前的状态，水合物抽吸组件5和注水组件7同步停止运转，保证井内外压强平衡，安全阀盘10旋转，关闭贯穿入水孔11。最后管路连接牵引装置6继续上拉开采钻头下部3至初始位置，等待其他辅助机械回收该钻头。

当遇到部分从水合物释放出的天然气经射流水组件8或注水组件7反向溢出时，安全阀盘10旋转一定角度，关闭贯穿入水孔11，防止天然气泄露，保证开采的安全性。

Claims (8)

1. 一种用于天然气水合物开采装置，其特征在于，由依次串联连接的开采钻头上部、输运升降管路和开采钻头下部组成；所述开采钻头上部包括：外壳体、水合物抽吸组件、管路连接牵引装置、注水组件、射流水组件、分流结构和安全阀盘，其中：外壳体与分流结构连接，安全阀盘与分流结构的阀盘端连接，分流结构的管路端分别与注水组件、射流水组件和水合物抽吸组件连接，管路连接牵引装置分别与注水组件、射流水组件、水合物抽吸组件和输运升降管路连接，注水组件和射流水组件均与输运升降管路连接；

所述的输运升降管路包括：吊缆、射流输水管和注水输水管，其中：吊缆、射流输水管和注水输水管均与开采钻头上部和开采钻头下部连接，射流输水管设置于注水输水管内，注水输水管设置于吊缆内；

所述的开采钻头下部包括：下部壳体、若干个液压射流组件和旋转桨片结构，其中：旋转桨片结构与下部壳体连接且设置于下部壳体内部，若干个液压射流组件与下部壳体连接且以圆形阵列均匀分布于下部壳体外侧，下部壳体和若干个液压射流组件均与输运升降管路连接。

2. 根据权利要求1所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，所述的外壳体顶部为外突结构，底部为内凹结构。

3.根据权利要求1所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，所述的安全阀盘旋转设置于外壳体内。

4.根据权利要求1所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，所述的安全阀盘和分流结构上设有均匀分布的贯穿入水孔且安全阀盘能够旋转至安全阀盘的贯穿入水孔和分流结构的贯穿入水孔同轴的位置。

5.根据权利要求1所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，所述的分流结构包括：分流阀盘和水合物输运管路，其中：分流阀盘分别与外壳体、水合物输运管路和安全阀盘连接，水合物输运管路分别与注水组件、射流水组件和水合物抽吸组件连接。

6.根据权利要求1所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，所述的旋转桨片结构由四组水平旋转桨组成。

7.根据权利要求1所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，所述的液压射流组件由依次串联连接的射流展臂、液压顶杆、液压缸和液压泵组成，其中：射流展臂和液压泵分别与输运升降管路和下部壳体连接。

8.根据权利要求7所述的用于天然气水合物开采装置，其特征是，射流展臂内部设有射流水输运管，射流展臂的表面与射流水输运管的表面均设有射流孔，该射流孔的排布密度沿下部壳体轴心至外侧依次增大。

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