CN108643868A - 一种海底天然气水合物开采智能机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底天然气水合物开采智能机器人,包括位于海平面以上的作业与控制海洋平台模块以及位于天然气水合物储层的海底机器人模块,且作业与控制海洋平台模块和海底机器人模块通过信息动力与输气脐带缆模块连接;所述海底机器人模块用于开采海底天然气水合物并进行固液气分离;所述控制海洋平台模块用于控制海底机器人模块作业,同时对采集的天然气进行液化及封装;所述信息动力与输气脐带缆模块用于传输控制信号及天然气。本发明易于操作,极大的节省了人力物力,提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于油气开采技术领域,具体涉及一种海底天然气水合物开采智能机器人。
背景技术
天然气水合物形成的条件为0-10℃的低温和30个大气压的压力,针对该条件国内外专家学者进行了大量的研究,形成了诸如热解法、降压法和化学试剂分解等开采方法。目前针对海底天然气水合物开采程序及装置依然借鉴陆相油气资源开采方式,技术复杂,速度慢,费用高昂。
本发明旨在通过海底天然气水合物开采机器人通过交互式信息传递与智能控制,在不影响海底储层构造及稳定性条件下,实现机器人在轨迹控制条件下自主钻进与后退,采用三维扫描方式完成设定区块下的天然气水合物开采、固液气原位分离和固液原位返排、天然气自动输送及液化封装等功能。
申请号为201510458565.9的中国专利公开了一种海底天然气水合物的开采方法,该方法利用机械挖掘天然气水合物,在管柱中部通过升温降压的方法实现了天然气水合物的固液气分离,该方法对天然气水合物储层要求较高,且对天然气水合物的钻屑尺寸要求较为苛刻。
申请号为201310183676.4的中国专利公开了浅水区域天然气水合物开采装置及开采方法,提出了采用增加温度的方法实现了天然气水合物的固液气分离,该方法依靠装置自重实现自主下沉。
现有的专利技术没有实现天然气水合物钻采、输送、液化、封装及运输等一体化智能作业。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底天然气水合物开采智能机器人,以解决现有技术的问题,本发明通过交互式信息传递与智能控制,在不影响海底储层构造及稳定性条件下,实现机器人在轨迹控制条件下自主钻进与后退,采用三维扫描方式完成设定区块下的天然气水合物开采、固液气原位分离、固液原位返排,海洋平台气体除杂、液化封装与转运一体化处理,可以实现低成本条件下高效经济工业化开采。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种海底天然气水合物开采智能机器人,包括位于海平面以上的作业与控制海洋平台模块以及位于天然气水合物储层的海底机器人模块,且作业与控制海洋平台模块和海底机器人模块通过信息动力与输气脐带缆模块连接;
所述海底机器人模块:用于开采海底天然气水合物并进行固液气分离;
所述控制海洋平台模块:用于控制海底机器人模块作业,同时对采集的天然气进行液化及封装;
所述信息动力与输气脐带缆模块:用于传输控制信号及天然气。
进一步地,所述海底机器人模块包括固液气原位分离单元,固液气原位分离单元上连接有钻采与进退联动单元以及固液原位返排单元,固液气原位分离单元上还连接有输气中继单元、信息动力控制单元以及轨迹控制单元,且输气中继单元、信息动力控制单元以及轨迹控制单元通过信息动力与输气脐带缆模块连接至作业与控制海洋平台模块。
进一步地,所述信息动力与输气脐带缆模块包括信息交互传递通道、天然气传输通道以及动力传递通道,输气中继单元、信息动力控制单元以及轨迹控制单元分别通过天然气传输通道、信息交互传递通道以及动力传递通道连接至作业与控制海洋平台模块。
进一步地,作业与控制海洋平台模块包括电源、海洋平台天然气除水、除杂单元和海洋平台控制单元,且电源、海洋平台天然气除水、除杂单元和海洋平台控制单元分别与信息交互传递通道、天然气传输通道以及动力传递通道相连,海洋平台天然气除水、除杂单元的出口端连接有海洋平台天然气液化单元,海洋平台天然气液化单元的出口端连接有海洋平台液化天然气封装单元。
进一步地,固液气原位分离单元包括空心圆柱体,空心圆柱体中设置有搅拌工具,且空心圆柱体的内壁安装有电热丝,空心圆柱体的一端设有第一开口,第一开口上连接有钻采与进退联动单元,空心圆柱体的另一端设有第二开口,第二开口上连接有固液原位返排单元,且输气中继单元、信息动力控制单元以及轨迹控制单元均连接在空心圆柱体的另一端。
进一步地,输气中继单元与空心圆柱体的连接处设置有滤网层。
进一步地,钻采与进退联动单元为第一多爪破岩工具,固液原位返排单元为第二多爪破岩工具。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
考虑到天然气水合物形成的条件(温度:0-10℃,压力:30个大气压)较为特殊,现有技术均为陆相油气开采技术的借用,技术复杂,速度慢,费用高昂,本发明从天然气水合物的贮存工况出发,形成了一种海底天然气水合物开采机器人系统,能自主、高效、无污染、无破坏性的实现天然气水合物的开发,首先摆脱原油陆相油气钻采的常规思路,针对天然气水合物的特性,有的放矢;其次海底天然气水合物开采机器人原位返排能维持天然气水合物储层压力稳定,对海底储层的影响和污染相对较小;再次从海底天然气水合物开采机器人的下入到天然气的采出,均具有智能高效的特性,同时可实现机器人协同工作,工厂化规模快速开采;最后易于操作,极大的节省了人力物力,提高了工作效率。
进一步地,钻采与进退联动单元拾取的天然气水合物岩屑进入固液气原位分离单元,在高温下分解为气、液和固体三相,气体通过海洋平台负压控制自动运移进入输气中继单元进而由天然气传输通道输送到海洋平台进行后续处理;固体砂屑及废液通过搅拌工具充分分解后下沉至单元底部,借助固液原位返排单元的反转作用返排入储层。
进一步地,通过设置钻采与进退联动单元和固液原位返排单元,前进时钻采与进退联动单元采气,后退时固液原位返排单元还可以进行二次采气,提高了采气效率。
进一步地,通过在输气中继单元中设置滤网层,可以对采集的天然气进行过滤,进一步除去固体砂屑及废液。
附图说明
图1为海底天然气水合物开采机器人系统示意图;
图2为作业与控制海洋平台模块示意图;
图3为海底机器人模块示意图。
其中:1为作业与控制海洋平台模块,2为信息动力及输气脐带缆模块,3为海底机器人模块,11为电源,12为海洋平台天然气除水、除杂单元,13为海洋平台天然气液化单元,14为海洋平台液化天然气封装单元,15为海洋平台控制单元,16为脐带缆中信息交互传递通道,17为天然气传输通道,18为动力传递通道,31为第一多爪破岩工具,32为固液气原位分离单元,33为第二多爪破岩工具,34为输气中继单元,35为信息动力控制单元,36为轨迹控制单元,37为搅拌工具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
参见图1至图3,一种海底天然气水合物开采智能机器人,包括位于海平面以上的作业与控制海洋平台模块1以及位于天然气水合物储层的海底机器人模块3,且作业与控制海洋平台模块1和海底机器人模块3通过信息动力与输气脐带缆模块2连接;所述海底机器人模块3用于开采海底天然气水合物并进行固液气分离;所述控制海洋平台模块1用于控制海底机器人模块3作业,同时对采集的天然气进行液化及封装;所述信息动力与输气脐带缆模块2用于传输控制信号、动力及天然气,所述海底机器人模块3包括固液气原位分离单元32,固液气原位分离单元32上连接有钻采与进退联动单元以及固液原位返排单元,固液气原位分离单元32上还连接有输气中继单元34、信息动力控制单元35以及轨迹控制单元36,且输气中继单元34、信息动力控制单元35以及轨迹控制单元36通过信息动力与输气脐带缆模块2连接至作业与控制海洋平台模块1,所述信息动力与输气脐带缆模块2包括信息交互传递通道16、天然气传输通道17以及动力传递通道18,输气中继单元34、信息动力控制单元35以及轨迹控制单元36分别通过天然气传输通道17、信息交互传递通道16以及动力传递通道18连接至作业与控制海洋平台模块1,作业与控制海洋平台模块1包括电源11、海洋平台天然气除水、除杂单元12和海洋平台控制单元15,且电源11、海洋平台天然气除水、除杂单元12和海洋平台控制单元15分别与信息交互传递通道16、天然气传输通道17以及动力传递通道18相连,海洋平台天然气除水、除杂单元12的出口端连接有海洋平台天然气液化单元13,海洋平台天然气液化单元13的出口端连接有海洋平台液化天然气封装单元14。
固液气原位分离单元32包括空心圆柱体,空心圆柱体中设置有搅拌工具37,且空心圆柱体的内壁安装有电热丝,空心圆柱体的一端设有第一开口,第一开口上连接有钻采与进退联动单元,空心圆柱体的另一端设有第二开口,第二开口上连接有固液原位返排单元,且输气中继单元34、信息动力控制单元35以及轨迹控制单元36均连接在空心圆柱体的另一端,输气中继单元34与空心圆柱体的连接处设置有滤网层,钻采与进退联动单元为第一多爪破岩工具31,固液原位返排单元为第二多爪破岩工具33。
下面对本发明的操作过程做详细描述:
海底天然气水合物开采机器人系统包括作业与控制海洋平台模块1、信息动力及输气脐带缆模块2、海底机器人模块3三个模块,如图1所示。作业与控制海洋平台模块1包括海洋平台控制单元15、海洋平台天然气除水、除杂单元12、海洋平台天然气液化单元13及电源11;信息动力及输气脐带缆模块2包括脐带缆中信息交互传递通道16、天然气传输通道17和动力传递通道18;海底机器人模块3包括固液气原位分离单元32、钻采与进退联动单元、固液原位返排单元、输气中继单元34、信息动力控制单元35以及轨迹控制单元36。该机器人具备以下主要功能:1)控制轨迹实现三维扫描式开采;2)海水内自主下潜与上浮;3)岩层内钻进与退出;4)破岩式钻采;5)固液气原位控温分离;6)气体自动转运;7)固液原位返排;8)海洋平台气体除杂;9)海洋平台液化封装;10)海洋平台与海底智能联动控制;11)多台机器人并行工厂化作业。
一种海底天然气水合物开采智能机器人系统技术方案如下:
(1)海底机器人系统是以耐腐蚀耐磨金属材料为主进行设计,防止海水及其它介质腐蚀,降低粉砂岩摩阻。
(2)钻采与进退联动单元为涡桨式第一多爪破岩工具,第一多爪破岩工具为空心圆柱形状且在壁厚方向设置有多个叶轮,通过凸轮机构与机器人系统连接,当叶轮顺时针高速转动时,控制l2=(2~3)l1,l4≤0.3m,D2-D1=0.1~0.2m,其中,l2为固液气原位分离单元32的长度,l1+l4为第一多爪破岩工具31的长度且长度为l1的多爪破岩工具位于腔体内而长度为l4的多爪破岩工具直接与粉砂岩体接触,该设计旨在提高多爪破岩工具的刚度,防止变形。D1、D2分别为多爪破岩工具l4长度两端对应的直径。实现破岩的同时带动智能机器人系统向前移动;当叶轮逆时针高速旋转时,第一多爪破岩工具向后退出,且第一多爪破岩工具可在垂向面内实现≤90°转动。
(3)固液气原位分离单元包括空心圆柱体,空心圆柱体中设置有搅拌工具,空心圆柱体内壁安装有电热丝,控制固液气原位分离单元内温度范围60~90℃,通过钻采与进退联动单元拾取的天然气水合物岩屑进入固液气原位分离单元,在高温下分解为气、液和固体三相,气体通过海洋平台负压控制自动运移进入输气中继单元34进而由天然气传输通道17依次输送到海洋平台天然气除水、除杂单元12、海洋平台天然气液化单元13以及海洋平台液化天然气封装单元14进行后续处理;固体砂屑及废液通过搅拌工具37充分分解后下沉至固液气原位分离单元底部,借助固液原位返排单元的反转作用返排入储层。
(4)固液原位返排单位包含一小型涡桨式第二多爪破岩工具,控制D4=D3/3,其中,D3、D4分别为第一多爪破岩工具31和第二多爪破岩工具32对应的最小直径。安装于空心圆柱体另一端的下部,采用凸轮机构相连,第二多爪破岩工具33与第一多爪破岩工具31协同工作联动控制海底智能机器人自主前进与后退,当海底智能机器人退出时,第二多爪破岩工具33还可以进行二次钻采,提高采气效率。
(5)输气中继单元34含有滤网层,位于空心圆柱体另一端的空心圆柱体另一端的上部,直径为天然气传输通道17的3-5倍,可承受内压10-20MPa,内壁需做防腐处理。
(6)信息动力控制单元35通过脐带缆中信息交互传递通道16实现作业与控制海洋平台模块1与海底机器人模块3的动力传输连接,基于电缆的方式为海底机器人钻采提供动力。
(7)海底机器人轨迹控制单元36,实时反馈海底智能机器人的运动轨迹,便于海洋平台随时调整钻采方案。
(8)信息动力及输气脐带缆模块2包含脐带缆中信息交互传递通道16,天然气传输通道17,动力传递通道18,实现海洋平台与海底机器人的连通。
(9)作业与控制海洋平台模块1包含电源11,海洋平台天然气除水、除杂单元12,海洋平台天然气液化单元13,海洋平台液化天然气封装单元14,海洋平台控制单元15,用于和海底智能机器人实时互动,同时实现天然气的除湿、除杂(H2S、CO2、Cl-)等工艺和天然气液化及封装处理。
(10)通过海洋平台控制,实现海底智能机器人自主进退钻采天然气水合物,根据探明的天然气水合物储层埋深及体积设定目标区域,采用三维扫描式方法从上到下完成设定区块下的天然气水合物钻采;同时,该海洋平台可连接多台海底智能机器人协同工作,实现天然气水合物工厂化快速高效开采。
Claims (6)
1.一种海底天然气水合物开采智能机器人,其特征在于,包括位于海平面以上的作业与控制海洋平台模块(1)以及位于天然气水合物储层的海底机器人模块(3),且作业与控制海洋平台模块(1)和海底机器人模块(3)通过信息动力与输气脐带缆模块(2)连接;
所述海底机器人模块(3):用于开采海底天然气水合物并进行固液气分离;
所述控制海洋平台模块(1):用于控制海底机器人模块(3)作业,同时对采集的天然气进行液化及封装;
所述信息动力与输气脐带缆模块(2):用于传输控制信号及天然气;
所述海底机器人模块(3)包括固液气原位分离单元(32),固液气原位分离单元(32)上连接有钻采与进退联动单元以及固液原位返排单元,固液气原位分离单元(32)上还连接有输气中继单元(34)、信息动力控制单元(35)以及轨迹控制单元(36),且输气中继单元(34)、信息动力控制单元(35)以及轨迹控制单元(36)通过信息动力与输气脐带缆模块(2)连接至作业与控制海洋平台模块(1)。
2.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物开采智能机器人,其特征在于,所述信息动力与输气脐带缆模块(2)包括信息交互传递通道(16)、天然气传输通道(17)以及动力传递通道(18),输气中继单元(34)、信息动力控制单元(35)以及轨迹控制单元(36)分别通过天然气传输通道(17)、信息交互传递通道(16)以及动力传递通道(18)连接至作业与控制海洋平台模块(1)。
3.根据权利要求2所述的一种海底天然气水合物开采智能机器人,其特征在于,作业与控制海洋平台模块(1)包括电源(11)、海洋平台天然气除水、除杂单元(12)和海洋平台控制单元(15),且电源(11)、海洋平台天然气除水、除杂单元(12)和海洋平台控制单元(15)分别与信息交互传递通道(16)、天然气传输通道(17)以及动力传递通道(18)相连,海洋平台天然气除水、除杂单元(12)的出口端连接有海洋平台天然气液化单元(13),海洋平台天然气液化单元(13)的出口端连接有海洋平台液化天然气封装单元(14)。
4.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物开采智能机器人,其特征在于,固液气原位分离单元(32)包括空心圆柱体,空心圆柱体中设置有搅拌工具(37),且空心圆柱体的内壁安装有电热丝,空心圆柱体的一端设有第一开口,第一开口上连接有钻采与进退联动单元,空心圆柱体的另一端设有第二开口,第二开口上连接有固液原位返排单元,且输气中继单元(34)、信息动力控制单元(35)以及轨迹控制单元(36)均连接在空心圆柱体的另一端。
5.根据权利要求4所述的一种海底天然气水合物开采智能机器人,其特征在于,输气中继单元(34)与空心圆柱体的连接处设置有滤网层。
6.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物开采智能机器人,其特征在于,钻采与进退联动单元为第一多爪破岩工具(31),固液原位返排单元为第二多爪破岩工具(33)。
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