CN106939780B - 一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置及方法 - Google Patents
一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，它包括水力射流喷嘴组合、连续软管、设置于海面上的水合物收集船、设置于海水中的中转站、设置于海底表面层内的隔水导管，隔水导管内设置有导向座，导向座内设置有水力射流喷嘴组合，喷嘴本体的外部套设有与中转站连接的输送管，输送管与喷嘴本体的接触处设置有开口，中转站与水合物收集船连接，连续软管的一端连接在水合物收集船上，另一端自上而下贯穿输送管且连通喷嘴本体的流道；它还公开了海底浅层非成岩水合物的采集方法。本发明的有益效果是：节约了能源、避免对海洋造成污染、降低天然气的开采成本、采集效率高。
Description
技术领域
本发明涉及到海底天然气水合物开采技术领域，特别是一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置及方法。
背景技术
天然气水合物又称“可燃冰”，由甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力条件下形成的“笼型化合物”，呈白色晶状结构。其碳含量相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍。因此，天然气水合物特别是海洋天然气水合物被普遍认为将是21世纪替代煤炭、石油和天然气的新型的洁净的能源资源，同时也是目前尚未开发的储量大的一种新能源。
按照水合物分解气化后矿层的骨架结构是否能够保持不散不塌（能够承力），海底天然气水合物矿层可分为成岩型与非成岩型两类；目前主流意见认为成岩型水合物较非成岩型在技术层面更容易实现开采，但海底水合物绝大多数是非成岩型。
目前，国内外考虑用于开采水合物的主要方法有注热法、降压法、二氧化碳置换法、注化学试剂法等，这些开采方式要求水合物上层具有良好的封闭盖层，封闭盖层厚度大、结构坚实，且矿层本身在水合物开采分解后矿层骨架仍能够保持不散即成岩型水合物矿层，否则当水合物分解出气体后，矿层的骨架结构将不复存在，且分解产生的大量气体将会改变地层压力，且上述开采方法不能有效地控制水合物的分解速度、矿层空间上的分解范围，将有可能引发地质环境灾害，因为一旦形成水合物分解连锁反应将引起重大灾难；另外一个风险是水合物分解气化后，如果封闭盖层不好，气体有可能穿透盖层发生扩散。综上上述开采方法至今仍未能有效解决上述问题，在商业化开采方面遥遥无期。
针对深海表面的天然气水合物，一些学者提出了“固态流化”的开采方法，该方法是在不主动改变海底水合物矿层温度和压力的情况下，即避免水合物发生分解，以及由此引起的环境、地质灾害，直接将天然气水合物破碎成固体颗粒，通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混合物泵送至海面，而后再进行分离、分解气化等处理。
固态流化为深海浅层非成岩天然气水合物的开采提供了新思路。目前针对海底表层的水合物开采装置为自行式采矿车，但是对于海底浅层具有一定埋深的水合物不适应经济性不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、节约了能源、避免对海洋造成污染、降低天然气的开采成本、采集效率高的海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，它包括水力射流喷嘴组合、连续软管、设置于海面上的水合物收集船、设置于海水中的中转站、设置于海底表面层内的隔水导管，所述的隔水导管内设置有导向座，导向座内设置有水力射流喷嘴组合，水力射流喷嘴组合包括喷嘴本体、套筒I、套筒II和喷头，喷嘴本体的右端部与套筒I的左端部连接，喷嘴本体内开设有与套筒I连通的流道，喷嘴本体的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与流道连通的斜向射流孔A，斜向射流孔A向左倾斜且与喷嘴本体偏心设置，套筒II由顺次连接的大轴和小轴连接组成，大轴设置于套筒I内且与其之间形成有间隙，大轴与喷嘴本体之间抵压有石棉过滤网，小轴沿套筒I的轴线贯穿套筒I设置，小轴与喷头连接，喷头的左端部开设有与套筒II连通的型腔，喷头的右端部设置有与型腔连通的轴向射流孔，喷头的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与型腔连通的斜向射流孔B，斜向射流孔B向右倾斜且与喷头偏心设置；所述的导向座内由上往下开设有直通道和L形通道，直通道与中转站之间通过管道连接，L形通道内设置有输送管，连续软管的一端连接在水合物收集船上，另一端自上而下贯穿管道且连通喷嘴本体的流道，输送管一端套在连续软管上，输送管的另一端套在喷嘴本体的外部，输送管的两端均设置有开口，所述的中转站与水合物收集船连接。
所述的喷嘴本体的右端部设置有外螺纹，套筒I的左端面上开设有螺纹孔，套筒I的螺纹孔与喷嘴本体的外螺纹连接。
所述的小轴的右端部设置有外螺纹，所述的型腔内设置有螺纹孔。
所述的喷头经螺纹孔与小轴的外螺纹连接固定于套筒II上。
所述的大轴的左右端面上均设置有过流通道。
所述的过流通道沿大轴的周向方向均匀分布。
所述的中转站为输送泵。
所述的装置固态流化开采海底浅层非成岩天然气水合物的方法，它包括以下步骤：
S1、下放隔水导管，利用喷射钻进的方法由海底表面层钻至水合物矿层，在钻好的井眼内下放隔水导管，隔水导管连接海底表面层和水合物矿层，形成钻井液循环通道同时隔绝海水，实现了隔水导管的下方；
S2、下入导向座，利用导向座控制钻进的方向，将井眼轨迹调整到水平模式；
S3、水力射流喷嘴组合的下放和安装，先将水力射流喷嘴组合下入导向座的L形通道的水平通道内，使水力射流喷嘴组合位于水合物矿层内，再利用连续软管将喷嘴本体的流道与水合物收集船连接，然后将输送管的一端套在喷嘴本体上，最后将管道与导向座的直道与中转站连接，从而实现了水力射流喷嘴组合的下方和安装；
S4、水合物的破碎，由水合物收集船向连续软管内通入高压海水，一部分高压海水顺次经流道、套筒I、套筒II、型腔内最后由轴向射流孔和斜向射流孔B喷射出，由轴向射流孔喷射出的高压射流水破碎水平方向的水合物，破碎后形成固体颗粒水合物，同时开辟前进的通道，而斜向射流孔B喷出的高压海水具有反向作用力，从而形成一个扭矩，进一步带动喷头及套筒II做旋转周向旋转运动，高压射流水扫过一个圆周或螺旋线，以破碎周向方向的水合物，形成固体颗粒水合物，在水合物矿层内形成圆柱状的破碎矿腔；而另一部分高压海水则从斜向射流孔A中喷射出，为整个水力射流喷嘴组合和连续软管提供前进的动力，同时向后射出的水流有助于前方破碎的固体颗粒水合物随着水流向后运动，有利于颗粒的收集；
S5、破碎后的固体颗粒水合物的采集，由斜向射流孔A中喷射出的水流带动固体颗粒水合物向后运动，经输送管上的左侧开口进入输送管道，沿输送管运动，由输送管道右侧开口流出并顺次经直通道、管道最后进入中转站内，最后由中转站输送到水合物收集船上收集，实现了破碎后的固体颗粒水合物的大量、高效采集。
本发明具有以下优点：（1）本发明结构紧凑、节约了能源、降低天然气的开采成本、采集效率高。（2）本发明不改变海底水合物矿层温度和压力，避免了水合物发生分解，以及由此引起的环境、地质灾害，而是直接将天然气水合物破碎成固体颗粒。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为水力射流喷嘴组合的结构示意图；
图3 为图2的右视图；
图4 为套筒II上过流通道的分布示意图；
图中，1-水力射流喷嘴组合，2-连续软管，3-水合物收集船，4-中转站，5-隔水导管，6-导向座，7-喷嘴本体，8-套筒I，9-套筒II，10-喷头，11-流道，12-斜向射流孔A，13-大轴，14-小轴，15-石棉过滤网，16-型腔，17-轴向射流孔，18-斜向射流孔B，19-过流通道，20-海底表面层，21-水合物矿层，22-输送管，23-海水，24-L形通道，25-管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~4所示，一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，它包括水力射流喷嘴组合1、连续软管2、设置于海面上的水合物收集船3、设置于海水中的中转站4、设置于海底表面层20内的隔水导管5，所述的隔水导管5内设置有导向座6，导向座6内设置有水力射流喷嘴组合1，导向座6能够精确的控制水力射流喷嘴组合1识别并进入水合物矿层21，确保钻具组合形成横向水平钻进，水力射流喷嘴组合1包括喷嘴本体7、套筒I8、套筒II9和喷头10，喷嘴本体7的右端部与套筒I8的左端部连接，喷嘴本体7内开设有与套筒I8连通的流道11，喷嘴本体7的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与流道11连通的斜向射流孔A12，斜向射流孔A12向左倾斜且与喷嘴本体7偏心设置，套筒II9由顺次连接的大轴13和小轴14连接组成，大轴13设置于套筒I8内且与其之间形成有间隙，大轴13与喷嘴本体7之间抵压有石棉过滤网15，所述的石棉过滤网15用于过滤高压海水中的大颗粒杂质。
如图1~4所示，小轴14沿套筒I8的轴线贯穿套筒I8设置，小轴14与喷头10连接，喷头10的左端部开设有与套筒II9连通的型腔16，喷头10的右端部设置有与型腔连通的轴向射流孔17，喷头10的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与型腔16连通的斜向射流孔B18，斜向射流孔B18向右倾斜且与喷头10偏心设置；所述的导向座6内由上往下开设有直通道和L形通道24，直通道与中转站4之间通过管道25连接，L形通道24内设置有输送管22，连续软管2的一端连接在水合物收集船3上，另一端自上而下贯穿管道25且连通喷嘴本体7的流道11，输送管22一端套在连续软管2上，输送管22的另一端套在喷嘴本体7的外部，输送管22的两端均设置有开口，所述的中转站4与水合物收集船3连接。
所述的喷嘴本体7的右端部设置有外螺纹，套筒I8的左端面上开设有螺纹孔，套筒I8的螺纹孔与喷嘴本体7的外螺纹连接，形成一个连接件。所述的小轴14的右端部设置有外螺纹，所述的型腔16内设置有螺纹孔。所述的喷头10经螺纹孔与小轴14的外螺纹连接固定于套筒II9上，形成另一个连接件。
所述的大轴13的左右端面上均设置有过流通道19，过流通道19沿大轴13的周向方向均匀分布，当向连续软管2内注入流体后，一小部分流体会通过石棉过滤网15到达大轴13左端面上的过流通道19上，当套筒II9旋转到一定角度后，大轴13右端面上的过流通道19与大轴13左端面上的过流通道19由缝隙连通，从而在大轴13的左右端面上形成水膜，起到了润滑和减小摩擦的效果，延长使用寿命。
如图1和图2所示，所述的装置固态流化开采海底浅层非成岩天然气水合物的方法，它包括以下步骤：
S1、下放隔水导管，利用喷射钻进的方法由海底表面层20钻至水合物矿层21，在钻好的井眼内下放隔水导管5，隔水导管5连接海底表面层和水合物矿层，形成钻井液循环通道同时隔绝海水，实现了隔水导管5的下方；
S2、下入导向座，利用导向座6控制钻进的方向，将井眼轨迹调整到水平模式；
S3、水力射流喷嘴组合1的下放和安装，先将水力射流喷嘴组合1下入导向座6的L形通道24的水平通道内，使水力射流喷嘴组合1位于水合物矿层21内，再利用连续软管2将喷嘴本体7的流道11与水合物收集船3连接，然后将输送管22的一端套在喷嘴本体7上，最后将管道25与导向座6的直道与中转站4连接，从而实现了水力射流喷嘴组合1的下方和安装；
S4、水合物的破碎，由水合物收集船3向连续软管2内通入高压海水，一部分高压海水顺次经流道11、套筒I8、套筒II9、型腔16内最后由轴向射流孔17和斜向射流孔B18喷射出，由轴向射流孔17喷射出的高压射流水破碎水平方向的水合物，破碎后形成固体颗粒水合物，同时开辟前进的通道，而斜向射流孔B18喷出的高压海水具有反向作用力，从而形成一个扭矩，进一步带动喷头10及套筒II9做旋转周向旋转运动，高压射流水扫过一个圆周或螺旋线，以破碎周向方向的水合物，形成固体颗粒水合物，在水合物矿层21内形成圆柱状的破碎矿腔；而另一部分高压海水则从斜向射流孔A12中喷射出，为整个水力射流喷嘴组合1和连续软管2提供前进的动力，节约了能源且避免对海洋造成污染，也降低了天然气的开采成本，同时向后射出的水流有助于前方破碎的固体颗粒水合物随着水流向后运动，有利于颗粒的收集；
S5、破碎后的固体颗粒水合物的采集，由斜向射流孔A12中喷射出的水流带动固体颗粒水合物向后运动，经输送管22上的左侧开口进入输送管道22，沿输送管22运动，由输送管道22右侧开口流出并顺次经直通道、管道25最后进入中转站4内，最后由中转站4输送到水合物收集船3上收集，实现了破碎后的固体颗粒水合物的大量、高效采集；通过旋转导向座6即可调整水力射流喷嘴组合1在平面内做圆周运动，在水合物矿层21中形成大范围的腔体，实现大范围的开采水合物，提高了固体颗粒水合物的开采量。
此外，本发明不改变海底水合物矿层温度和压力，避免了水合物发生分解，以及由此引起的环境、地质灾害，而是直接将天然气水合物破碎成固体颗粒，再通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混合物泵送至海面，而后再进行分离、分解气化等处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：它包括水力射流喷嘴组合（1）、连续软管（2）、设置于海面上的水合物收集船（3）、设置于海水中的中转站（4）、设置于海底表面层（20）内的隔水导管（5），所述的隔水导管（5）内设置有导向座（6），导向座（6）内设置有水力射流喷嘴组合（1），水力射流喷嘴组合（1）包括喷嘴本体（7）、套筒I（8）、套筒II（9）和喷头（10），喷嘴本体（7）的右端部与套筒I（8）的左端部连接，喷嘴本体（7）内开设有与套筒I（8）连通的流道（11），喷嘴本体（7）的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与流道（11）连通的斜向射流孔A（12），斜向射流孔A（12）向左倾斜且与喷嘴本体（7）偏心设置，套筒II（9）由顺次连接的大轴（13）和小轴（14）连接组成，大轴（13）设置于套筒I（8）内且与其之间形成有间隙，大轴（13）与喷嘴本体（7）之间抵压有石棉过滤网（15），小轴（14）沿套筒I（8）的轴线贯穿套筒I（8）设置，小轴（14）与喷头（10）连接，喷头（10）的左端部开设有与套筒II（9）连通的型腔（16），喷头（10）的右端部设置有与型腔连通的轴向射流孔（17），喷头（10）的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与型腔（16）连通的斜向射流孔B（18），斜向射流孔B（18）向右倾斜且与喷头（10）偏心设置；所述的导向座（6）内由上往下开设有直通道和L形通道（24），直通道与中转站（4）之间通过管道（25）连接，L形通道（24）内设置有输送管（22），连续软管（2）的一端连接在水合物收集船（3）上，另一端自上而下贯穿管道（25）且连通喷嘴本体（7）的流道（11），输送管（22）一端套在连续软管（2）上，输送管（22）的另一端套在喷嘴本体（7）的外部，输送管（22）的两端均设置有开口，所述的中转站（4）与水合物收集船（3）连接。
2.根据权利要求1所述的一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：所述的喷嘴本体（7）的右端部设置有外螺纹，套筒I（8）的左端面上开设有螺纹孔，套筒I（8）的螺纹孔与喷嘴本体（7）的外螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：所述的小轴（14）的右端部设置有外螺纹，所述的型腔（16）内设置有螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：所述的喷头（10）经螺纹孔与小轴（14）的外螺纹连接固定于套筒II（9）上。
5.根据权利要求1所述的一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：所述的大轴（13）的左右端面上均设置有过流通道（19）。
6.根据权利要求5所述的一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：所述的过流通道（19）沿大轴（13）的周向方向均匀分布。
7.根据权利要求1所述的一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置，其特征在于：所述的中转站（4）为输送泵。
8.根据权利要求1~7中任意一项所述的装置固态流化开采海底浅层非成岩天然气水合物的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、下放隔水导管，利用喷射钻进的方法由海底表面层（20）钻至水合物矿层（21），在钻好的井眼内下放隔水导管（5），隔水导管（5）连接海底表面层和水合物矿层，形成钻井液循环通道同时隔绝海水，实现了隔水导管（5）的下放；
S2、下入导向座，利用导向座（6）控制钻进的方向，将井眼轨迹调整到水平模式；
S3、水力射流喷嘴组合（1）的下放和安装，先将水力射流喷嘴组合（1）下入导向座（6）的L形通道（24）的水平通道内，使水力射流喷嘴组合（1）位于水合物矿层（21）内，再利用连续软管（2）将喷嘴本体（7）的流道（11）与水合物收集船（3）连接，然后将输送管（22）的一端套在喷嘴本体（7）上，最后将管道（25）与导向座（6）的直通道与中转站（4）连接，从而实现了水力射流喷嘴组合（1）的下放和安装；
S4、水合物的破碎，由水合物收集船（3）向连续软管（2）内通入高压海水，一部分高压海水顺次经流道（11）、套筒I（8）、套筒II（9）、型腔（16）内最后由轴向射流孔（17）和斜向射流孔B（18）喷射出，由轴向射流孔（17）喷射出的高压海水破碎水平方向的水合物，破碎后形成固体颗粒水合物，同时开辟前进的通道，而斜向射流孔B（18）喷出的高压海水具有反向作用力，从而形成一个扭矩，进一步带动喷头（10）及套筒II（9）做旋转周向旋转运动，高压海水扫过一个圆周或螺旋线，以破碎周向方向的水合物，形成固体颗粒水合物，在水合物矿层（21）内形成圆柱状的破碎矿腔；而另一部分高压海水则从斜向射流孔A（12）中喷射出，为整个水力射流喷嘴组合（1）和连续软管（2）提供前进的动力，同时向后射出的水流有助于前方破碎的固体颗粒水合物随着水流向后运动，有利于颗粒的收集；
S5、破碎后的固体颗粒水合物的采集，由斜向射流孔A（12）中喷射出的水流带动固体颗粒水合物向后运动，经输送管（22）上的左侧开口进入输送管（22），沿输送管（22）运动，由输送管（22）右侧开口流出并顺次经直通道、管道（25）最后进入中转站（4）内，最后由中转站（4）输送到水合物收集船（3）上收集，实现了破碎后的固体颗粒水合物的大量、高效采集。
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