CN105822267B - 一种开采深海天然气水合物的方法与开采装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了：一种开采深海天然气水合物的方法与开采装置。当前海底天然气水合物开发尚处于起步阶段，多用机械打捞、机械抽取、热水灌注、钻井平台收集等传统方法，成本较高，而且容易使得不稳定的天然气水合物过量分解，破坏海底地形，本发明在热水灌注法基础上，直接在水底布置可移动的喇叭口形集气罩群和集气管网，防止泄漏，通过升温、减压等途径使天然气水合物在海底气化，由集气罩收集气泡直通海面平台或岛礁储库。升温的热源可以来自沿岸或海岛上工厂的废热，同时综合利用固体矿产尾砂回填保护海底地形。具有节约能源，保护海底地形，废热、废渣综合利用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种海底天然气水合物的开采方法和开采设备的技术领域。具体而言，是一种综合利用废热、废渣分解天然气水合物实现工业化开采，并保护海底地形的开采方法和开采设备的技术领域。
背景技术
海底天然气水合物，尤其是海床天然气水合物开发尚处于起步阶段。天然气水合物在受热、减压条件下，会分解产生甲烷等气体。当前国内外主要用机械打捞、机械抽取、热水灌注、钻井平台收集等方法开采。其中，机械打捞法不仅破坏海底地形，废渣多，还容易造成泄漏；机械抽取法和热水灌注法改变天然气水合物储集层的温度和压强后容易造成水合物过量分解，引发海底塌陷；钻井平台收集前期投入大，且钻孔多不可移动，对海床天然气水合物的利用率低。
上述方法不但令精密设备损耗较快，成本较高，而且容易使得不稳定的天然气水合物过量分解。当海底天然气水合物大面积分解时，既浪费海床上分解的天然气水合物，又容易造成海底塌陷、滑坡，长远看还会使甲烷扩散入大气，加剧温室效应。综上，传统开采海底天然气水合物的方法成本较高，而且容易使得不稳定的天然气水合物过量分解，破坏海底地形，因此亟须一种提高天然气水合物利用率，减少泄露和海底地形破坏的开采方法，并设计改进的开采设备。
发明内容
本发明目的在于改善当前用机械打捞、机械抽取、热水灌注、钻井平台收集等传统开采方法使得不稳定的天然气水合物过量分解的问题，减少破坏海底地形，减少浪费，提高海床天然气水合物利用率，并提供一种综合利用废热、废渣的海底天然气水合物的开采方法和开采设备。
为实现上述目的，设计一种开采深海天然气水合物的方法，其包括：依据实际需气量大小决定利用海洋表层温水或冷却水废热分解深海天然气水合物，依据天然气水合物实际富集位置设置海面平台、岛礁储罐、海岸储库；设置热水塔以利用重力势能通过双层连通管内层管向海底注热水或回填泥浆；设置海床集气罩以防泄漏，集气罩由疏水性柔性膜材料或难溶吸水性纺织品制成，集气时展开呈下宽上窄的喇叭形；设置可移动且防堵塞的水下集气设备并通过双层连通管的外层管输送天然气气泡；综合利用固体矿产尾砂配制回填泥浆，采取随采随填固体矿产尾砂的防崩塌措施；其运行过程为：设备固定至水合物富集区或钻井，集气罩展开，双层连通管注入热水，天然气水合物分解，气泡被收集，气藏开采完毕，设备转移。
同时，设计一种开采深海天然气水合物的装置，其基本组成包括：
热水塔，所述热水塔高于海面，储存海洋表层温水以及来自至少包括海岸或岛屿工厂、水空调、钻井平台其中一种废热热源的冷却水，并通过管道向深海输送热水或回填泥浆；
双层连通管，所述双层连通管的内层管内60-120cm；外层管向上输送天然气气泡，内层管向下输送热水或钻井泥浆、回填泥浆；海底加热设备，所述海底加热设备包括直接用海面输送热水射流加热的被动加热和热水不足时提供电加热的主动加热设备；海底集气设备，所述海底集气设备为可移动且防堵塞的水下集气设备；海底固定及移动设备，所述海底固定及移动设备由底端为可折叠的支架、液压缸、控制泵、运动马达组成；海底预警设备，所述海底预警设备包括浊流预警设备、漏气预警设备、断裂预警设备、塌陷预警设备、堵塞预警设备；海面储存设备，所述海面储存设备包括海面平台、岛礁储罐、海岸储库；所述可移动且防堵塞的水下集气设备的结构包括：集气罩、骨架、供电设备、多于一个的马达，集气罩由疏水性柔性膜材料或难溶吸水性纺织品制成，集气时展开呈下宽上窄的喇叭形，骨架可折叠，供电设备电源采用金属-海水电池或浓差电池，多于一个的马达分别控制设备的展开、收起、移动；组合方式为：顶部连接双层连通管的射流管后端，底部固定于海底固定及移动设备；所述集气罩主体由热水喷管、锥形罩、防漏帷幕组成；热水喷管连接来自双层连通管内层末端的射流管，自外向内喷射热水，其方向与海床夹角调节范围在45°-90°范围；锥形罩引流气泡进入双层连通管外层；防漏帷幕呈自然下垂的窗帘形，在锥形罩最外侧隔档防止气泡泄漏；所述可移动且防堵塞的水下集气设备的防堵塞手段为：热水喷管连接双层连通管的连接处，双层连通管上窄下宽，外层管进气口设过滤网。
优选地，所述热水塔内壁漏斗形。
优选地，双层连通管特征在于：所述双层连通管的外层管为管壁环节状的含不锈钢螺旋夹丝橡胶管，向上输送天然气气泡；内层管为管壁平滑的夹玻璃纤维橡胶管，向下输送热水或热泥浆；外层管内壁与内层管外壁间用金属合金片或玻璃纤维固定；内层管底端为管径可变的射流管。
优选地，其中海底固定及移动设备的一种动力组合方案特征在于：所述海底固定及移动设备需固定时，液压缸、控制泵控制支架张开呈放射状楔入海底松散沉积物的支架；需移动时，液压缸、控制泵控制支架收起，运动马达带动桨叶或改变双层连通管末端射流管方向、射速，反冲推动海床所有设备移动。
优选地，其中海底固定及移动设备的一种机械结构组合方案特征在于：集气罩收敛端弯折闭合成筒形，内部设具有套管的钢丝，其与双层连通管连接处设伞骨形支架，支架收敛端设套管，顶端连接集气罩收敛端钢丝，底端连接海底固定及移动设备的放射状支架。当集气罩的固定及移动设备楔入海底时，套管凭借惯性继续向下运动撑开海底固定及移动设备的放射状支架，上部伞骨形支架收敛，使钢丝缚紧。
配套地，提供一种双层钻井用套管，所述双层钻井用套管分为外层、内层，两层间用镀锌不锈钢丝连接；外层外壁光滑，内层内壁固定倒置的截角叠锥形管，锥面倾角大于等于79°58’；每隔3-5个叠锥间隙留有出气孔，管底端开口为边缘以锌片焊接的喇叭形壳，半径等于外层半径；下套管前以压实的含铁40％，含透石膏或碳酸钙60％的粉末块填充底端开口。
备选地，提供一种用固体矿产尾砂配制的回填用泥浆，其特征及回填方法如下表：
优选地，当天然气水合物气藏距岛礁较近时，设置岛礁储库作为海面储存设备。
从上述关于本发明的描述、实践内容可知，本发明提供的一种海底天然气水合物的开采方法与现有技术相比，其有益效果在于：缓解不稳定的天然气水合物在海底尤其是海床过量分解不易收集的问题，避免了天然气水合物堵塞管道的问题，减少管道断裂的概率，减少因海底崩塌造成的海底地形破坏，减少因天然气泄漏带来的浪费，综合利用废热、废渣，符合环保可持续发展的要求。
附图说明
图1是本发明其中一个实施例的示意图。
附图标记：1：热水塔，2：双层连通管，3：集气罩，4：海底固定及移动设备，5：海面储存设备。
图2是本发明双层连通管的纵截面示意图。
附图标记：2.1：外层管，2.2：内层管，2.3：金属丝，2.4：玻璃纤维。
图3是本发明海底集气设备的集气罩展开并和双层连通管组合的示意图。
附图标记：3.1：外层管进气口，3.2：射流管，3.3：连接处，3.4：热水喷管，3.5：锥形罩，3.6：防漏帷幕。
图4是双层钻井用套管的纵截面示意图。
附图标记：4.1：外层，4.2：内层，4.3：填充物，4.4：底端开口。
具体实施方式
为了令本发明的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图中涉及的具体实施方式对本发明的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明直接在有天然气水合物的水底布置可移动的喇叭口形集气罩(3)群和集气管网，防止分解的天然气泄漏，也防止管道内产生的水合物堵塞收集管。收集管为双层，内层自海面向海底注入温水，连通集气罩(3)尖端，通过升温使天然气水合物在海底气化，由集气罩(3)收集天然气，自收集管外层直通海面平台或岛礁储库。升温的热源优先地采用来自平台空调系统、母船冷却水或海岛工厂的废热，需气量较小时也可使用海洋表层温水。为了防止钻井采空造成海底崩塌，选用成本低、密度大、颗粒细的接触交代型铁矿尾砂配制钻井泥浆并回填。
一种开采深海天然气水合物的方法，其包括：依据实际需气量大小决定利用海洋表层温水或冷却水废热分解深海天然气水合物，依据天然气水合物实际富集位置设置海面平台、岛礁储罐、海岸储库；设置热水塔(1)以利用重力势能通过双层连通管内层管(2.2)向海底注热水或回填泥浆；设置海床集气罩(3)以防泄漏，集气罩(3)由疏水性柔性膜材料或难溶吸水性纺织品制成，集气时展开呈下宽上窄的喇叭形；设置可移动且防堵塞的水下集气设备并通过双层连通管(2)的外层管(2.1)输送天然气气泡；综合利用固体矿产尾砂配制回填泥浆，采取随采随填固体矿产尾砂的防崩塌措施。
同时，设计一种开采深海天然气水合物的装置，其基本组成包括：
热水塔(1)，所述热水塔(1)高于海面，储存海洋表层温水以及至少包括来自海岸或岛屿工厂、水空调、钻井平台其中一种废热热源的冷却水，并通过管道向深海输送热水；
双层连通管(2)，所述双层连通管(2)的外层管(2.1)向上输送天然气气泡，内层管(2.2)向下输送热水或钻井泥浆、回填泥浆；
海底加热设备，所述海底加热设备包括直接用海面输送热水射流加热的被动加热和热水不足时提供电加热的主动加热设备；
海底集气设备，所述海底集气设备为可移动且防堵塞的水下集气设备；
海底固定及移动设备(4)，所述海底固定及移动设备(4)由底端为可折叠的支架、液压缸、控制泵、运动马达组成；
海底预警设备，所述海底预警设备包括浊流预警设备、漏气预警设备、断裂预警设备、塌陷预警设备、堵塞预警设备；
海面储存设备(5)，所述海面储存设备(5)包括海面平台、岛礁储罐、海岸储库。
优选地，所述热水塔(1)内壁漏斗形。
优选地，所述双层连通管(2)的外层管(2.1)为管壁环节状的含不锈钢螺旋夹丝橡胶管，向上输送天然气气泡；内层管(2.2)为管壁平滑的夹玻璃纤维橡胶管，向下输送热水或热泥浆；外层管(2.1)内壁与内层管(2.2)外壁间用金属合金片或玻璃纤维固定；内层管(2.2)底端为管径可变的射流管(3.2)。
优选地，所述可移动且防堵塞的水下集气设备的组合方式为：顶部连接双层连通管(2)的射流管(3.2)后端，底部固定于海底固定及移动设备(4)；其结构包括：集气罩(3)、骨架、供电设备、多于一个马达，集气罩(3)由疏水性柔性膜材料或难溶吸水性纺织品(如覆铝聚乙烯膜或PET纤维织物)制成，集气时展开呈下宽上窄的喇叭形，骨架可折叠，供电设备电源采用金属-海水电池或浓差电池，多于一个马达分别控制设备的展开、收起、移动；其防堵塞手段为：热水喷管(3.4)连接双层连通管(2)的连接处(3.3)，双层连通管(2)上窄下宽，外层管(2.1)进气口(3.1)设过滤网，防止堵塞；其运行过程为：设备固定至水合物富集区或钻井，集气罩(3)展开，双层连通管(2)注入热水，天然气水合物分解，气泡被收集，气藏开采完毕，设备转移。
优选地，所述集气罩(3)主体由热水喷管、锥形罩(3.5)、防漏帷幕(3.6)组成；热水喷管(3.4)连接来自双层连通管(2)内层末端的射流管(3.2)，自外向内喷射热水，其方向与海床夹角调节范围在45°-90°范围；锥形罩(3.5)引流气泡进入双层连通管(2)外层；防漏帷幕(3.6)呈自然下垂的窗帘形，在锥形罩(3.5)最外侧隔档防止气泡泄漏。
优选地，其中海底固定及移动设备(4)的一种动力组合方案特征在于：所述海底固定及移动设备(4)需固定时，液压缸、控制泵控制支架张开呈放射状楔入海底松散沉积物的支架；需移动时，液压缸、控制泵控制支架收起，运动马达带动桨叶或改变双层连通管(2)末端射流管方向、射速，反冲推动海床所有设备移动。
优选地，其中海底固定及移动设备(4)的一种机械结构组合方案特征在于：集气罩(3)收敛端弯折闭合成筒形，内部设包覆于套管的钢丝，其与双层连通管(2)连接处设伞骨形支架，支架收敛端设套管，顶端连接集气罩(3)收敛端钢丝，底端连接海底固定及移动设备(4)的放射状支架。当集气罩(3)的固定及移动设备楔入海底时，套管凭借惯性继续向下运动撑开海底固定及移动设备(4)的放射状支架，上部伞骨形支架收敛，使钢丝缚紧。
配套地，提供一种双层钻井用套管，所述双层钻井用套管分为外层(4.1)、内层(4.2)，两层间用镀锌不锈钢丝连接；外层(4.1)外壁光滑，内层(4.2)内壁固定倒置的截角叠锥形管，锥面倾角大于等于79°58’；每隔3-5个叠锥间隙留有出气孔，管底端开口为边缘以锌片焊接的喇叭形壳，半径等于外层半径；下套管前以压实的含铁40％，含透石膏或碳酸钙60％的粉末块填充物(4.3)填充底端开口(4.4)。
备选地，提供一种用固体矿产尾砂配制的回填用泥浆，其特征及回填方法如下表：
上述方案，仅为本申请较佳的实施方式的描述，但是本申请的保护范围不仅限于此，任何熟悉该技术的人能在本申请描述的范围内轻易实现，或不改变权利要求涉及基本原理的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内，即本申请保护范围以权利要求保护范围为准。
Claims (7)
1.一种开采深海天然气水合物的方法，其特征在于，包括：依据实际需气量大小决定利用海洋表层温水或冷却水废热分解深海天然气水合物，依据天然气水合物实际富集位置设置海面平台、岛礁储罐、海岸储库；设置热水塔以利用重力势能通过双层连通管内层管向海底注热水或回填泥浆；设置海床集气罩以防泄漏，集气罩由疏水性柔性膜材料或难溶吸水性纺织品制成，集气时展开呈下宽上窄的喇叭形；设置可移动且防堵塞的水下集气设备并通过双层连通管的外层管输送天然气气泡；综合利用固体矿产尾砂配制回填泥浆，采取随采随填固体矿产尾砂的防崩塌措施；所述可移动且防堵塞的水下集气设备的运行过程为：设备固定至水合物富集区或钻井，集气罩展开，双层连通管注入热水，天然气水合物分解，气泡被收集，气藏开采完毕，设备转移。
2.一种开采深海天然气水合物的装置，其特征在于，基本组成包括：
热水塔，所述热水塔高于海面，储存海洋表层温水以及来自至少包括海岸或岛屿工厂、水空调、钻井平台其中一种废热热源的冷却水，并通过管道向深海输送热水或回填泥浆；
双层连通管，所述双层连通管的内层管内径60-120cm；外层管向上输送天然气气泡，内层管向下输送热水或钻井泥浆、回填泥浆；
海底加热设备，所述海底加热设备包括直接用海面输送热水射流加热的被动加热和热水不足时提供电加热的主动加热设备；
海底集气设备，所述海底集气设备为可移动且防堵塞的水下集气设备；
海底固定及移动设备，所述海底固定及移动设备由底端为可折叠的支架、液压缸、控制泵、运动马达组成；
海底预警设备，所述海底预警设备包括浊流预警设备、漏气预警设备、断裂预警设备、塌陷预警设备、堵塞预警设备；
海面储存设备，所述海面储存设备包括海面平台、岛礁储罐、海岸储库；
所述可移动且防堵塞的水下集气设备的结构包括：集气罩、骨架、供电设备、多于一个的马达，集气罩由疏水性柔性膜材料或难溶吸水性纺织品制成，集气时展开呈下宽上窄的喇叭形，骨架可折叠，供电设备电源采用金属-海水电池或浓差电池，多于一个的马达分别控制设备的展开、收起、移动；组合方式为：顶部连接双层连通管的射流管后端，底部固定于海底固定及移动设备；
所述集气罩至少包括热水喷管、锥形罩、防漏帷幕；热水喷管连接来自双层连通管内层末端的射流管，自外向内喷射热水，其方向与海床夹角调节范围在45°-90°范围；锥形罩引流气泡进入双层连通管外层；防漏帷幕呈自然下垂的窗帘形，在锥形罩最外侧隔档防止气泡泄漏；
所述可移动且防堵塞的水下集气设备的防堵塞手段为：热水喷管连接双层连通管的连接处，双层连通管上窄下宽，外层管进气口设过滤网。
3.如权利要求2所述的一种开采深海天然气水合物的装置，其特征在于：
所述热水塔内壁漏斗形。
4.如权利要求2所述的一种开采深海天然气水合物的装置，其特征在于：
所述双层连通管的外层管为管壁环节状的含不锈钢螺旋夹丝橡胶管，向上输送天然气气泡；内层管为管壁平滑的夹玻璃纤维橡胶管，向下输送热水或热的钻井泥浆、或热的回填泥浆；外层管内壁与内层管外壁间用金属合金片或玻璃纤维固定；内层管底端为管径可变的射流管。
5.如权利要求2所述的一种开采深海天然气水合物的装置，其中海底固定及移动设备的一种动力组合方案特征在于：
所述海底固定及移动设备需固定时，液压缸、控制泵控制支架张开呈放射状楔入海底松散沉积物的支架；需移动时，液压缸、控制泵控制支架收起，运动马达带动桨叶或改变双层连通管末端射流管方向、射速，反冲推动海床所有设备移动。
6.如权利要求2所述的一种开采深海天然气水合物的装置，其中海底固定及移动设备的一种机械结构组合方案特征在于：
集气罩收敛端弯折闭合成筒形，内部设具有套管的钢丝，集气罩与双层连通管连接处设伞骨形支架，支架收敛端设套管，顶端连接集气罩收敛端钢丝，底端连接海底固定及移动设备的放射状支架，当集气罩的海底固定及移动设备楔入海底时，套管凭借惯性继续向下运动撑开海底固定及移动设备的放射状支架，上部伞骨形支架收敛，使钢丝缚紧。
7.一种用固体矿产尾砂配制的回填泥浆，其特征及回填方法如下表：
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