CN108894755B - 一种海底天然气水合物开采系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底天然气水合物开采方法及系统，属于新能源开采技术领域，其系统包括天然气水合物开采装置、驱动装置、天然气水合物净化装置、海底增压装置、泵送提升装置、L型管道和收集船；所述天然气水合物开采装置包括：绞吸开采装置和射流开采装置；其开采方法包括以下步骤：绞吸车驱动开采、海底增压装置增压、射流开采装置增压开采、天然气水合物净化、泥沙回填、泵送提升装置举升、收集船收集；在绞吸开采装置中设有粗分离装置。本发明用两种开采方式结合的方法，且在开采的同时除去天然气水合物中泥沙，各工序运转独立，有效地提高了天然气水合物的采收率，使本装置具有更良好的应用前景。

Description

一种海底天然气水合物开采系统及方法

技术领域

本发明涉及新能源开采技术领域，具体涉及一种海底天然气水合物开采系统及方法。

背景技术

天然气水合物(可燃冰)是一种清洁高效、储存量大的新能源，广泛分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。世界上天然气水合物的总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气的2倍，可满足现在对能源市场的需求。它将是21世纪人类最重要的能源。

国内外对天然气水合物的开采都竞相加快加深研究，现有的天然气水合物开采可燃冰的方法设想有：热解法、降压法及二氧化碳置换法等。但由于可燃冰普遍存在于海底或者永久冻土层中，现有的天然气水合物开采受制于复杂的海床环境，难以采用常规的钻井开采方式，这就使得固态的天然气水合物开采效率难以提高，不能有效的采集天然气水合物，尤其是对于部分在表面层以下的天然气水合物，需要钻入地下才能进行开采，难度更大。

绞吸的开采方式通过绞刀的旋转将海床表层的固态天然气水合物破碎，经绞吸力的聚合和输送泵提供的压力差将天然气水合物和砂粒的混合物吸入软管并运送到车身中的分离器进行初分离，再通过软管运输至目的地。采集过程中绞吸、分离、运输同时进行，安装有液压缸组使其可上下左右运动的杆臂能做到大面积高效率的采集海床表层的天然气水合物，因此目前市面上已经有一些研究，申请号为201510568442.0的中国专利给出了一种海底天然气水合物绞吸式开采方法，其给出了相应的开采车，但这些开采车都只是能够简单的进行绞吸，无法更大范围和高效的开采更多的可燃冰，同时其配套的系统依然不够完善，难以满足真实的海底天然气水合物开采作业，且其绞吸装置设置于车顶部，其平衡性和稳定性都受到极大影响，开采效果大打折扣。

针对海底浅层天然气水合物，有学者突出固体开采法，进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是，首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，从而获取天然气。申请号为201510522831.X的中国专利提出了一种采用热力射流的方式开采可燃冰，但其方法需要依赖热流，而海底可燃冰动辄在几千米的水下，提供持续的热流无论是从技术还是成本来说，都有较大的难度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种海底天然气水合物开采系统及方法，旨在解决目前现有海底天然气水合物开采技术不适于海底浅层与海底表层共同开采、开采范围有限、不能在海底进行分离的缺陷，严重制约了海底天然气水合物开采领域发展的问题。

本发明的技术方案是：

一种海底天然气水合物开采系统，天然气水合物开采装置、驱动装置、天然气水合物净化装置、海底增压装置、泵送提升装置、L型管道和收集船；

所述天然气水合物开采装置包括：绞吸开采装置和射流开采装置；

所述绞吸开采装置采用的是在履带式的绞吸车前端中部加设绞吸头的方式，具体结构包括：绞吸头、机械臂、绞吸头接头、液压缸组A、液压缸组B、软管A、粗分离器、液压泵、电子仓、运动机身、软管B，运动机身为履带式结构，绞吸头通过绞吸头接头连接机械臂，机械臂另一端设置于绞吸车的底盘前端，液压马达作用于绞吸头，带动绞吸头自旋转达到破碎的目的，液压马达置于绞吸车自带的机械臂上，绞吸头通过其内部设置的轴与机械臂连接；液压缸组A和液压缸组B驱动机械臂产生摆动，并将摆动角度传递到机械臂两侧并使机械臂能在其下方的扇形面积内工作；在绞吸车的机身内部设置并安装粗分离器、液压泵、电子仓；软管A和软管B分别连通粗分离器到机械臂后端以及机械臂后端到绞吸头，软管A和软管B在机械臂上的连接处穿过机械臂，并将软管B固定在机械臂下方，液压缸组A设置于机械臂两侧，带动机械臂前端转动，液压缸组B设置于机械臂后侧并连接到绞吸车上侧，带动机械臂上下转动；

所述射流开采装置包括：喷嘴本体、喷头，所述喷嘴本体内部设有通道，并在喷嘴本体前端设置喷头，在喷嘴本体中部设有贯穿的通道，并在喷嘴本体的管壁内设置有环形的流道，流道一段与通道联通，在流道的主体段内侧与外侧均设有多个与轴向倾斜的贯穿孔，作为斜向射流孔A，在流道中还设有阀板，阀板中部有与贯穿孔等径的孔，阀板宽度小于流道，在流道中可通过阀板控制实现左右移动；在喷头上设有斜向射流孔B；

射流开采装置和绞吸开采装置均通过管线连接到天然气水合物净化装置，再通过泵送提升装置送入升程软管，使其送到海面的收集船内；

射流开采装置还需要连接到海底增压装置。

进一步的，所述射流开采装置设置于海底表面以下，其与所述海底增压装置之间还包括L型管道，所述L型管道内侧为中空结构，海底增压装置与射流开采装置之间设有输送管，输送管与L型管道之间的环空部分为作为提升管。

进一步的，所述绞吸开采装置与所述天然气水合物净化装置装置之间通过软管C连接，在软管C靠近绞吸开采装置的位置设有多个浮子，使这段软管C能保持悬浮。

进一步的，所述天然气水合物净化装置置于海底增压装置基架内，采用立式分离器，包括：出砂装置、产出水回注装置和砂液喷射装置。

进一步的，泵送提升装置包括：冷却器、控制箱和增压机，辅助设备包括水下管汇、增压机基座、电路控制系统。

一种海底天然气水合物开采方法，该开采方法包括以下步骤：

S1、绞吸车驱动开采；

S2、绞吸车对天然气水合物进行粗分离；

S3、射流开采装置增压开采；

S4、天然气水合物净化；

S5、泥沙回填；

S6、泵送提升装置举升；

S7、收集船收集。

进一步的，所述步骤S1-S2中，采用海底表层绞吸开采，海底表层绞吸开采是通过电子仓控制绞吸车运动到目标位置，由液压泵提供动力，让设置于绞吸连接头中的液压马达带动绞吸头旋转；液压泵提供动力，液压缸组A上下摆动，调整机械臂位置并带动绞吸头开始开采；将开采的带杂质的天然气水合物送入粗分离器，在过程中通过履带保证移动；然后将粗分离后的天然气水合物送入天然气水合物净化装置；

进一步的，所述步骤S3中，采用海底浅层射流开采，海底浅层射流开采是通过海底增压装置对射流开采装置提供高压水流与液压油，增压机通过将净化后的海水和液压油增压，由脐带管输送高压水流和液压油到喷头，高压海水通过喷头内流道喷射出高压水流，为喷头提供运动动力及开采动力；电路系统控制阀门开度，实现喷头的转向以及大面积开采，开采后的天然气水合物由提升管运输；

进一步的，步骤S3的方向和速度与步骤S1-S2保持一定间隔，避免出现处于同一垂线的情况。防止对地层稳定性造成影响。

进一步的，所述S4-S5步骤中，将对来自S3步骤的射流开采装置所产出的水，分离后回注如射流装置中去；对S2步骤中的来自绞吸开采装置所携带的砂粒，除去在粗分离后的流化天然气水合物中所含砂粒，防止随后进入泵送提升装置后，损坏泵与运输系统，分离后注入开采后的海底浅层中去，保证浅层压力；对于分离后的天然气水合物，由管道输送进泵送举升装置。

进一步的，所述步骤S6-S7中，通过水下管汇系统，对由净化装置运送而来的天然气水合物进行集中，之后通过增压泵进行增压，增压泵的工作能力由控制箱进行控制，并且由冷却器对增压泵进行冷却，保证增压泵的可靠性；增压后，送入收集船进行天然气水合物的储存，达到一定量后集中向外输送。

本发明的有益效果是：

(1)开采系统可对海底表层、海底浅层同时进行开采，工作效率高、开采范围广，且由于绞吸开采装置开采的位置与射流开采装置不保持垂直，使其相互之间不会影响，地层稳定性也能得到保证，不会让海床坍塌。

(2)海底表层绞吸开采装置可对天然气水合物同时进行破碎、分离与收集，减小了结构的复杂性，节约资金、降低能耗。

(3)海底浅层射流开采装置可对海床表面以下的天然气水合物实现开采，提高了能源利用率，且本装置可实现方向控制，增大了开采面积，进一步提高了能源利用率及工作效率。

(4)分离提升装置可对输送来的混合物在海底进行分离，将废物排出，进而输送天然气水合物至收集船，降低了能源消耗，节约成本。

(5)将两种方式通过天然气水合物净化装置结合起来，使其具有更好的使用效果，能够一次性的保证既能够横向大面积的开采可燃冰，同时还能在一定深度上纵向开采可燃冰，且为了让两者能够结合，对其结构进行了系统化的优化，同时设定了适应其运行的具体方法，使其确保能够完成协同作业，与现有技术的单独通过绞吸式和射流式的方法相比，本发明的组合方法并非简单的组合，更重要的是将其有机统一，对绞吸和射流的结构都有所改进，同时使其能够更好的统一协调，完成同一区块的整体开采。

附图说明

图1为本发明的实现流程示意图；

图2为本发明的原理结构示意图；

图3为海底表层绞吸开采装置的结构示意图；

图4为海底浅层射流开采装置的结构示意图；

图5为图4中部区域的放大示意图。

附图标记：

1、绞吸头；2、机械臂；3、车身；4、浮子；5、软管C；6、泵送提升装置；7、天然气水合物净化装置；8、海底增压装置；9、海底泥沙；10、海底浅层天然气水合物；11、L形管道；12、输送管；13、提升管；14、射流装置；15、升程软管；16、收集船；17、绞吸头接头；18液压缸组A；19、液压缸组B；20、软管A；21、粗分离器；22、液压泵；23、电子仓；24、运动机身；25、软管B；26喷嘴本体；27、通道；28、流道；29、密封板；30、阀板；31、斜向射流孔A；32、喷头；33、斜向射流孔B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，一种海底天然气水合物开采系统，包括：天然气水合物开采装置、驱动装置、天然气水合物净化装置7、海底增压装置8、泵送提升装置6、L形管道11和收集船16；

天然气水合物开采装置包括：绞吸开采装置，其作用通过绞吸的开采方式对海床表面天然气水合物破碎和收集；射流开采装置，其作用通过高压射流对海床表面以下浅层天然气水合物开采与运输；

驱动装置，其作用在于控制绞吸开采装置运动，扩大绞吸装置开采范围；

天然气水合物净化装置7，其作用在于对开采装置运输而来的天然气水合物进行净化，分离泥沙并回填；

海底增压装置8，其作用在于对射流开采装置提供高压水流与液压油；

L形管道11，其作用在于隔绝海水，下放射流开采装置管道并连接海底增压装置；

收集船16，其作用在于对开采的天然气水合物进行储存运输；

泵送提升装置6，其作用在于对净化后的天然气水合物举升至收集船16；所述升程软管15确定为阶梯式的举升管柱结构，经计算得到最大振幅、应力所对应的海浪周期约为6s，最大振幅值约为3.25m、最大轴向应力约为930MPa，从而减小举升系统振幅及轴向应力、避免共振导致的管柱寿命缩短。升程软管15弯头处为壁面冲蚀损伤最严重的位置，最大冲蚀率达到了2.35e^-3，波峰冲蚀程度强于波谷处。其它部位冲蚀主要集中在管道外弧内壁，且最大冲蚀率随着粒子直径的增大波动比较大。

在图3中，海底表层绞吸开采装置和驱动装置，通过电子仓23中枢控制使绞吸车运动到目标位置，由液压泵22提供动力，置于绞吸连接头17中的液压马达传动使绞吸头1旋转；液压泵22提供动力，液压缸组A18上下摆动，调整机械臂2位置并带动绞吸头1开始开采，由液压缸组B19左右摆动，形成一个扇形的开采范围；绞吸头1高速旋转，产生涡旋绞吸力，将被梯形刀破碎的天然气水合物与岩粒的混合物聚合到软管A20口，由液压泵22提供一个吸力，将混合物运送；天然气水合物与岩粒混合物通过软管A20和软管B25运送到车厢内的粗分离器21，由其密度不同，将混合物分离，分离出的天然气水合物通过出口管道运送至天然气水合物净化装置7；某一海床表层范围的天然气水合物开采完毕，通过电子仓23中枢控制小车移动，履带移动保证其平稳抓地，安全移动至下一目标位置，保证工作效率。

在图4和图5中，海底浅层射流开采装置，喷嘴本体26内开设有与内输送管连接的通道27，喷嘴本体26内的通道27连通喷头32，喷头32上设置多个开孔，从内输送管输送来的水源经过流道从喷头32的开孔喷出，将海底浅层中的天然气水合物冲击成为颗粒状。当需要旋转时，通过对流道28内注入压力，带动阀板30移动，改变斜向射流孔A31的开度，使其能够转向开采其余方向的天然气水合物。

下面结合附图及具体实施方式对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明的目的在于提供一种海底天然气水合物开采方法，如图1所示，主要步骤包括：绞吸车驱动开采、粗分离、海底增压装置增压、射流开采装置增压开采、天然气水合物净化、泥沙回填、泵送提升装置举升、收集船收集；

(1)海底表层绞吸开采，如图3中，通过电子仓23中枢控制使绞吸车运动到目标位置，由液压泵22提供动力，置于绞吸连接头17中的液压马达带动使绞吸头1旋转；液压泵22提供动力，液压缸组A11上下摆动，调整机械臂2位置并带动绞吸头1开始开采，由液压缸组B19左右摆动，形成一个扇形的开采范围；天然气水合物与岩粒混合物通过软管A20和软管B25运送到绞吸车内的粗分离器21，某一海床表层范围的天然气水合物开采完毕，通过电子仓23中枢控制绞吸车移动，履带移动保证其平稳抓地，安全移动至下一目标位置，保证工作效率，进入下一工序；

(2)粗分离，如图3所示，绞吸头1高速旋转，产生涡旋绞吸力，将被梯形刀破碎的天然气水合物与岩粒的混合物聚合到管道A20口，由液压泵22提供一个吸力，将混合物运送；天然气水合物与岩粒混合物通过软管A20和软管B25运送到绞吸车内的粗分离器21，由其密度不同，将混合物分离，分离出的天然气水合物通过出口管道运送至天然气水合物净化装置7，进入下一工序；

(3)海底增压装置增压，海底增压装置是开采系统的核心，作用是对射流开采装置提供高压水流与液压油，主要装置包括冷却器、气液分离器和增压机等，辅助设备包含水下管汇、基座、电路控制系统等，增压机通过将净化后的海水和液压油增压，由脐带管输送高压水流和液压油到喷头，进入下一工序；

(4)射流开采装置增压开采，高压海水通过喷头内流道喷射出高压水流，为喷头提供运动动力及开采动力；液压油由电路系统控制，需要时由脐带管输送到喷头内部流道中，控制阀门开度，如图5所示，实现喷头的转向(喷嘴本体26上的贯穿孔沿轴向和周向都保持一定倾斜，使其既可以在射流的作用下旋转，又可以在射流的作用下转向)，实现大面积开采，开采后的天然气水合物由提升管运输，进入下一工序；

(5)天然气水合物净化，采用立式分离器，它包括：出砂装置、产出水回注装置和砂液喷射装置等；对来自射流开采装置所产出的水，分离后回注如射流装置中去；对来自绞吸开采装置所携带的砂粒，除去在粗分离后的流化天然气水合物中所含砂粒，防止随后进入泵送提升装置后，损坏泵与运输系统，分离后注入开采后的海底浅层中去，保证浅层压力；对于分离后的天然气水合物，由管道输送进泵送举升装置，进入下一工序；

(6)泵送提升装置举升，装置主要包括：冷却器、控制箱和增压机等，辅助设备包括水下管汇、增压机基座、电路控制系统等；通过水下管汇系统，对由净化装置运送而来的天然气水合物进行集中，之后通过增压泵进行增压，增压泵的工作能力由控制箱进行控制，并且由冷却器对增压泵进行冷却，保证增压泵的可靠性；增压后，进入下一工序；

(7)收集船收集，对开采的天然气水合物进行储存运输。

在射流开采装置和绞吸开采装置同时运动的时候，两者之间在水平面方向保持一定间隔，避免出现处于同一垂线的情况，当两者处于同一轴线的时候，会发生震动交叠，且上部绞吸车重力较大，下部出现开采后的空层，容易发生海床坍塌，造成可燃冰泄露，危害环境和上部船体的安全。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种海底天然气水合物开采系统，包括天然气水合物开采装置、驱动装置、天然气水合物净化装置、海底增压装置、泵送提升装置、L型管道和收集船；

所述天然气水合物开采装置包括：绞吸开采装置和射流开采装置；

所述绞吸开采装置采用的是在履带式的绞吸车前端中部加设绞吸头的方式，具体结构包括：绞吸头、机械臂、绞吸头接头、液压缸组A、液压缸组B、软管A、粗分离器、液压泵、电子仓、运动机身、软管B，运动机身为履带式结构，绞吸头通过绞吸头接头连接机械臂，机械臂另一端设置于绞吸车的底盘前端，液压马达作用于绞吸头，带动绞吸头自旋转达到破碎的目的，液压马达置于绞吸车自带的机械臂上，绞吸头通过其内部设置的轴与机械臂连接；液压缸组A和液压缸组B驱动机械臂摆动，并将摆动角度传递到机械臂两侧并使机械臂能在其下方的扇形面积内工作；在绞吸车的车身内部设置并安装粗分离器、液压泵、电子仓；软管A和软管B分别连通粗分离器到机械臂后端以及机械臂后端到绞吸头两处，软管A和软管B在机械臂上的连接处穿过机械臂，并将软管B固定在机械臂下方，液压缸组A设置于机械臂两侧，带动机械臂前端转动，液压缸组B设置于机械臂后侧并连接到绞吸车上侧，带动机械臂上下转动；

所述射流开采装置包括：喷嘴本体、喷头，所述喷嘴本体内部设有通道，并在喷嘴本体前端设置喷头，在喷嘴本体中部设有贯穿的通道，并在喷嘴本体的管壁内设置有环形的流道，流道一段与通道联通，在流道的主体段内侧与外侧均设有多个与轴向倾斜的贯穿孔，作为斜向射流孔A，在流道中还设有阀板，阀板中部有与贯穿孔等径的孔，阀板宽度小于流道，在流道中可通过阀板控制实现左右移动；在喷头上设有斜向射流孔B；

射流开采装置和绞吸开采装置均通过管线连接到天然气水合物净化装置，再通过泵送提升装置送入升程软管，使其送到海面的收集船内；

射流开采装置还需要连接到海底增压装置。

2.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物开采系统，其特征在于，所述射流开采装置设置于海底表面以下，其与所述海底增压装置之间还包括L型管道，所述L型管道内侧为中空结构，海底增压装置与射流开采装置之间设有输送管，输送管与L型管道之间的环空部分为作为提升管。

3.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物开采系统，其特征在于，所述绞吸开采装置与所述天然气水合物净化装置之间通过软管C连接，在软管C靠近绞吸开采装置的位置设有多个浮子，使这段软管C能保持悬浮。

4.根据权利要求2或3所述的一种海底天然气水合物开采系统，其特征在于所述天然气水合物净化装置置于海底增压装置基架内，采用立式分离器，包括：出砂装置、产出水回注装置和砂液喷射装置。

5.根据权利要求4所述的一种海底天然气水合物开采系统，其特征在于泵送提升装置包括：冷却器、控制箱和增压机，辅助设备包括水下管汇、增压机基座、电路控制系统。

6.一种采用如权利要求5所述海底天然气水合物开采系统的海底天然气水合物开采方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、绞吸车驱动开采；

S2、绞吸车对天然气水合物进行粗分离；

S3、射流开采装置增压开采；

S4、天然气水合物净化；

S5、泥沙回填；

S6、泵送提升装置举升；

S7、收集船收集。

7.根据权利要求6所述海底天然气水合物开采方法，其特征在于，所述步骤S1-S2中，采用海底表层绞吸开采，海底表层绞吸开采是通过电子仓控制绞吸车运动到目标位置，由液压泵提供动力，让设置于绞吸连接头中的液压马达带动绞吸头旋转；液压泵提供动力，液压缸组A上下摆动，调整机械臂位置并带动绞吸头开始开采；将开采的带杂质的天然气水合物送入粗分离器，在过程中通过履带保证移动；然后将粗分离后的天然气水合物送入天然气水合物净化装置。

8.根据权利要求6所述海底天然气水合物开采方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用海底浅层射流开采，海底浅层射流开采是通过海底增压装置对射流开采装置提供高压水流与液压油，增压机通过将净化后的海水和液压油增压，由脐带管输送高压水流和液压油到喷头，高压海水通过喷头内流道喷射出高压水流，为喷头提供运动动力及开采动力；电路系统控制阀门开度，实现喷头的转向以及大面积开采，开采后的天然气水合物由升程软管运输；

步骤S3的方向和速度与步骤S1-S2保持一定间隔，避免出现处于同一垂线的情况。

9.根据权利要求7或8所述海底天然气水合物开采方法，其特征在于，所述S4-S5步骤中，将对来自S3步骤的射流开采装置所产出的水，分离后回注如射流装置中去；对S2步骤中的来自绞吸开采装置所携带的砂粒，除去在粗分离后的流化天然气水合物中所含砂粒，防止随后进入泵送提升装置后，损坏泵与运输系统，分离后注入开采后的海底浅层中去，保证浅层压力；对于分离后的天然气水合物，由管道输送进泵送举升装置。

10.根据权利要求9所述海底天然气水合物开采方法，其特征在于，所述步骤S6-S7中，通过水下管汇系统，对由净化装置运送而来的天然气水合物进行集中，之后通过增压泵进行增压，增压泵的工作状态由控制箱进行控制，并且由冷却器对增压泵进行冷却，保证增压泵的可靠性；增压后，送入收集船进行天然气水合物的储存，达到一定量后集中向外输送。

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