CN107448176B - 一种海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法及装置 - Google Patents
一种海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种实现海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法及装置，用于海底浅层非成岩天然气水合物复合破碎开采，智能导向钻进工具领眼钻进，到达预定位置后，机械破碎刀臂展开，进行旋转切削破碎，喷嘴开始射流破碎，同时整流装置打开，隔离采收区与采空区，井下分离器分离水合物和泥沙，向泥沙中通入CO2，起到固化回填颗粒的作用，最后将泥沙原位回填。本发明的有益效果是：破碎半径增大、开采空间增大；防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混；在井下分离器分理出的泥沙中通入CO2，置换出泥沙中的天然气，并且可以起到固化剂的效果，增强了回填层的强度，防止采空区垮塌。
Description
技术领域
本发明涉及到天然气水合物开采技术领域，尤其涉及海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法及装置。
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。
水合物的主要存在形式有砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，其中细粒裂隙型和分散型水合物占绝大多数，但该类型的水合物埋深浅，胶结性差，开采过程中极易引发地质和环境灾害。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，但这些开采方式存在自身的缺陷，不能作为大规模开采的方式。固态流化开采是一种针对海底浅层非成岩天然气水合物的开采方法，在不改变海底温度和压力的情况下，直接利用机械采掘或物理破碎天然气水合物矿体，即流化开采，然后通过密闭的循环通道将天然气水合物破碎颗粒与海水混合泵送举升至海面，再进行分离等处理。因为固态流化开采方案对海底温度和压力的影响较小，从而能够有效避免天然气水合物分解引起的地质环境灾害。
根据水合物层的埋层深度，固态流化开采方法可以分为表层固态流化开采和浅层固态流化开采。针对浅层非成岩天然气水合物的开采，目前领眼回拖射流破碎是一种全新的开采思路，它主要是采用射流破碎、收集分离以及原位回填的方式，因此对于浅层非成岩天然气水合物的开采，是一种行之有效的方法。但是射流破碎的作业半径小、开采空间有限，并且回填颗粒易于破碎颗粒掺混，导致破碎流化收集效率低，原位回填的泥沙结构强度低，天然气水合物层易垮塌，使得浅层非成岩天然气水合物的开采不利于商业化。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法及装置，采用智能导向钻进工具领眼钻进，然后在回拖管道的过程中利用机械和射流复合破碎天然气水合物，与此同时井下分离泥沙，并且隔离回填区与收集区，进行原位回填，通入CO2作固化剂，置换出泥沙中的天然气，固化回填层，有效解决海底浅层水合物固态流化开采中存在的工艺技术难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法，主要用于海底浅层非成岩天然气水合物的开采，其特征在于，所述的海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法主要包括以下步骤：
步骤S1：下放隔水导管，智能导向钻进工具领眼钻进，带动柔性双层管向下钻进，当钻进到工作深度时，智能导向钻进工具水平钻进至预定位置；
步骤S2：回拖智能导向钻进工具，同时展开破碎刀臂，通过刀臂旋转和刀臂前端的射流喷嘴联合破碎水合物矿体，打开整流装置以隔离采收区和采空区，利用整流装置的孔口射流改变采收区中固体颗粒流场，将固体颗粒收集至管道内；
步骤S3：进入管道内的破碎颗粒先通过井下分离器，在井下分离器的作用下，将固体颗粒中的泥沙颗粒分离并回填至采空区，并注入CO2形成CO2水合物以固化回填泥砂；分离出泥砂后的水合物颗粒输送至海面再做进一步加工处理。
一种实现海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采装置，用于海底浅层非成岩天然气水合物复合破碎开采，包括采掘船、隔水导管、柔性双层管、封隔器、桥式通道、电潜泵、破碎刀臂、喷嘴、刀臂张开系统（支架Ⅰ、滑块Ⅰ）、井下分离器、整流装置系统（支架Ⅱ、滑块Ⅱ、整流装置）、智能导向钻进工具。
隔水导管放置在覆盖泥层中，在隔水导管外部采用封隔器，形成封闭空间，可以将柔性双层管与海水进行隔离；柔性双层管上端与采掘船相连，下端安装有桥式通道，用来射流水与输送的水合物浆体之间交换通道；电潜泵安装在桥式通道和收集口之间，主要是为破碎的水合物颗粒与流化收集提供动力；收集口即为井下分离器的入口，用来实现收集颗粒中天然气水合物颗粒与泥沙的分离；机械破碎刀臂安装在柔性双层管周围（井下分离器靠后的位置），破碎刀臂上安装有刀齿，破碎刀臂紧贴在柔性双层管的表面，破碎刀臂为中空，其通道与柔性双层管内射流水相连，在破碎刀臂前端安装有射流喷嘴，利用破碎刀臂的旋转破碎和喷嘴的射流破碎实现天然气水合物的复合破碎；整流装置安装在井下分离器前端，该装置由数个骨架杆件与杆件之间的柔性网状物组成（类似雨伞骨架），整流装置的功能在于在破碎采收区与采空区之间形成隔离防护罩，防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混，此外在整流装置的骨架上分布有射流孔口，通过射流改变破碎颗粒的流场，使之向更有利于流化收集的方向运动；智能导向钻进工具安置在前端，用于钻进领眼，中间为开孔，作为分离出的泥沙的回填通道。
本发明具有以下优点：（1）由于直接利用水射流破碎天然气水合物矿体，存在破碎半径有限、开采范围小的问题，因此增加机械破碎刀臂，采用复合破碎的方法使得破碎半径增大、破碎效率提高、开采空间增大。（2）整流装置能够有效防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混，此外，它还能通过改变使得破碎颗粒的流场，使其尽可能流向收集口的方向，提高了收集效率。（3）在井下分离器分理出的泥沙中通入CO2，置换出泥沙中的天然气，并且可以起到固化剂的效果，增强了回填层的强度，防止采空区垮塌。
附图说明
图1 为海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法示意图；
图中，1-采掘船，2-隔水导管，3-柔性双层管，4-封隔器，5-桥式通道，6-电潜泵，7-破碎刀臂，8-喷嘴，9-支架Ⅰ，10-滑块Ⅰ，11-收集口，12-井下分离器，13-滑块Ⅱ，14-支架Ⅱ，15-射流孔口，16-整流装置，17-智能导向钻进工具。
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：
本发明实例所述的海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法主要包括以下步骤：
步骤S1：下放隔水导管2，智能导向钻进工具17领眼钻进，带动柔性双层管3向下钻进，当钻进到工作深度时，智能导向钻进工具17水平钻进至预定位置；
步骤S2：回拖智能导向钻进工具17，同时展开破碎刀臂7，通过刀臂旋转和刀臂前端的射流喷嘴8联合破碎水合物矿体，打开整流装置16以隔离采收区和采空区，利用整流装置16的孔口射流改变采收区中固体颗粒流场，将固体颗粒收集至管道内；
步骤S3：进入管道内的破碎颗粒先通过井下分离器12，在井下分离器12的作用下，将固体颗粒中的泥沙颗粒分离并回填至采空区，并注入CO2形成CO2水合物以固化回填泥砂；分离出泥砂后的水合物颗粒输送至海面再做进一步加工处理。
下放隔水导管2，利用智能导向钻进工具17由覆盖泥层钻至水合物矿层，在钻好的井眼内下放隔水导管2，隔水导管2连接海水层和水合物矿层，在隔水导管2的外部下方放置封隔器4，将水合物矿层与海水层分隔开，保证下部开采空间为封闭状态。
智能导向钻进工具17继续钻进，带动柔性双层管3向下钻进，形成钻井液循环通道，当钻进到工作深度时，智能导向钻进工具17开始倾斜钻进，与垂直方向形成一定夹角，最终形成小夹角的近似水平方向，智能导向钻进工具17继续钻进，直至形成一条开采领眼。
射流水由采掘船1增压输入到柔性双层管3的内管，然后经过桥式通道5，其流道由内管交换到外管，避免了与返输的水合物浆体干涉。
智能导向钻进工具17到达工作位置后，开始回拖射流破碎，破碎刀臂7展开，整个展开过程为滑块Ⅰ10滑动，带动支架Ⅰ9打开，使得原来紧贴着柔性双层管3外壁的破碎刀臂7展开，一部分高压海水进入破碎刀臂7中空，然后经过喷嘴8射出，在破碎刀臂7切削破碎和喷嘴8射流破碎的复合作用下，使得水合物流化破碎，并且其射流距离更远，切削范围更大，开采效率更高。
破碎刀臂7在原位置破碎一定时间之后，形成破碎空间，继续回拖装置，待井下分离器12前端形成破碎空间后，滑块Ⅱ13滑动，带动支架Ⅱ14打开，使得整流装置16展开，整流装置16由数个骨架杆件和杆件之间的柔性网状物组成（类似雨伞骨架），钻进时收拢并紧贴在井下分离器12前端的柔性双层管3外壁，展开后的整流装置16的功能在于在破碎采收区与采空区之间形成隔离防护罩，形成一个近似于封闭的破碎收集区域，能够有效防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混，另一部分高压海水通过井下分离器12外的桥式通道5进入整流装置16的骨架内，在整流装置16的骨架上分布有射流孔口15，通过射流改变破碎颗粒的流场，使之向更有利于流化收集的方向运动。
破碎颗粒的收集与分离，破碎颗粒通过收集口11进入井下分离器12，经过井下分离器12分离之后，水合物颗粒随着海水向上输送，而分离出来的泥沙从井下分离器12排出，向其通入CO2，置换出泥沙中夹带的天然气，然后泥沙通过智能导向钻进工具17的开孔向前排出，回填采空区，并且置换后的CO2水合物能起到固化剂的作用，增强了回填层的强度，防止了采空区垮塌，有效的避免了地质环境灾害。
回流的水合物浆体从井下分离器12流出，在柔性双层管3内部流动，通过电潜泵6泵送举升，然后流经桥式通道5反循环到柔性双层管3的外管，浆体再由采掘船1收集，进行固液分离，实现了水合物的高效、大规模开采收集。
一种实现海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法的开采装置，用于海底浅层非成岩天然气水合物复合破碎开采，包括采掘船1、隔水导管2、柔性双层管3、封隔器4、桥式通道5、电潜泵6、破碎刀臂7、喷嘴8、刀臂张开系统（支架Ⅰ9、滑块Ⅰ10）、井下分离器12、整流装置系统（支架Ⅱ14、滑块Ⅱ13、整流装置16）、智能导向钻进工具17。
隔水导管2放置在覆盖泥层中，在隔水导管2外部采用封隔器4，形成封闭空间，可以将柔性双层管3与海水进行隔离。
柔性双层管3上端与采掘船1相连，下端安装有桥式通道5，用来射流水与输送的水合物浆体之间交换通道。
电潜泵6安装在桥式通道5和收集口11之间，主要是为破碎的水合物颗粒与流化收集提供动力；收集口11即为井下分离器12的入口，用来实现收集颗粒中天然气水合物颗粒与泥沙的分离。
机械破碎刀臂7安装在柔性双层管3周围（井下分离器12靠后的位置），破碎刀臂7上安装有刀齿，破碎刀臂7紧贴在柔性双层管3的表面，破碎刀臂7为中空，其通道与柔性双层管3内射流水相连，在破碎刀臂7前端安装有射流喷嘴8，利用破碎刀臂7的旋转破碎和喷嘴8的射流破碎实现天然气水合物的复合破碎。
整流装置16安装在井下分离器12前端，该装置由数个骨架杆件与杆件之间的柔性网状物组成（类似雨伞骨架），整流装置16的功能在于在破碎采收区与采空区之间形成隔离防护罩，防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混，此外在整流装置16的骨架上分布有射流孔口15，通过射流改变破碎颗粒的流场，使之向更有利于流化收集的方向运动。
智能导向钻进工具17安置在前端，用于钻进领眼，中间为开孔，作为分离出的泥沙的回填通道。
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 (5)
1.一种海底浅层天然气水合物机械射流联合开采方法，用于海底浅层非成岩天然气水合物的开采，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：下放隔水导管，智能导向钻进工具领眼钻进，带动柔性双层管向下钻进，当钻进到工作深度时，智能导向钻进工具水平钻进至预定位置；
步骤S2：回拖智能导向钻进工具，同时展开破碎刀臂，通过刀臂旋转和刀臂前端的射流喷嘴联合破碎水合物矿体，打开整流装置以隔离采收区和采空区，利用整流装置的孔口射流改变采收区中固体颗粒流场，将固体颗粒收集至管道内；
步骤S3：进入管道内的破碎颗粒先通过井下分离器，在井下分离器的作用下，将固体颗粒中的泥沙颗粒分离并回填至采空区，并注入CO2形成CO2水合物以固化回填泥砂；分离出泥砂后的水合物颗粒输送至海面再做进一步加工处理；
整流装置安装在井下分离器前端，该装置由数个骨架杆件与杆件之间的柔性网状物组成，整流装置的功能在于在破碎采收区与采空区之间形成隔离防护罩。
2.如权利要求1所述的海底浅层天然气水合物机械射流联合开采方法，其特征在于，步骤S2中，机械破碎刀臂展开，旋转切削破碎天然气水合物矿体；同时射流水通过刀臂内部中空孔，由刀臂前段喷嘴射出，射流破碎超过刀具破碎半径的水合物矿体，增大采掘半径。
3.如权利要求1所述的海底浅层天然气水合物机械射流联合开采方法，其特征在于，步骤S2中，整流装置展开，整体形状呈伞状，形成一个防护罩，隔离收集区和回填区，避免破碎颗粒和回填颗粒掺混；同时整流装置上的射流空口通过射流来改变破碎颗粒的流场，使其向更易收集的方向流动。
4.如权利要求1所述的海底浅层天然气水合物机械射流联合开采方法，其特征在于，步骤S3中，收集进入管道内的固体颗粒经过分离装置将颗粒中的泥砂颗粒分离出来，并回填至采空区；在回填泥砂中通入CO2，形成CO2水合物，同时置换出泥砂中残留的天然气水合物。
5.一种实现权利要求1所述的天然气水合物机械射流联合开采方法的开采装置，用于海底浅层天然气水合物复合破碎开采，其特征在于，所述的开采装置包括采掘船、隔水导管、柔性双层管、封隔器、桥式通道、电潜泵、破碎刀臂、喷嘴、刀臂张开系统、井下分离器、整流装置系统、智能导向钻进工具；
刀臂张开系统包括支架Ⅰ、滑块Ⅰ；
整流装置系统包括支架Ⅱ、滑块Ⅱ、整流装置；
柔性双层管上端与采掘船相连，下端安装有桥式通道，用来射流水与输送的水合物浆体之间交换通道；
电潜泵安装在桥式通道和收集口之间，为破碎的水合物颗粒与流化收集提供动力；收集口即为井下分离器的入口，用来实现收集颗粒中天然气水合物颗粒与泥沙的分离；
机械破碎刀臂安装在柔性双层管周围，破碎刀臂上安装有刀齿，破碎刀臂紧贴在柔性双层管的表面，破碎刀臂为中空，其通道与柔性双层管内射流水相连，在破碎刀臂前端安装有射流喷嘴，利用破碎刀臂的旋转破碎和喷嘴的射流破碎实现天然气水合物的复合破碎；
整流装置安装在井下分离器前端，该装置由数个骨架杆件与杆件之间的柔性网状物组成，整流装置的功能在于在破碎采收区与采空区之间形成隔离防护罩，防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混；在整流装置的骨架上分布有射流孔口，通过射流改变破碎颗粒的流场，使之向更有利于流化收集的方向运动；
智能导向钻进工具安置在前端，用于钻进领眼，中间为开孔，作为分离出的泥沙的回填通道。
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