CN108412466B - 一种海底天然气水合物开采装置及开采方法 - Google Patents

Abstract

本说明书提供了一种海底天然气水合物开采装置及开采方法。该装置包括套筒，所述套筒的底部为开放状态，顶部设置有采气管线，所述套筒筒体内部设置有分解槽，所述分解槽设置有进料口，且所述分解槽顶部为开放状态。分解槽中的天然气水合物分解释放出含有天然气的气体和含有分解水的液体，气体不断在套筒顶部聚集形成气压，液体也经分解槽不断涌出，套筒顶部的气体不断汇聚，气压不断增大，从而可以将从分解槽中涌出的液体从呈开放状态的套筒底部压出，离开该开采装置，排入海水中。该装置能够实现天然气水合物混合流体气‑液‑固快速分离和采气的一体化生产，且结构简单，使用方便，大大降低了天然气的开采成本。

Description

一种海底天然气水合物开采装置及开采方法

技术领域

本说明书属于海洋天然气水合物开采技术领域，涉及一种海底天然气水合物开采装置及开采方法。

背景技术

天然气水合物是自然界中天然气存在的一种特殊形式，俗称“可燃冰”，其是在一定条件下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物，它分布范围广、规模大、能量密度高，受到世界范围的广泛关注，被誉为“未来能源”。自然界中存在的天然气水合物绝大部分是甲烷水合物。水合物是目前最具发展前景的高效清洁能源之一，每立方米的天然气水合物可释放出164立方米甲烷。目前已发现水深3000米以内的天然气水合物中CH₄的碳总量相当于全世界已知煤、石油、天然气总量的二倍，约2.1×10¹⁶m³，可满足人类1000年的能源需求。资料显示：近二十年来在海洋和冻土带发现的天然气水合物资源量特别巨大，有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料的两倍。此外水合物的储能密度很高，燃烧后产生的残渣和废弃物极少，是优良的绿色能源。

当前的水合物开采方法主要有：加热法、降压法、化学试剂法等；但综合各国科学家提出的天然气水合物开采的方法，不论是加热法、降压法，或是化学剂法，其原理都在于促使天然气水合物发生分解，释放出气体和水，从而达到获得天然气的目的。由于水合物生产过程中必然会产生大量的水，如果大量液态水随天然气从井筒中产出，会增加举升费用，同时对天然气的生产也会构成威胁。与产水气田类似，海底天然气水合物开采中的产出水会进入井底，依赖于气流的能量部分产出水可能被带出，但大多数产出水极易在井筒及井底近区积聚，危害十分严重；比如，一方面，可能严重影响回压、井口压力、生产能力；另一方面，可能影响产层渗透率，从而影响最终采收率。井底中存在少量的积液会造成产量的减少甚至停产，严重影响天然气水合物的高效开发。

可见，当前开采存在的技术问题以及开采需要的成本成为了制约各国开采天然气水合物的瓶颈。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本说明书的目的在于提供一种海底天然气水合物开采装置及开采方法。该海底天然气水合物开采装置可以减少水合物生产过程中液态水的举升和处理费用。

为了达到前述目的，本说明书提供一种海底天然气水合物开采装置，其包括套筒，所述套筒的底部为开放状态，顶部设置有采气管线，所述套筒筒体内部设置有分解槽，所述分解槽设置有进料口，且所述分解槽顶部为开放状态。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒顶部为锥形，该锥形的高度和锥形底部的直径比为1：(1-5)。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒底部设置有一个或多个排水口；所述排水口的总面积占所述套筒底部面积的50％以上。所述排水口的总面积是指在套筒底部设置多个排水口，比如套筒底部为网、筛状时，排水通孔的总面积。

天然气水合物在本说明书提供的海底天然气水合物开采装置中分解释放出含有天然气的气体和含有分解水的液体，气体不断在套筒顶部聚集形成气压，液体也经分解槽不断涌出，套筒顶部的气体不断汇聚，气压不断增大，从而可以将从分解槽中涌出的液体从呈开放状态的套筒底部压出，离开该开采装置，排入海水中。当分解槽中气体的产生速率稳定后，打开套筒顶部的采气管线，使分解槽中进一步分解出的气体稳定排出，而套筒顶部已经形成一个稳定气压，可以将分解涌出的液体不断压出该开采装置。从而实现了在海底将天然气水合物开采过程产生的气-液、气-液-固混合物进行分离的开采工艺。

其中，套筒底部呈开放状态是指使套筒内部与外部海水直接连通，这样可以较大程度地降低开采装置内外之间的压差，避免了开采装置壁面尤其是套筒外壁和分解槽内外壁承受太高的压力而导致形变甚至直接导致套筒壁面被压坏，从而提高开采装置的安全性；此外，该海底天然气水合物开采装置的套筒底部呈开放状态使套筒内部与外部海水直接连通，可以使开采装置内外压差不会随装置所在的海底深度发生变化，套筒内外之间的压差一直低于1.0MPa。这就使得整套装置无论是收回，还是开采位置的转移都容易完成。且该开采装置在制造过程中，可以相对减小装置本身的重量；而传统深潜设备，装置内外压差随着深度增加，这就导致传统深潜设备的使用范围有限，且制造成本高昂。因此，与传统的深潜设备相比，本说明书提供的海底天然气水合物开采装置无论是造价还是可使用的深度范围，甚至是设备的安全性都有很大地提升。而分解槽顶部呈开放状态是指分解槽顶部与套筒内腔直接相通，优选地，所述分解槽顶部为敞口，或者所述分解槽的顶部设置有排液口和排气口，或者，所述分解槽的顶部设置有排气口，顶部侧壁上设置有排液口，这样可以便于将分解槽分解产出的密度较大的分解水直接排入套筒内部，并通过套筒内部直接排入外部海水中，也有利于分解槽产出的密度较小的天然气上升排出。由于水合物生产过程中必然会产生大量的水，现有的天然气水合物分解过程中大量液态水会随天然气从井筒中产出，增加举升费用。而本说明书提供的海底天然气水合物开采装置利用天然气和分解水的密度不同，天然气自升，分解水自降这一原理，大大减少了液固的举升和处理费用，降低了天然气水合物的开采成本，且在海底就实现了天然气水合物的快速分解和气液分离，同时进一步完成了天然气的采集，真正实现了井底(海底)气-液-固的快速分离和采气的一体化，这在海底浅表层天然气水合物开采中有巨大的应用前景。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒的筒体高度和筒体直径的比值为10-30:1。套筒具有较大的高径比，才有足够的操作空间完成天然气水合物的气-液-固的分离任务。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒内部设置有液位测量仪。该液位测量仪能够实时检测套筒内部液位的高低，防止套筒内部液位过高导致分解水或海水进入采气管线，影响天然气的收集，降低产气效率，同时也防止套筒内部的液位过低，甚至低于套筒底部的敞口，导致分解槽产出的气体直接经套筒底部泄漏至海水中。具体液位的高低可以根据实际生产决定。进一步地，该液位测量仪与监控天然气水合物分解和气-液分离工艺的终端数据连接，用以配合管理分解槽中天然气水合物原料输入速率、分解速率及采气管线的气体传输速率之间的协调，使所述套筒内的液位处于控制范围之内。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒内部设置有温度传感器，用以实时检测套筒内部的液体温度，确保套筒内的温度高于天然气水合物的生成温度。天然气水合物的生成温度与压力一一对应，压力越高，生成温度越低，而环境压力与海水深度成正比，因此，随着该海底天然气水合物开采装置所处的深度不同，所需控制的套筒内部的温度也有一定浮动。进一步地，该温度传感器与监控天然气水合物分解和气-液分离工艺的终端数据连接，用以配合管理加热层对分解槽加热温度的控制，进一步协调分解槽中天然气水合物原料输入速率、分解速率及采气管线的气体传输速率，使分解槽中的天然气产出速率保持在稳定的范围之内。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒的内壁和/或外壁上设置有保温层。该保温层能够使套筒内部的温度稳定在一个合适的温度，防止分解槽中分解出的天然气与水再次形成水合物，从而保证天然气水合物可以不断进行分解。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述采气管线的管线直径与所述套筒筒体直径的比值为1：10-50。采气管线直径控制在合适的范围之内，才能保证天然气水合物分解过程可以不断稳定进行。如果采气管线过粗，套筒顶部形成的稳定气压容易被破坏，当开始收集天然气时，套筒顶部的气压一旦不足就容易使分解槽中排出的分解水和海水无法正常压离套筒，致使套筒内部的液位不断升高，而套筒内部的液位一旦超过最高安全液位，涌入采气管线中，就会影响天然气的收集，降低产气效率；如果采气管线过细，分解槽分解出的天然气不能及时通过采气管线导出，就会不断在套筒顶部汇聚，使分解槽中排出的分解水和海水无法不断压离套筒，甚至使而套筒内部的液位低于最低安全液位，从而使无法从采气管线及时排除的天然气从套筒底部排入大海，造成天然气的浪费，降低产气效率，甚至破坏海底生态系统，引发生态危机。

优选地，所述采气管线与海上平台连通，并通过海上平台对采集的天然气进一步处理。

更优选地，所述采气管线上设置有控制采气管线开启与关闭的阀门。所述阀门包括但不限于气动阀门、电动阀门等。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述分解槽上设置的进料口连接有天然气水合物输送管线。该输送管线可以为钢管、软管等，在输送泵等动力下可以将各种开采方法获得的气-液、气-液-固混合流体输送至分解槽底部进行分解。优选地，所述天然气水合物输送管线与填岛采砂船所用的搅吸式设备连接；将该搅吸式设备从海底天然气水合物层抽取的天然气水合物沉积物输送至分解槽中进行分解。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述分解槽的外侧壁面设置有加热层。该加热层可以向分解槽提供热量，促进分解槽中含天然气水合物的分解即气液固分离。所述加热层可以为电加热、地热水加热等，但不限于此。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述分解槽的底部设置有固体残渣排出口。

更优选地，所述分解槽底部设置的固体残渣排出口连接有通向开采区的返排管线。该返排管线能够将从开采区开采天然气水合物时携带出的固体比如砂石、泥浆、黏土等返排至开采区，恢复海底原貌，降低对海底生态环境的损害。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述分解槽内部设置有搅拌装置。该搅拌装置包括但不限于搅拌桨或螺旋式搅拌桨，能够使分解槽中天然气水合物分离后的固体残留物包括但不限于砂石、泥浆、黏土等杂质在搅拌桨或螺旋式搅拌桨的不断搅拌作用下从所述分解槽的底部携带至所述分解槽的顶部，然后从该分解槽的顶部溢出，溢出后的固体残留物可直接沉降在海底，也可以收集后再排放至开采区，用以恢复开采区地貌；从而实现了在海底将天然气水合物开采过程产生的气-液-固混合物进行分离的开采工艺。

根据本说明书的具体实施方式，根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述分解槽设置有热水管线，所述热水管线向所述分解槽中输入热水。更优选地，该热水输入管线的进水端连通地层热水，并抽提地层热水输入分解槽，供分解槽中的天然气水合物进行分解。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒的底部或筒体侧壁上设置有支撑所述套筒的支架；更优选地，所述分解槽的底部或侧壁上设置有支撑所述分解槽的支架，使整个海底天然气水合物开采装置在海底进行天然气水合物分解时能够保持平衡和稳定。

本说明书提供的海底天然气水合物开采装置中的各部件可以采用本领域常规的耐温耐压耐腐蚀的材料。本说明书提供的海底天然气水合物开采装置也可以用于与海底天然气水合物开采方式类似的产水气田的开采中。

本说明书还提供了采用上述海底天然气水合物开采装置的开采方法，其包括以下步骤：

将所述海底天然气水合物开采装置置于海底天然气水合物开采区附近；

将从开采区开采获得的含有天然气水合物的混合流体输送至分解槽中进行分解获得天然气、分解水和固体残渣；

所述天然气在所述套筒顶部汇聚形成气压腔，并经采气管线输送至海上平台；

所述分解水从所述分解槽中流出，在所述气压腔的压力下经所述套筒的底部进入海水中；

所述固体残渣排放至所述海底天然气水合物开采区。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述开采方法还包括对所述分解槽进行加热的步骤。具体可以采用电加热、地层热水加热等。优选为抽提地层热水，利用热水管线将地层热水输送至所述分解槽供天然气水合物块体分解释放出天然气和分解水。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述套筒内部的温度为20℃-30℃。

根据本说明书的具体实施方式，优选地，所述分解槽的顶部与所述套筒顶部的距离为所述套筒高度的1/10-1/3。更优选地，所述套筒内部的液位高度在1m以上，以防气体泄漏。这里的液位是指所述套筒底部以上的液位高度，一般而言，所述套筒内的液位高度在1m以上且液位高度低于所述分解槽的顶部，以便分解槽中分解出的天然气和分解水能够快速分离。

根据本说明书的具体实施方式，可以通过降压法、注热法、注剂法、固体开采法或者相互结合的混合开采法将海底储层中的天然气水合物转化成气-液、气-液-固等可流动的含有天然气水合物的混合流体。或者，针对海底浅表层天然气水合物，可以采用填岛采沙船所用的大型搅吸式设备，将含天然气水合物的沉积物直接抽吸并经输送管线输送至分解槽进一步处理。分解得到的天然气中，甲烷的质量含量为90％以上；分解得到的分解水包括但不限于天然气水合物分解释放的水和海底储层孔隙中所含的水；分解槽底部残留的固体残渣包括但不限于砂石、泥浆、黏土等。所述固体残渣可以通过分解槽底部的残渣排出口经返排管线输送至海底天然气水合物开采区，以恢复开采区的形貌，减少对开采区的损害。

与现有技术相比，本说明书提供的海底天然气水合物开采装置及开采方法至少包括以下有益效果：

(1)本发明提供的海底天然气水合物开采装置的内部与外部海水直接连通，可以最大程度地降低装置内外之间的压差，避免装置壁面承受太高的压力，保护内置的保温层和加热层，提高设备的安全性。

(2)本发明提供的海底天然气水合物开采装置的内部与外部海水直接连通，使得装置内外之间的压差低于1.0MPa，且不会随所处的海底深度发生变化，相比于传统的深潜设备，本说明书提供的海底天然气水合物开采装置能够适用于海底的各个深度，扩大了深潜装置的适用范围，且制造成本低廉。

(3)本发明提供的海底天然气水合物开采装置的内部与外部海水直接连通，装置内外的压差小，在制造过程中，可以相应减小装置本身的重量，使得整套装置无论是收回，还是在开采区位置的转移都容易完成。

(4)本发明提供的海底天然气水合物开采装置能够利用天然气和分解水的密度差实现天然气的自升，以及压力差实现分解水的下降，减少液固的举升和处理费用，降低天然气开采成本。

(5)本发明提供的海底天然气水合物开采装置在能够海底(井底)实现气-液-固的快速分离和采气的一体化，对开采海底浅表层天然气水合物有巨大优势。

(6)本发明提供的海底天然气水合物开采方法，能够在一个装置中实现天然气水合物混合流体气-液-固快速分离和采气的一体化生产，可以直接抽提地层热水作为热源，大大降低了天然气的开采成本，且对海底开采区的地层地貌及生态环境影响较小。

附图说明

图1为本说明书实施方式中，海底天然气水合物开采装置的结构示意图；

图2为本说明书实施方式中，海底天然气水合物开采的流程示意图。

符号说明：

1套筒，2采气管线，3分解槽，4天然气水合物输送管线，5热水管线，

6螺旋式搅拌桨，7套筒支架，8分解槽支架。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施方式中的附图，对本说明书实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本说明书一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本说明书中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本说明书保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本说明书的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本说明书。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本说明书提供一种海底天然气水合物开采装置，其包括用以保护整个装置的套筒1，该套筒1的底部为开放状态，即套筒1的内部与外部海水直接连通，便于筒体内部的液体直接排放至海水中，套筒1的顶部设置有用以采集输出天然气的采气管线2，套筒1的筒体内部设置有分解槽3，所述分解槽3设置有进料口，且所述分解槽的顶部为开放状态，即该分解槽3中分解得到的分解水直接排放至套筒1内部，与桶内海水混合后在气压压力下直接从套筒1底部压离套筒1进入外界海水中。

在本说明书实施方式中，套筒1的顶部可以为锥形，请参照图1，该锥形的高度和锥形底部的直径的比值为1：(1-5)。进一步地，该锥形的高度可以更高，锥形高度和锥形底部的直径的比值可以达到1：3以上，这样可以有效防止套筒1内部的分解水、海水等液体上升进入采气管线中，影响采气效率。

在本说明书实施方式中，套筒1底部为完全敞口状，或者可以设置有一个或多个排水口，比如成多孔网状；且排水通孔的总面积占套筒1底部面积的50％以上。

顶部为锥形的套筒1和顶部为敞口的分解槽3可以使天然气水合物分解释放出的天然气不断在套筒1顶部聚集形成气压，分解水从分解槽3不断涌出，套筒1顶部的气体不断汇聚，气压不断增大，从而可以将从分解槽3中涌出的分解水从套筒1底部直接压入大海中，实现了装置内部的气-液分离。进一步地，采气管线2上可以设置有气动或电动阀门，控制采气管线2的开启与关闭。当套筒1内部的液体到达合适的液位后，可以适当开启采气管线2上的阀门，通过调节阀门开关的大小，控制天然气的输出速率，直至分解槽3中的天然气达到稳定产出速率，套筒1内部液位达到稳定液位，从而在海底实现了天然气水合物分解及气-液分离的开采工艺。

在本说明书实施方式中，套筒1内部设置有液位测量仪。该液位测量仪与监控天然气水合物分解和气-液分离工艺的终端数据连接，并实时监测套筒内部液位的高低，通过反馈给终端的数据，工作人员可以远程控制协调天然气水合物分解及气-液分离的各项工艺参数，比如天然气水合物原料输入速率、天然气水合物的分解速率及采气管线的气体传输速率等，使整个工艺流程更加顺畅，确保套筒1内部的液位处于控制范围之内。

在本说明书实施方式中，套筒1内部设置有温度传感器，该温度传感器与监控天然气水合物分解和气-液分离工艺的终端数据连接，并实时监测套筒1的内部温度，通过反馈给终端的数据，工作人员可以远程控制协调套筒1的内部温度，比如对分解槽3进行加热或暂停加热等，防止分解出的天然气遇水再次形成水合物。

在本说明书实施方式中，所述采气管线2的管线直径与套筒1筒体直径的比值为1：10-50。也可以根据天然气的产出速率适当调节采气管线的粗细，当然，采气管线2也可以选择较大直径的管道，并通过采气管线2上的阀门调节天然气的输出速率。如果采气管线过粗，套筒顶部形成的稳定气压容易被破坏，当开始收集天然气时，套筒顶部的气压一旦不足就容易使分解槽中排出的分解水和海水无法正常压离套筒，致使套筒内部的液位不断升高，而套筒内部的液位一旦超过最高安全液位，涌入采气管线中，就会影响天然气的收集，降低产气效率；而如果采气管线过细，分解槽分解出的天然气不能及时通过采气管线导出，就会不断在套筒顶部汇聚，使分解槽中排出的分解水和海水无法不断压离套筒，甚至使而套筒内部的液位低于最低安全液位，从而使无法从采气管线及时排除的天然气从套筒底部排入大海，造成天然气的浪费，降低产气效率，甚至破坏海底生态系统，引发生态危机。因此，采气管线2的直径只有控制在合适的范围之内，才能保证天然气水合物分解过程可以不断稳定进行。

更进一步地，采气管线2与海上平台连通，并通过海上平台对其采集的天然气进一步处理。

在本说明书实施方式中，套筒1的筒体高度和筒体直径的比值为10-30:1。套筒具有较大的高径比，才有足够的操作空间完成天然气水合物的气-液分离任务。

在本说明书实施方式中，分解槽3上设置的进料口连接有天然气水合物输送管线。该输送管线可以为钢管、软管等，在输送泵等动力下可以将各种开采方法获得的气-液、气-液-固混合流体输送至分解槽底部进行分解。进一步地，该天然气水合物输送管线与填岛采砂船所用的搅吸式设备连接；将该搅吸式设备将从海底天然气水合物层抽取的天然气水合物沉积物直接通过泵等动力源输送至分解槽3中进行分解。

在本说明书实施方式中，分解槽3的外侧壁面设置有电加热、地热水加热等加热形式的加热层。该加热层可以向分解槽提供热量，促进分解槽中含天然气水合物的分解即气液固分离。

在本说明书实施方式中，分解槽3的底部可以设置有排污口；进一步地，分解槽3底部设置的排污口连接有通向开采区的排污管线。该排污管线能够将从开采区开采天然气水合物时携带出的固体比如砂石、泥浆、黏土等返排至开采区，恢复海底原貌，降低对海底生态环境的损害，从而在海底实现了天然气水合物分解及气-液-固分离的开采工艺。或者，分解槽3内部设置有螺旋式搅拌桨6等形式的搅拌装置，且分解槽3底部不设置有排污口，如图1所示，该螺旋式搅拌桨6能够使分解槽中天然气水合物分离后的固体残留物比如砂石、泥浆、黏土等杂质在螺旋式搅拌桨6的不断搅拌作用下从分解槽3的底部携带至分解槽3的顶部，然后从分解槽3的顶部溢出，溢出后的固体残留物可直接沉降在海底，也可以收集后再排放至开采区，用以恢复开采区地貌；从而实现了在海底将天然气水合物开采过程产生的气-液-固混合物进行分离的开采工艺。该螺旋式搅拌浆6在将固体残留物搅拌至分解槽3顶部排出的同时还能够提高天然气水合物在分解槽3中的分解效率，此外，与固体残留物从分解槽3底部排污口排放的情况相比，固体残留物从分解槽3顶部溢出能够避免未分解的天然气水合物随固体残留物一起排出分解槽3的问题，从而提高天然气水合物的天然气产率。

在本说明书实施方式中，分解槽3设置有热水管线，该热水输入管线的进水端连通地层热水，通过泵等动力源抽提出地层热水输入分解槽3，供分解槽3中的天然气水合物进行分解。

在本说明书实施方式中，套筒1的内壁或者外壁，或者内外两个侧壁上都设置保温层。该保温层能够使套筒1内部的温度不至于很快散失，确保套筒1内部的温度稳定在一个合适的温度，防止分解槽3中分解出的天然气与水再次形成水合物。

在本说明书实施方式中，套筒1的底部或者筒体侧壁上设置有支撑该套筒1的支架，参考如图1所示的，套筒1的筒体侧壁上设置三个支撑架7，用以在海底支撑套筒1；进一步地，分解槽3的底部或侧壁上设置有支撑分解槽的支架，参考如图1所示的，分解槽3的底部设置一个支撑柱8，用以在海底支撑分解槽3，从而使整个海底天然气水合物开采装置在海底进行天然气水合物分解时能够保持平衡和稳定。

在本说明书提供的各个实施方式中，套筒底部呈开放状态能够使套筒的内部与外部海水直接连通，这样可以较大程度地降低开采装置内外之间的压差，避免套筒外壁和分解槽内外壁承受太高的压力而导致形变致使套筒壁面被压坏，从而提高开采装置的安全性；此外，套筒内部与外部海水直接连通，可以确保套筒内外之间的压差一直低于1.0MPa，且不会随所处海底深度的变化而变化，这就使得整套装置无论是收回，还是转移开采位置都容易完成。与传统的深潜设备相比，该装置无论是造价还是可使用的深度范围，甚至是设备的安全性都有很大地提升。结合呈开放状态的分解槽，利用天然气和分解水的密度不同，天然气自升，分解水自降这一原理，大大减少了液固的举升和处理费用，降低了天然气水合物的开采成本。

在本说明书提供的各个实施方式中，海底天然气水合物开采装置中的各部件可以采用本领域常规的耐温耐压耐腐蚀的材料。

参考图2所示的一种实施方式，海底天然气水合物开采装置位于海底天然气水合物开采区附近，并依靠套筒1侧壁上的支撑架7和分解槽3底部的支撑架8竖直于开采区海底面上，采气管线2连通海上平台，天然气水合物输送管线4直接连通海底天然气水合物层，并通过搅吸设备源源不断地向分解槽3中输入含有天然气水合物的沉积物进行分解，热水管线5直接连通地热水，并通过泵等动力源不断向分解槽输入热水，以供分解槽分解天然气水合物；分解出的天然气在套筒1顶部汇聚形成气压腔，并经采气管线2输送至海上平台；分解出的分解水从分解槽3的敞口溢出，并在气压腔的压力下经套筒1的底部进入海水中；分解槽中的螺旋式搅拌桨6不断搅拌分解槽内部的固体残渣，例如泥浆、黏土、砂石等，并不断通过分解槽底部的排污口返回至开采区。进一步地，套筒内部的液位测量仪实时监测套筒内部液位的高低，套筒内部的温度传感器实时监测套筒内部的温度，工作人员根据终端接收到的液位数据和温度数据远程控制协调天然气水合物分解及气-液分离的各项工艺参数，比如天然气水合物原料输入速率、天然气水合物的分解速率、热水的导入速率及采气管线的气体传输速率等，使整个工艺流程更加顺畅。进一步地，套筒1内部的温度控制在20-30℃，套筒1内部的液位高度控制在1m以上；分解槽3的敞口与套筒1顶部的距离控制在套筒高度的1/10-1/3。当套筒1内的液位高度在1m以上时，一般液位高度还需低于分解槽3的顶部，以便分解槽3中分解出的天然气和分解水能够快速分离。

在本说明书实施方式中，可以通过降压法、注热法、注剂法、固体开采法或者相互结合的混合开采法将法将海底储层中的天然气水合物转化成气-液、气-液-固等可流动的含有天然气水合物的混合流体。或者，针对海底浅表层天然气水合物，可以采用填岛采沙船所用的大型搅吸式设备，将含天然气水合物的沉积物直接抽吸并经输送管线输送至分解槽进一步处理。分解得到的天然气中，甲烷的质量含量为90％以上；分解得到的分解水包括但不限于天然气水合物分解释放的水和海底储层孔隙中所含的水；分解槽底部残留的固体残渣包括但不限于砂石、泥浆、黏土等。所述固体残渣可以通过分解槽底部的排污口经排污管线输送至海底天然气水合物开采区，以恢复开采区的形貌，减少对开采区的损害。

由以上具体实施方式可知，本说明书提供的海底天然气水合物开采装置不仅降低了开采井中的采出液携带量、增加了采气量，而且降低了采出液举升和处理费用，增加生产寿命，实现了海底天然气水合物经济、安全、环保、高效地大规模生产工艺。而且可以减少环境污染，简化了地面集输工艺、分离设施和管理，从而节省了水合物开采地面建设投资，创造巨大的经济效益。此外，装置功能完整、效率高、运行稳定，实现了开采井底部气水快速分离和采气一体化的生产，适合大规模应用。

需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本说明书的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的说明书主题的一部分。

Claims (9)

1.一种海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述海底天然气水合物开采装置包括套筒，所述套筒的底部为开放状态，顶部设置有采气管线；

所述套筒筒体内部设置有分解槽，所述分解槽设置有进料口，且所述分解槽顶部为开放状态；

所述套筒底部设置有一个或多个排水口；所述排水口的总面积占所述套筒底部面积的50％以上；

该海底天然气水合物开采装置的套筒底部呈开放状态使套筒内部与外部海水直接连通；

所述分解槽顶部为敞口，或者所述分解槽的顶部设置有排液口和排气口，或者，所述分解槽的顶部设置有排气口，顶部侧壁上设置有排液口。

2.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述套筒顶部为锥形，该锥形的高度和锥形底部的直径比为1：(1-5)；

所述套筒的筒体高度和筒体直径的比值为10-30:1。

3.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述套筒内部设置有液位测量仪；

所述套筒内部设置有温度传感器。

4.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述套筒的内壁和/或外壁上设置有保温层；

所述分解槽的外侧壁面设置有加热层。

5.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述采气管线的管线直径与所述套筒筒体直径的比值为1：10-50；

所述采气管线与海上平台连通，并通过海上平台对采集的天然气进一步处理；

所述采气管线上设置有控制采气管线开启与关闭的阀门。

6.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述分解槽上设置的进料口连接有天然气水合物输送管线；

所述天然气水合物输送管线与填岛采砂船所用的搅吸式设备连接；

所述分解槽设置有热水管线，所述热水管线向所述分解槽输入热水。

7.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采装置，其特征在于：所述分解槽内部设置有搅拌装置；

所述套筒的底部或筒体侧壁上设置有支撑所述套筒的支架；

所述分解槽的底部或侧壁上设置有支撑所述分解槽的支架。

8.权利要求1-7任一项所述海底天然气水合物开采装置的开采方法，包括以下步骤：

将所述海底天然气水合物开采装置置于海底天然气水合物开采区附近；

将从开采区开采获得的含有天然气水合物的混合流体输送至分解槽中进行分解获得天然气、分解水和固体残渣；

所述天然气在所述套筒顶部汇聚形成气压腔，并经采气管线输送至海上平台；

所述分解水从所述分解槽中流出，在所述气压腔的压力下经所述套筒的底部进入海水中；

所述固体残渣排放至所述海底天然气水合物开采区。

9.根据权利要求8所述的开采方法，其特征在于：所述开采方法还包括对所述分解槽进行加热的步骤；

所述套筒内部的温度为20℃-30℃；

所述分解槽顶部与所述套筒顶部的距离为所述套筒高度的1/10-1/3；

所述套筒内部的液位高度在1m以上，以防气体泄漏。