CN116772101A - 一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海底天然气集采技术领域，公开了一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置及其控制方法。装置包括框架结构，对整体结构进行支撑；特种收集罩，悬挂安装在框架结构内部，罩定冷泉渗漏点和存放天然气水合物；底座，紧密在框架结构下端，对整体结构进行承托和配重，止逆阀阵列，安装在底座底面，使气泡进入特种收集罩内；推进模块，安装在底座外侧，利用推进器推动整体装置进行移动；位置探测模块，安装在底座外侧，利用声波传感器探测渗漏点位置；控制系统，安装在底座外壁内，对整体装置的运行进行控制；电池组，安装在底座外壁内，为整体装置提供电能。本发明可以安全持续地采集海底水合物稳定区冷泉渗漏点的天然气。

Description

一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置及其控制方法

技术领域

本发明属于海底天然气采集技术领域，尤其涉及一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置及其控制方法。

背景技术

目前，自然界中，海底天然气水合物广泛存在于陆缘外围满足温压条件的海底沉积物中，海底深度介于400-800米，海水温度大约在15摄氏度以下。海底天然气水合物资源量约占全球总资源量的97％，海底天然气水合物的赋存环境受到大洋环流变化、海底滑坡、海底地震等因素影响都能引起温压条件改变，进而破坏天然气水合物稳定条件，形成冷泉渗漏区，在渗漏期，通常单个冷泉渗漏点的通量一般介于3.5mL/min～13.9L/min之间，到目前为止大陆边缘发现大约30000处冷泉渗漏区，每年渗漏的天然气约0.8Gt。

由于海底天然气水合物赋存不均匀，目前，主要针对水合物富集区进行钻井开采水合物，忽略了对冷泉渗漏区渗漏的天然气进行采集。受限于现有勘探技术，无法精准探明水合物富集区，易造成开采经济价值不确定。并且在钻井开采过程中存在地质灾害防控困难和对开发安全、全球气候变化的影响难以预测等相关科学问题与挑战。

总之，现有技术存在的缺点和问题主要包括：

1)采集不充分：目前，针对海底天然气水合物主要进行钻井开采，忽略了对冷泉渗漏区渗漏的天然气进行采集。这导致了对天然气资源的采集不充分，无法实现资源的充分利用和开发。

2)勘探精度不高：目前的勘探技术无法精准探明水合物富集区，容易造成开采经济价值不确定，不能实现有效的资源管理和利用。

3)地质灾害风险高：在钻井开采过程中，由于海底地质条件复杂，存在地质灾害防控困难，如海底滑坡、地震等，容易引发安全事故和环境污染。

4)环境影响难以预测：海底天然气水合物的开采和利用会对环境产生一定影响，如对气候变化的影响等，但目前无法准确预测和评估这些影响，难以实现可持续发展和环境保护。

综上所述，现有技术存在的主要问题是采集不充分、勘探精度不高、地质灾害风险高和环境影响难以预测等问题，这些问题需要通过技术的创新和发展来解决，以实现海底天然气水合物的有效利用和可持续发展。

发明内容

由于现有开采技术存在的一系列问题，本发明考虑对冷泉渗漏区渗漏的天然气进行采集，提供了一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置及其控制方法。

本发明是这样实现的，一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置包括：

框架结构，用于对整体结构进行支撑；

特种收集罩，悬挂安装在框架结构内部，用于罩定冷泉渗漏点和存放天然气水合物；

底座，紧密在框架结构下端，用于对整体结构进行承托和配重，

止逆阀阵列，安装在底座底面，用于使气泡进入特种收集罩内；

推进模块，安装在底座外侧，用于利用推进器推动整体装置进行移动；

位置探测模块，安装在底座外侧，用于利用声波传感器探测渗漏点位置；

控制系统，安装在底座外壁内，用于对整体装置的运行进行控制；

电池组，安装在底座外壁内，用于为整体装置提供电能。

进一步，所述框架结构上底连接有绳索，所述绳索上部连接悬浮球，所述框架结构下底用卡扣卡在底座上，所述控制系统连接有电缆，所述电缆另外一端固定在悬浮球内。

进一步，所述框架结构上下底呈闭环状，上底闭环半径远小于下底闭环半径，两个闭环之间用等间隔的曲杆连接，所述曲杆下侧安装卡扣，用于连接下方底座，所述上底闭环外侧连接对称分布的小圆环，用于连接绳索。

进一步，所述底座整体为筒状，所述底座的上底形状与框架结构下底形状相同，所述底座的上底开口处筒壁的外半径逐渐增大，然后保持固定值不变，框架下底闭环介于所述底座筒壁上底开口的内外半径之间，用于将框架结构牢固密封地卡在所述底座上。

进一步，所述底座整体保持一定重量，防止特种收集罩装满后设备整体浮动不稳定。

进一步，所述特种收集罩由三层材料构成，包括外部高强度防水面料、中间保温面料和内部光滑防水合物粘连面料。

进一步，所述特种收集罩用固定器悬挂于框架结构内，所述特种收集罩下底面与框架结构下底面形状相同，所述特种收集罩顶部连接防水布料筒，所述防水布料筒两端开口，所述防水布料筒半径小于框架结构上底闭环半径。

进一步，所述止逆阀阵列由多个置于底座下底面的片状止逆阀构成，所述片状止逆阀的片状止逆阀控制器内置于底座，多个片状止逆阀的宽度相等，长度大小不一，平行于底座底面并覆盖整个底面。

进一步，所述底座外侧安装有多个相同的推进器，多个推进器距底座底面距离相等且在外壁上均匀分布。

进一步，所述底座外侧安装多个声波传感器，多个声波传感器距底座底面距离相等且在外壁上均匀分布。

本发明的另一目的在于提供一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的控制方法，所述控制方法包括：

步骤一，在海底水合物稳定区，在海面通过绳索对整体装置下放，海水通过止逆阀阵列、流经特种收集罩、流经防水布料筒，下放时防水布料筒垂直于框架上底面；

步骤二，声波传感器探测渗漏点位置，推进器推动整体装置调整方位，使整体装置准确降落到渗漏点上，然后防水布料筒自然下垂关闭特种收集罩上部通道；

步骤三，止逆阀控制器打开止逆阀阵列，气泡通过止逆阀阵列进入特种收集罩，在特种收集罩上部汇集并形成水合物；

步骤四，采集一段时间后，止逆阀阵列全部关闭，通过绳索对整体装置进行回收。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明针对冷泉渗漏点渗漏的天然气进行采集，在天然气水合物稳定海域投放整体装置。防水布料筒保持下放稳定，声波传感器探测渗漏点位置，推进器调整下放方向，使整体装置准确降落到渗漏点上，然后防水布料筒自然下垂关闭特种收集罩通道，止逆阀控制器打开止逆阀阵列，使冷泉渗漏点气泡进入特种收集罩，气泡在特种收集罩内部变成水合物，特种收集罩内部逐渐装满水合物，关闭止逆阀阵列，通过绳索回收整体装置，整体装置在海水中保持一定升速，使防水布料筒紧压在特种收集罩外部，保持特种收集罩内部的温度压力稳定，防止特种收集罩内部的水合物分解，最终完成整体装置回收。

本发明装置在海底冷泉渗漏区采集渗漏天然气，在水合物富集区和非富集区均可使用，极大扩宽海底天然气采集范围。

第二，本发明可以在不破坏海底环境，安全持续地，采集海底水合物稳定区冷泉渗漏点的天然气。本发明不用钻井，极大节约成本，不会产生钻井开采引起的地质滑坡等问题。在海底冷泉渗漏区各个渗漏点上，重复使用本发明采集渗漏天然气，可以采集大量以水合物形态存在的天然气，极大提高天然气存储效率。

第三，本发明中可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置可以在各个冷泉渗漏点上重复使用，使用成本为控制推进器、声波传感器和止逆阀阵列的电力，所采集天然气的最大体积，可以达到120πr³，其中r为框架内切球半径，r为3.25m时，收集水合物分解后在标准大气压下的体积约为120πr³＝12934.6m³，经济效益极大。

第四，本发明提供的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置填补了国内外冷泉渗漏点天然气采集领域的空白。把开采目标从钻井开采海底沉积物中水合物，转移到了采集海底表面冷泉渗漏区的渗漏气泡。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的仰视图；

图3是本发明实施例提供的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的俯视图；

图4是本发明实施例提供的框架结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的特种收集罩的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的底座侧面的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的框架结构和底座连接的轴向剖视细节图；

图8是本发明实施例提供的止逆阀阵列中单个止逆阀片结构细节图；

图中：1、框架结构；2、特种收集罩；3、绳索；4、底座；5、卡扣；6、推进器；7、电池组；8、控制系统；9、止逆阀控制器；10、声波传感器；11、悬浮球；12、电缆；13、小圆环；14、固定器；15、卡扣；16、防水布料筒；17、止逆阀阵列；18、上底闭环；19、曲杆；20、下底闭环；21、片状止逆阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为本发明的结构图；如图2所示为本发明的仰视图；如图3所示为本发明的俯视图。本发明实施例提供的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置包括：框架结构1、悬挂在框架结构1内的特种收集罩2、与特种收集罩2底部通过多个卡扣5连接的底座4、装配在底座4底面的止逆阀阵列17、安装在底座4外侧的多个推进器6和多个声波传感器10，安装在底座4外壁内的电池组7和控制系统8。

如图4所示，所述框架结构1上下底呈圆环状，上底圆环18半径远小于下底圆环20半径，两个圆环之间用多个曲杆19连接，所述曲杆19下侧安装卡扣15，用于连接下方底座4，所述上底圆环18外侧连接对称分布的小圆环13，用于连接绳索3。

所述底座4整体为圆筒状，所述底座4的上底开口处，筒壁的外半径逐渐增大，然后保持固定值不变，框架下底圆环20半径介于所述底座4筒壁上底开口的内外半径之间，使所述框架1可以牢固密封地卡在所述底座4上。

本发明实施例中的特种收集罩2由三层材料构成，外部高强度防水面料、中间保温面料和内部光滑防水合物粘连面料。

所述特种收集罩2用固定器14悬挂于框架结构1内，所述特种收集罩2下底面与框架结构1下底面形状相同，所述特种收集罩2顶部连接防水布料筒16，所述防水布料筒16两端开口，所述防水布料筒16半径小于框架上底圆环18半径，如图5所示。

如图6所示，所述底座4外侧安装多个推进器6，所述底座外侧安装多个声波传感器10，所述底座底面安装止逆阀阵列17，所述底座外壁内安装电池组7，所述底座外壁内安装控制系统8，所述控制系统连接电缆12，所述电缆12另外一端固定在悬浮球11内。

所述框架结构上底连接绳索3，所述绳索3上部连接悬浮球11，所述框架结构内侧悬挂特种收集罩2，所述框架结构下底用多个卡扣5卡在底座4上，如图7所示。

如图8所示，所述止逆阀阵列17由多个置于底座4下底面的片状止逆阀21构成，所述片状止逆阀21的片状止逆阀控制器9内置于底座4，所述片状止逆阀21的宽度相等，长度大小不一，平行于底座底面并覆盖整个底面。

本发明实施例中的底座4外侧安装4～8个型号相同的推进器6，所述4～8个型号相同的推进器6距底座4底面距离相等且在外壁上均匀分布，所述底座4外侧安装4个声波传感器10，所述4个的声波传感器10距底座4底面距离相等且在外壁上均匀分布，所述底座外壁内安装电池组7和控制系统8，所述推进器6，声波传感器10，电池组7和控制系统8的安装位置要保持采集装置质量分布为中心对称分布。

在海底水合物稳定区，通过绳索3下放整体装置，海水通过止逆阀阵列17，流经特种收集罩2和防水布料筒16，防水布料筒16直径远小于底座内直径，使在海水中下放采集装置时保持稳定，声波传感器10探测渗漏点位置，推进器6调整整体装置方位，使整体装置准确降落到渗漏点上，然后防水布料筒16自然下垂关闭特种收集罩2上部通道，止逆阀控制器9打开止逆阀阵列17，使气泡通过止逆阀阵列17进入特种收集罩2，并在特种收集罩2上部汇集，由于整体装置仍然在海底水合物稳定，特种收集罩2上部汇集的气泡逐渐形成水合物，经过一段时间特种收集罩2内部采集大量水合物，通过绳索回收整体装置，回收时，止逆阀阵列17全部关闭，保持整体设备在海水中一定的回收速度使防水布料筒16压在特种收集罩2外表面，防止海水进入特种收集罩2，并保持特种收集罩2内部温度和压力相对稳定，保持水合物稳定。

应当注意，推进器6、止逆阀阵列、和声波传感器可由控制系统8自动控制，也可以通过连接悬浮球11的电缆手动控制。

在特种收集罩内切圆半径为3.25m时，收集水合物分解后在标准大气压下的体积约为120πr³＝12934.6m³，相当于平均通量为8.7mL/min的单个冷泉渗漏点在一天内的渗漏量。在三个冷泉渗漏点上，分别放置内切圆半径为3.25m的气泡采集装置，所采天然气总量大于在2022年3月18日中国海域天然气水合物第二轮试采日产气量，2.87万立方米。在海底找到122个平均通量约8.7mL/min的冷泉渗漏点，可实现全年日采集量维持在2.87万立方米的水平。而气泡采集装置的制作维护成本远低于海域天然气水合物钻井开采的成本。

本发明实施例提供的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的工作原理如下：

1)框架结构：用于对整体结构进行支撑，保证整个装置的稳固，避免在移动和采集过程中出现不稳定的情况。

2)特种收集罩：悬挂安装在框架结构内部，用于罩定冷泉渗漏点和存放天然气水合物。当气泡进入特种收集罩后，气泡会在罩内重新形成水合物，方便采集和储存。

3)底座：紧密在框架结构下端，用于对整体结构进行承托和配重。

4)止逆阀阵列：安装在底座底面，用于打开和关闭底座下底面，在采集气泡时使气泡进入特种收集罩内，在回收整体装置时关闭底座下底面。

5)推进模块：安装在底座外侧，利用推进器推动整体装置进行移动。推进模块可以根据需要进行调整和控制，以保证整个装置的移动方向。

6)位置探测模块：安装在底座外侧，利用声波传感器探测渗漏点位置。位置探测模块可以实时监测渗漏点位置，确定采集点位置，以便使装置准确降落到渗漏点位置。

7)控制系统：安装在底座外壁内，用于对整体装置的运行进行控制。控制系统可以根据位置探测模块的反馈信息，控制止逆阀阵列和推进模块。

8)电池组：安装在底座外壁内，用于为整体装置提供电能。电池组可以保证装置在野外工作时，能够持续地运行，不受外界条件的限制。

综上所述，该装置利用位置探测模块实时监测渗漏点位置，通过控制推进模块的移动，使渗漏点气泡进入特种收集罩内，从而实现冷泉渗漏点气泡采集。同时，该装置具有可移动性和自主性，能够适应不同的采集环境和条件，提高采集效率和精度。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述装置包括：

框架结构，用于对整体结构进行支撑；

特种收集罩，悬挂安装在框架结构内部，用于罩定冷泉渗漏点和存放天然气水合物；

底座，紧密在框架结构下端，用于对整体结构进行承托和配重，

止逆阀阵列，安装在底座底面，用于使气泡进入特种收集罩内；

推进模块，安装在底座外侧，用于利用推进器推动整体装置进行移动；

位置探测模块，安装在底座外侧，用于利用声波传感器探测渗漏点位置；

控制系统，安装在底座外壁内，用于对整体装置的运行进行控制；

电池组，安装在底座外壁内，用于为整体装置提供电能。

2.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述框架结构上底连接有绳索，所述绳索上部连接悬浮球，所述框架结构下底用卡扣卡在底座上，所述控制系统连接有电缆，所述电缆另外一端固定在悬浮球内。

3.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述框架结构上下底呈闭环状，上底闭环半径远小于下底闭环半径，两个闭环之间用等间隔的曲杆连接，所述曲杆下侧安装卡扣，用于连接下方底座，所述上底闭环外侧连接对称分布的小圆环，用于连接绳索。

4.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述底座整体为筒状，所述底座的上底形状与框架结构下底形状相同，所述底座的上底开口处筒壁的外半径逐渐增大，然后保持固定值不变，框架下底闭环介于所述底座筒壁上底开口的内外半径之间，用于将框架结构牢固密封地卡在所述底座上。

5.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述底座整体保持一定重量，防止特种收集罩装满后设备整体浮动不稳定。

6.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述特种收集罩由三层材料构成，包括外部高强度防水面料、中间保温面料和内部光滑防水合物粘连面料。

7.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述特种收集罩用固定器悬挂于框架结构内，所述特种收集罩下底面与框架结构下底面形状相同，所述特种收集罩顶部连接防水布料筒，所述防水布料筒两端开口，所述防水布料筒半径小于框架结构上底闭环半径。

8.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述止逆阀阵列由多个置于底座下底面的片状止逆阀构成，所述片状止逆阀的片状止逆阀控制器内置于底座，多个片状止逆阀的宽度相等，长度大小不一，平行于底座底面并覆盖整个底面。

9.如权利要求1所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置，其特征在于，所述底座外侧安装有多个相同的推进器，多个推进器距底座底面距离相等且在外壁上均匀分布；所述底座外侧安装多个声波传感器，多个声波传感器距底座底面距离相等且在外壁上均匀分布。

10.一种实施如权利要求1～9任意一项所述的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的可移动式冷泉渗漏点气泡采集装置的控制方法，所述控制方法包括：

步骤一，在海底水合物稳定区，在海面通过绳索对整体装置下放，海水通过止逆阀阵列、流经特种收集罩、流经防水布料筒，下放时防水布料筒垂直于框架上底面；

步骤二，声波传感器探测渗漏点位置，推进器推动整体装置调整方位，使整体装置准确降落到渗漏点上，然后防水布料筒自然下垂关闭特种收集罩上部通道；

步骤三，止逆阀控制器打开止逆阀阵列，气泡通过止逆阀阵列进入特种收集罩，在特种收集罩上部汇集并形成水合物；

步骤四，采集一段时间后，止逆阀阵列全部关闭，通过绳索对整体装置进行回收。