CN103352676A - 一种海底可燃冰的开采装置及开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种海底可燃冰的开采装置，包括动力定位采集平台，其中，动力定位采集平台上设置有至少一个升降台，升降台上连接有采集管，该采集管由连接管依次连接构成，采集管的底端设置有采集吸头，采集管上设置有至少一个泵室，泵室内安装有用于提供动力的液压马达与用于输送海水和可燃冰的液压泵，液压泵上连接有出料管，出料管与储液罐相连接，该出料管上设置有支管，支管与用于储存海水的储存罐相连接，采集管上设置有排气管，排气管上设置有排气阀，该排气管经过加压设备与所述储液罐相连接，其通过降压法，使固态可燃冰液化成液态可燃冰，并从管道直接运出的方法完成开采。本发明的优点在于：装置简单，操作方便，且不会对海洋环境造成污染。
Description
技术领域
本发明涉及能源开采领域，尤其是一种海底可燃冰的开采装置及开采方法。
背景技术
可燃冰，即天然气水合物，又可称为“固体瓦斯”，它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物；形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物；由于其主要成分为甲烷，可燃冰能够作为一种能源使用，在全球煤炭、石油存量日益减少的情况下，寻找新能源成为全球的研究热点。
可燃冰的开采方法包括以下三种：
热激发开采法：热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。
减压开采法：减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种：①采用低密度泥浆钻井达到减压目的；②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时，通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力。减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采，是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。
化学试剂注入开采法：化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。这种方法虽然可降低初期能量输入，但缺陷却很明显，它所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以，对这种方法投入的研究相对较少。
海底蕴藏着丰富的可燃冰资源，在海底的可燃冰开采时，热激发开采法的热量和化学试剂注入开采法使用的化学试剂均会对海水造成污染，长期开采会对海洋环境造成严重的破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供装置简单，操作方便的一种海底可燃冰的开采装置及开采方法,其通过抽取装置内的海水而形成局部低压，当压力低于固态可燃冰的液化压力，固态可燃冰液化成液态可燃冰，并从管道直接运出，该开采方法不会对海洋环境造成污染。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种海底可燃冰的开采装置，包括动力定位采集平台，其中，动力定位采集平台上设置有至少一个升降台，升降台上连接有采集管，该采集管由连接管依次连接构成，采集管的底端设置有采集吸头，采集管上设置有至少一个泵室，泵室内安装有用于提供动力的液压马达与用于输送海水和可燃冰的液压泵，液压泵上连接有出料管，出料管与储液罐相连接，该出料管上设置有支管，支管与用于储存海水的储存罐相连接，采集管上设置有排气管，排气管上设置有排气阀，该排气管经过加压设备与所述储液罐相连接。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的泵室的直径大于采集吸头的直径。
上述的采集管上设置有二个泵室，该泵室内分别设置有液压马达和液压泵，泵室内的液压泵串联连接。
上述的采集吸头呈半球形结构，采集吸头外设置密封裙。
上述的泵室呈球形结构。
上述的升降台与所述采集管之间拆卸配合。
上述的采集管上设置有平衡环。
上述的采集管外壁上固定有浮管,浮管内安装有排水泵。
上述的储存罐的底部设置有排水管，排水管上设置有排水阀，该排水管与所述采集管相连通。
一种海底可燃冰的开采装置的开采方法，包括以下步骤：
步骤1、连接装置，将采集管与动力定位采集平台上的升降台连接，使采集管底端的采集吸头与海底的固态可燃冰相接触；
步骤2、装置连接完成后，启动泵室内的液压泵，液压泵将采集管中的海水抽出并通过出料管输送至储存罐，使采集吸头内形成局部低压；
步骤3、采集吸头内形成局部低压后，采集吸头内的固态可燃冰液化成液态可燃冰，并逐渐上浮；
步骤4、固态可燃冰液化部分形成空洞，采集吸头下降并陷入该空洞内，升降台和采集管随之下降，直到泵室堵住空洞口；
步骤5、液化形成的液态可燃冰一部分被液压泵抽取，通过出料管输送至储液罐，剩余部分继续上浮，上浮过程中，所受压力降低液态可燃冰气化成气态可燃冰，气态可燃冰通过采集管顶部的排气管经加压设备加压液化后输送至储液罐。
与现有技术相比，本发明的一种海底可燃冰的开采装置及开采方法，采用降压法开采海底可燃冰，避免了加热法或化学试剂法可能对海水造成的污染，其通过采集吸头接触固态可燃冰而形成开采空间，通过液压泵抽取采集管内的海水而降低开采空间内压力，使其形成局部低压，当开采空间内的压力低于固态可燃冰的液化压力，固态可燃冰液化成液态可燃冰，一部分液态可燃冰被液压泵抽取直接送至储液罐，剩余部分的液态可燃冰上浮气化成气态可燃冰，气态可燃冰通过排气管经加压设备加压液化后再输送至储液罐；
此外，采集管上设置有平衡环，使采集装置能很好地克服海浪产生的影响；升降台与采集管之间拆卸配合，在风浪很大的情况下，能将采集管与升降台脱离，动力定位采集平台驶离开采区域，而只将采集管留在开采区域，待风浪小后，升降台与采集管重新连接继续开采。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1中I部放大图；
图3是图1中Ⅱ部放大图；
图4是本发明实施例的应用状态图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1至图4所示为本发明的示意图，
其中的附图标记为：固态可燃冰A、液态可燃冰B、海水C、空洞D、动力定位采集平台1、升降台11、采集管2、浮管21、排水泵21a、平衡环22、采集吸头3、储液罐4、储存罐5、排水管51、排水阀52、泵室6、液压马达61、液压泵62、出料管7、支管71、排气管8、排气阀81、加压设备9。
一种海底可燃冰的开采装置，包括动力定位采集平台1，其中，动力定位采集平台1上设置有升降台11，升降台11的数量根据实际开采需要以及海底可燃冰的储量而定，升降台11由定力矩绞车拖动实现升降；升降台11上连接有采集管2，该采集管2由连接管依次连接构成，采集管2的底端设置有采集吸头3，采集管2上设置有泵室6，泵室6内安装有用于提供动力的液压马达61与用于输送海水和可燃冰的液压泵62，液压泵62上连接有出料管7，出料管7与储液罐4相连接，该出料管7上设置有支管71，支管71与用于储存海水的储存罐5相连接，采集管2上设置有排气管8，排气管8上设置有排气阀81，该排气管8经过加压设备9与所述储液罐4相连接。
实施例中，泵室6的直径大于采集吸头3的直径。
实施例中，采集管2上设置有二个泵室6，该泵室6内分别设置有液压马达61和液压泵62，泵室6内的液压泵62串联连接，当采用多个泵室6的结构时，泵室6的直径从下至上，逐个增大。
实施例中，采集吸头3呈半球形结构，采集吸头外设置有密封裙31，密封裙31在开采开始阶段起到密封作用，该密封裙31可由多层橡胶构成。
实施例中，泵室6呈球形结构。
实施例中，升降台11与所述采集管2之间拆卸配合。
实施例中，采集管2上设置有平衡环22；平衡环22的设置可以使采集管2的连接处在水平方向自由活动，可有效克服在海中开采时海浪起伏所带来的影响。
实施例中，采集管2外壁上固定有浮管21,浮管21内安装有排水泵21a。
实施例中，储存罐5的底部设置有排水管51，排水管51上设置有排水阀52，该排水管51与所述采集管2相连通。
因为需在海底完成开采工作，装置所受的压力与所处深度成正比，为了保证装置的承压能力，故采集吸头3采用半球形结构；而泵室6采用球形结构，即保证了其承压能力，也使其内部空间尽可能的大。
泵室6内安装有液压马达61与液压泵62，液压泵62上连接有出料管7，出料管7置于采集管2内，因采集管2内充满海水，为了保证设备的使用安全和使用寿命，不能选用电力马达，而需选用液压马达61；出料管7的上端与储液罐4相连接，出料管7的上端设置有一支管71，该支管71与用于储存海水的储存罐5相连接，由于海水存在压力，无法将抽取的海水直接排到海中，而当固态可燃冰A液化后，液压泵62抽取的海水中可能会夹杂有液态可燃冰B，为了避免液态可燃冰B的浪费，因此将抽取的海水暂时储存于储存罐5中，储存罐5的底部设置有排水管51，当储存罐5内储存满海水后，可打开排水管51上的排水阀52，将海水放回采集管2中。
海上作业受海浪影响较大，采集管2上设置有平衡环22，能够有效克服海浪的影响，使装置在海浪中也能实现平稳开采；遇到风浪很大的情况下，还能将采集管2与升降台11脱离，让动力定位采集平台1驶离开采区域，以保证动力定位采集平台1以及工作人员的安全。
采集管2外壁上固定有浮管21,浮管21内安装有排水泵21a，浮管21的长度可根据需要而定，浮管21可由浮管连接管连接而成；在采集管2和浮管21安装到位后，启动排水泵21a将采集管2内的海水抽出，使浮管21能为浮子，使采集管2的升降和起吊变得更加容易。
如图4所示，一种海底可燃冰的开采装置的开采方法，包括以下步骤：
步骤1、连接装置，将采集管2与动力定位采集平台1上的升降台11连接，使采集管2底端的采集吸头3与海底的固态可燃冰A相接触；
步骤2、装置连接完成后，启动泵室6内的液压泵62，液压泵62将采集管2中的海水C抽出并通过出料管7输送至储存罐5，使采集吸头3内形成局部低压；
步骤3、采集吸头3内形成局部低压后，采集吸头3内的固态可燃冰A液化成液态可燃冰B，并逐渐上浮；
步骤4、固态可燃冰A液化部分形成空洞D，采集吸头3下降并陷入该空洞D内，升降台11和采集管2随之下降，直到泵室6堵住空洞口；
步骤5、液化形成的液态可燃冰B一部分被液压泵62抽取，通过出料管7输送至储液罐4，剩余部分继续上浮，上浮过程中，所受压力降低液态可燃冰B气化成气态可燃冰，气态可燃冰通过采集管2顶部的排气管8经加压设备9加压液化后输送至储液罐4。
工作原理：P=ρgh，其中P表示所受压力，ρ表示海水密度，g为重力常数，h表示所处深度，从上述的压力公式可以得出，所受压力与所处深度成正比，而固态可燃冰A必须保证高压环境才能稳定存在，一旦压力降低到液化压力时，即开始液化形成液态可燃冰B，当压力继续降低至气化压力时，液态可燃冰B将气化形成气态可燃冰。
基于以上理论基础，动力定位采集平台1行驶到开采区域上方海域，连接开采装置，将采集管2放入海底，使采集管2底端的采集吸头3与海底的固态可燃冰A相接触，调节升降台11，使采集吸头3紧压固态可燃冰A表面而形成开采空间，而采集吸头3外的密封裙31受水压作用而使采集吸头3周围密封，从而保证开采的顺利进行，然后启动液压马达61和液压泵62，通过液压泵62抽取采集管2内的海水C，抽取的海水C通过出料管7以及支管71输送至储存罐5中；采集管2内的海水C被抽出，采集管2内的水位下降从而使采集管2内压力降低，使采集管2内形成局部低压，当压力下降至液化压力时，固态可燃冰A液化成液态可燃冰B，由于液态可燃冰B的密度比海水C小，液态可燃冰B将上浮，在上浮过程中，一部分液态可燃冰B被液压泵62抽取，此时，切换出料管7出口，被抽取的液态可燃冰B经出料管7直接输送至储液罐4中，而剩余部分的液态可燃冰B继续上浮，继续上浮过程中，压力不断降低，当其所受压力低于液态可燃冰B的气化压力时，液态可燃冰B气化成气态可燃冰，气态可燃冰上升至采集管2顶部，并从采集管2顶部的排气管8经加压设备9加压液化后输送至储液罐4；固态可燃冰A液化成液态可燃冰B后，采集吸头3附近区域形成空洞D，调节升降台11，使采集吸头3下降陷入到该空洞D内，此时，密封裙31上翻后置于空洞D内，采集吸头3不断下降直到最下面的泵室6堵住空洞口，使空洞D内再次形成开采空间继续开采。
本发明的开采装置可在动力定位采集平台1上设置多个升降台11，每个升降台11分别连接采集管2进行同时开采；当一开采区域开采完成后，可将采集管2提起，然后移动动力定位采集平台1至另一开采区域进行开采，十分方便。
在海中开采需要解决定位问题及克服海浪的影响，本发明的开采装置通过动力定位采集平台1完成定位，为了克服的海浪的影响，采用平衡环22实现水平方向的自由活动，采用升降台11实现垂直方向的自由活动；由于采集吸头3的直径有限，在一个开采点所能开采的可燃冰的体积有限，本发明的采集管2外固定有浮管21，将浮管21内的海水抽取后形成浮子，浮子产生的浮力可以大大减小采集管2吊起时所需要做的功，使采集管2的起吊变的方便，从而提高开采点转移的速度。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (10)
1.一种海底可燃冰的开采装置，包括动力定位采集平台(1)，其特征是：所述的动力定位采集平台(1)上设置有至少一个升降台(11)，所述的升降台(11)上连接有采集管(2)，该采集管(2)由连接管依次连接构成，所述的采集管(2)的底端设置有采集吸头(3)，所述的采集管(2)上设置有至少一个泵室(6)，所述的泵室(6)内安装有用于提供动力的液压马达(61)与用于输送海水和可燃冰的液压泵(62)，所述的液压泵(62)上连接有出料管(7)，所述的出料管(7)与储液罐(4)相连接，该出料管(7)上设置有支管(71)，所述的支管(71)与用于储存海水的储存罐(5)相连接，所述的采集管(2)上设置有排气管(8)，所述的排气管(8)上设置有排气阀(81)，该排气管(8)经过加压设备(9)与所述储液罐(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的泵室(6)的直径大于采集吸头(3)的直径。
3.根据权利要求2所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的采集管(2)上设置有二个泵室(6)，该泵室(6)内分别设置有液压马达(61)和液压泵(62)，所述的泵室(6)内的液压泵(62)串联连接。
4.根据权利要求3所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的采集吸头(3)呈半球形结构，所述的采集吸头(3)外设置密封裙(31)。
5.根据权利要求4所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的泵室(6)呈球形结构。
6.根据权利要求5所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的升降台(11)与所述采集管(2)之间拆卸配合。
7.根据权利要求6所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的采集管(2)上设置有平衡环(22)。
8.根据权利要求7所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的采集管(2)外壁上固定有浮管(21),所述的浮管(21)内安装有排水泵(21a)。
9.根据权利要求8所述的一种海底可燃冰的开采装置，其特征是:所述的储存罐(5)的底部设置有排水管(51)，所述的排水管(51)上设置有排水阀(52)，该排水管(51)与所述采集管(2)相连通。
10.根据权利要求1所述的一种海底可燃冰的开采装置的开采方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1、连接装置，将采集管(2)与动力定位采集平台(1)上的升降台(11)连接，使采集管(2)底端的采集吸头(3)与海底的固态可燃冰(A)相接触；
步骤2、装置连接完成后，启动泵室(6)内的液压泵(62)，所述的液压泵(62)将采集管(2)中的海水(C)抽出并通过出料管(7)输送至储存罐(5)，使采集吸头(3)内形成局部低压；
步骤3、采集吸头(3)内形成局部低压后，采集吸头(3)内的固态可燃冰(A)液化成液态可燃冰(B)，并逐渐上浮；
步骤4、固态可燃冰(A)液化部分形成空洞(D)，所述的采集吸头(3)下降并陷入该空洞(D)内，升降台(11)和采集管(2)随之下降，直到泵室(6)堵住空洞口；
步骤5、液化形成的液态可燃冰(B)一部分被液压泵(62)抽取，通过出料管(7)输送至储液罐(4)，剩余部分继续上浮，上浮过程中，所受压力降低液态可燃冰(B)气化成气态可燃冰，气态可燃冰通过采集管(2)顶部的排气管(8)经加压设备(9)加压液化后输送至储液罐(4)。
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