CN109372426B - 一种冰冻钻孔通孔设备及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冰冻钻孔通孔设备，包括用于对水分类存储的分区水池、用于对分区水池中的水进行加热的加热系统、用于射流钻孔的射流装置和用于钻孔水回收的水循环机构，分区水池通过隔热板分为冷水池和热水池，水循环机构通过回水管将钻孔内部使用后的水重新抽入到冷水池之中，加热系统通过热水分温器对水实现分温式加热并传输到射流装置对钻孔内部完成通孔处理，还公开了一种冰冻钻孔通孔设备的使用方法，包括如下步骤：确定所需水量和热量，不同温度水的比例；制得符合要求的边缘水和中心水；注入边缘水和中间水工作完成通孔并回收，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，同时还可有效节约热能。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物技术领域，具体为一种冰冻钻孔通孔设备及其使用方法。
背景技术
天然气水合物是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”，因其中的气体成分主要为甲烷，故又称甲烷水合物(MethaneHydrate)。天然气水合物能量密度高，在理想状况下，1m3的天然气水合物可分解出164m3的甲烷气体和0.8m3的水。而地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富，天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，估计全球天然气水合物中的碳储量为2×1016m3，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上。上世纪90年代以来，世界上发达国家和一些发展中国家纷纷制订各自的开发研究计划，对天然气水合物进行全面的、系统的调查和研究。
目前，对冻土区天然气水合物虽然已进行了大量研究，但对于水合物形成、分解与冻土、环境以及地质构造相互之间的关系、冻土区水合物的成藏理论仍有很多悬而未解的问题；同时，如何把来之不易的“绿色能源”勘探成果“培育”好、发展好，使其发挥最大的生态、经济效益也是目前面临的另一项挑战。为了探索研究天然气水合物勘探、开采过程中产生的原位变化，深入开展冻土区天然气水合物基础研究，对冻土区钻探井下天然气水合物原位动态变化的研究已显得非常重要。开展天然气水合物合成、分解过程中原位动态的微观变化，以及对大气-水-环境可能带来的宏观变化的研究，对实现我国针对天然气水合物这种新型洁净能源的绿色生态利用和发展具有重要意义。
伴随天然气水合物勘探开发过程，水体中溶解性甲烷浓度的含量对地层中天然气水合物存在状态的指示愈发重要。一方面，可对天然气水合物含量进行评估；另一方面，可对天然气水合物产生的甲烷进行实时监测，以免对环境造成灾害性影响。目前，对冻土区固结岩层内天然气水合物开采过程中，地层水中天然气水合物含量变化的监测已引起广大学者的重视，但监测方法却寥寥无几。故本发明提出了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测的方法系统，可为研究冻土区环境下水合物赋存条件变化、甲烷溶解、甲烷迁移等科学问题提供基本参数。
而在高海拔永久冻土区，因低温环境的影响，约100m厚的水体结冰成块，把孔内的观测仪器及设备冰封在孔内，无法检修及更换，而钻探凿冰对连接监测仪器的缆线破坏大，极易造成缆线断裂，监测仪器沉没井底的发生。
而且在进行钻孔通孔的时候，传统都是通过注入同等温度的水，一方面导致热能的浪费，而且不易控制热水的热量，导致钻孔通孔过程效率降低。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种冰冻钻孔通孔设备及其使用方法，其可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑，同时在保证通孔效率的同时，有效节约能源，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种冰冻钻孔通孔设备，包括用于对水分类存储的分区水池、用于对分区水池中的水进行加热的加热系统、用于射流钻孔的射流装置和用于钻孔水回收的水循环机构，所述分区水池通过隔热板分为冷水池和热水池，所述水循环机构通过回水管将钻孔内部使用后的水重新抽入到冷水池之中，所述加热系统通过热水分温器对水实现分温式加热并传输到射流装置对钻孔内部完成通孔处理。
进一步地，所述加热系统包括通过抽水管与冷水池连接的第一抽水泵，所述第一抽水泵通过连接管将抽出的冷水排入到加热器内部，所述热水分温器安装在加热器内部，所述热水分温器包括安装在加热器内部的分隔挡板，所述分隔挡板将加热器内部分为高温室和次温室，所述射流装置分别与高温室和次温室连接，高温室通过热水管将热水排入到热水池内部。
进一步地，所述分隔挡板下表面均匀安装有若干个组倾斜铜管，每一组倾斜铜管表面均缠绕有螺旋电加热丝，且倾斜铜管顶端还穿过分隔挡板连接有传热导管，所述传热导管表面均连接有若干个导热片。
进一步地，所述导热片表面设置为波浪状结构，且每一组倾斜铜管之间还安装有中心管，所述中心管顶端还连接有分支管，所有中心管的分支管通过表面螺旋状的连接铜曲管固定连接，且导热片和连接铜曲管均位于次温室内部，且传热导管和分支管上均安装有阀门。
进一步地，所述射流装置包括与热水池连接的高温管，以及与次温室连接的次温管，所述高温管和次温管均通过胶管绞车连接有分割式射流器，且高温管和次温管上均安装有第二抽水泵。
进一步地，所述分割式射流器包括相互套接的中心管和边缘套筒，中心管顶端通过导向器与次温管连接，边缘套筒顶端通过集合座与高温管连接，且导向器密封贯穿集合座，且集合座内壁均匀安装有若干个导流通道，且边缘套筒外壁设置有隔热层，中心管和边缘套筒底端均连接有加压器。
进一步地，所述水循环机构包括与回水管连接的净水器，所述净水器内部设置有若干个净化小室，每一个净化小室之间通过精细筛连接，且每一个净化小室内部均设置有V型初筛网，所述净水器末端通过导入管与冷水池连接。
本发明还公开了一种冰冻钻孔通孔设备的使用方法，包括如下步骤：
S100、确定并测量钻孔的位置和深度，通过温度差异对比得出所需水量和热量，并通过数据分析计算出所需的不同温度水的比例；
S200、启动钻孔通孔设备的加热系统对不同温度的水同步加热，制得符合要求的边缘水和中心水；
S300、将制得的热水按比例注入钻孔内部，通过边缘水和中间水同时工作完成通孔，对使用后的冷却水净化处理之后重新回收。
进一步地，所述步骤S100中，不同温度水的温差不超过30℃。
进一步地，所述步骤S200中，加热系统工作过程为：启动加热系统首先直接加热得到初步的中心水，之后打开对应的阀门通过热水的流动实现热传递，对另一部分水进行余热加热得到初步的边缘水，持续加热直至得到符合要求的中心水和边缘水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过热水射流消融的方式对冻土区冻结钻孔进行通孔作业，通过对孔内的冰进行射流消融，可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑；
(2)本发明利用边缘水和中心水的温差式组合，在保证完成热水射流消融的同时，可以最大限度的节约热能，降低设备工作负荷。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的加热器内部结构示意图；
图3为本发明的分割式射流器结构示意图；
图4为本发明的通孔设备使用方法工作流程示意图。
图中标号：
1-分区水池；2-加热系统；3-射流装置；4-水循环机构；5-回水管；6-热水分温器；7-钻孔；8-加压器；9-第二抽水泵；
101-隔热板；102-冷水池；103-热水池；
201-抽水管；202-第一抽水泵；203-连接管；204-加热器；205-热水管；
301-高温管；302-次温管；303-胶管绞车；304-分割式射流器；305-中心管；306-边缘套筒；307-导向器；308-集合座；309-导流通道；310-隔热层；
401-净水器；402-净化小室；403-精细筛；404-V型初筛网；405-导入管；
601-分隔挡板；602-高温室；603-次温室；604-倾斜铜管；605-螺旋电加热丝；606-传热导管；607-导热片；608-中心管；609-分支管；610-连接铜曲管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明提供了一种冰冻钻孔通孔设备，包括用于对水分类存储的分区水池1、用于对分区水池1中的水进行加热的加热系统2、用于射流钻孔的射流装置3和用于钻孔水回收的水循环机构4，所述分区水池1通过隔热板101分为冷水池102和热水池103，所述水循环机构4通过回水管5将钻孔7内部使用后的水重新抽入到冷水池102之中，所述加热系统2通过热水分温器6对水实现分温式加热并传输到射流装置3对钻孔7内部完成通孔处理，该设备通过加热系统2对需要用到的热水进行加热，并加热至合适的温度，之后通过可以钻孔的射流装置3将热水注入到钻孔7内部，通过热水的射流完成通孔工作，而整个热水射流过程采用边缘和中心结合的方式同步进行，不仅保证了整体的射流钻孔效果，而且可以有效节约能源，同时在使用之后，对用过的射流水进行过滤回收，实现重复利用，可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑。
所述加热系统2包括通过抽水管201与冷水池102连接的第一抽水泵202，所述第一抽水泵202通过连接管203将抽出的冷水排入到加热器204内部，所述热水分温器6安装在加热器204内部，所述热水分温器6包括安装在加热器204内部的分隔挡板601，所述分隔挡板601将加热器204内部分为高温室602和次温室603，所述射流装置3分别与高温室602和次温室603连接，高温室602通过热水管205将热水排入到热水池103内部，通过第一抽水泵202将冷水池102内部的水抽入到加热器204内部，通过加热器内部的热水分温器6分别进行加热，完成对水的分温式加热，得到不同温度的水，用以分别完成射流通孔处理。
其中分隔挡板601和隔热板101均采用隔热材料制成，比如气凝胶毡，保证相邻的空间不会出现热传递，提高整体的加热效果。
在将冷水抽入到加热器204内部之后，在分隔挡板601的作用下实现水的分隔作用，所述分隔挡板601下表面均匀安装有若干个组倾斜铜管604，每一组倾斜铜管604表面均缠绕有螺旋电加热丝605，且倾斜铜管604顶端还穿过分隔挡板601连接有传热导管606，所述传热导管606表面均连接有若干个导热片607，所述导热片607表面设置为波浪状结构，且每一组倾斜铜管604之间还安装有中心管608，所述中心管608顶端还连接有分支管609，所有中心管608的分支管609通过表面螺旋状的连接铜曲管610固定连接，且导热片607和连接铜曲管610均位于次温室603内部，且传热导管606和分支管609上均安装有阀门。
之后开始加热，首先在多组倾斜铜管604的作用下，其表面的螺旋电加热丝605直接对高温室602内部的水进行加热，通过直接的加热作用使得高温室602内部的水温快速上升，而在螺旋电加热丝605的作用下，多组倾斜铜管604本身也吸收热量，从而对倾斜铜管604内部的液体进行加热，使得其受热蒸发并通过传热导管606上升至次温室603内部，并通过多个波浪状的导热片607向外扩散，对次温室603内部的水进行二次加热，而在加热的同时，每一组倾斜铜管604之间的中心管608被高温室602内部的热水加热，其内部的冷却液体吸收热量后快速蒸发并上升至次温室603内部，通过分支管609共同传输到连接铜曲管610内部，从而利用高温室602内部的热水的余热进行加热，在高温室602完成加热之后，即可有效利用余热，避免再次对次温室603内的水加热而浪费热能，同时在加热的时候，当不需要对次温室603内部的水加热时，只需关闭传热导管606和分支管609上对应的阀门，即可停止热量的供应，操作简单，易于控制。
而加热后的高温室602的水传输到热水池103之中，所述射流装置3包括与热水池103连接的高温管301，以及与次温室603连接的次温管302，所述高温管301和次温管302均通过胶管绞车303连接有分割式射流器304，且高温管301和次温管302上均安装有第二抽水泵9，需要射流钻孔的时候，在高温管301和次温管302的作用下，通过第二抽水泵9分别将次温室603和热水池103内部的水抽出，并通过胶管绞车303调节位置，利用分割式射流器304完成射流钻孔处理。
所述分割式射流器304包括相互套接的中心管305和边缘套筒306，中心管305顶端通过导向器307与次温管302连接，边缘套筒306顶端通过集合座与高温管连接308，且导向器307密封贯穿集合座308，且集合座308内壁均匀安装有若干个导流通道309，且边缘套筒306外壁设置有隔热层310，中心管305和边缘套筒306底端均连接有加压器8。
其具体钻孔时，由于高温管301和次温管302内部的热水温度不同，高温管301内部的水通过集合座308灌输到边缘套筒306内部，次温管302内部的热水通过导向器307灌输到中心管305内部，并最终通过加压器8加压处理之后，对钻孔7内部进行射流钻孔，由于在钻孔7内部，其边缘温度远低于中心温度，在射流钻孔的过程中，利用其物理特性，可以适当降低中心的射流温度，保持边缘的射流温度，使得边缘套筒306喷出的射流液体可以以高热量的状态完成射流通孔工作，而在边缘的高温射流作用下完成边缘钻孔，在边缘部分完成钻孔破冰之后，中心管305喷出的射流温度较低也可以对钻孔7内部完成钻孔操作，在不影响整体钻孔效率的前提下，有效节约了热能，降低了整个设备的工作负荷。
而在完成钻孔之后，通过水循环机构4对钻孔用水回收利用，所述水循环机构4包括与回水管5连接的净水器401，所述净水器401内部设置有若干个净化小室402，每一个净化小室402之间通过精细筛403连接，且每一个净化小室402内部均设置有V型初筛网404，所述净水器401末端通过导入管405与冷水池102连接。
在回水管5的抽水作用下，回收水进入到净水器401内部，通过其内部的多个净化小室402的V型初筛网404之后，再通过精细筛403的二次过滤，实现粗筛和精筛的有效结合，提高过滤效果，减少回收水中的杂质，之后重新排入到冷水池102内部，以便于下次利用。
如图4所示，本发明还提供了一种冰冻钻孔通孔设备的使用方法，包括如下步骤：
S100、确定并测量钻孔的位置和深度，通过温度差异对比得出所需水量和热量，并通过数据分析计算出所需的不同温度水的比例，所述步骤S100中，不同温度水的温差不超过30℃，通过合理的计算得出符合要求的数据，可以有效提高钻孔的效率和准确性；
S200、启动钻孔通孔设备的加热系统对不同温度的水同步加热，制得符合要求的边缘水和中心水；所述步骤S200中，加热系统工作过程为：启动加热系统首先直接加热得到初步的中心水，之后打开对应的阀门通过热水的流动实现热传递，对另一部分水进行余热加热得到初步的边缘水，持续加热直至得到符合要求的中心水和边缘水。
在具体加热时，加热系统是通过将边缘水加热的余热传输到中心水，实现同步加热的同时，有效节约能源，边缘水和中心水的温差式组合，在保证完成热水射流消融的同时，可以最大限度的节约热能，降低设备工作负荷。
S300、将制得的热水按比例注入钻孔内部，通过边缘水和中间水同时工作完成通孔，对使用后的冷却水净化处理之后重新回收。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种冰冻钻孔通孔设备，其特征在于：包括用于对水分类存储的分区水池(1)、用于对分区水池(1)中的水进行加热的加热系统(2)、用于射流钻孔的射流装置(3)和用于钻孔水回收的水循环机构(4)，所述分区水池(1)通过隔热板(101)分为冷水池(102)和热水池(103)，所述水循环机构(4)通过回水管(5)将钻孔(7)内部使用后的水重新抽入到冷水池(102)之中，所述加热系统(2)通过热水分温器(6)对水实现分温式加热并传输到射流装置(3)对钻孔(7)内部完成通孔处理；所述加热系统(2)包括通过抽水管(201)与冷水池(102)连接的第一抽水泵(202)，所述第一抽水泵(202)通过连接管(203)将抽出的冷水排入到加热器(204)内部，所述热水分温器(6)安装在加热器(204)内部，所述热水分温器(6)包括安装在加热器(204)内部的分隔挡板(601)，所述分隔挡板(601)将加热器(204)内部分为高温室(602)和次温室(603)，所述射流装置(3)分别与高温室(602)和次温室(603)连接，高温室(602)通过热水管(205)将热水排入到热水池(103)内部；所述分隔挡板(601)下表面均匀安装有若干组倾斜铜管(604)，每一组倾斜铜管(604)表面均缠绕有螺旋电加热丝(605)，且倾斜铜管(604)顶端还穿过分隔挡板(601)连接有传热导管(606)，所述传热导管(606)表面均连接有若干个导热片(607)；所述导热片(607)表面设置为波浪状结构，且每一组倾斜铜管(604)之间还安装有中心管(608)，所述中心管(608)顶端还连接有分支管(609)，所有中心管(608)的分支管(609)通过表面螺旋状的连接铜曲管(610)固定连接，且导热片(607)和连接铜曲管(610)均位于次温室(603)内部，且传热导管(606)和分支管(609)上均安装有阀门。
2.根据权利要求1所述的一种冰冻钻孔通孔设备，其特征在于：所述射流装置(3)包括与热水池(103)连接的高温管(301)，以及与次温室(603)连接的次温管(302)，所述高温管(301)和次温管(302)均通过胶管绞车(303)连接有分割式射流器(304)，且高温管(301)和次温管(302)上均安装有第二抽水泵(9)。
3.根据权利要求2所述的一种冰冻钻孔通孔设备，其特征在于：所述分割式射流器(304)包括相互套接的中心管(305)和边缘套筒(306)，中心管(305)顶端通过导向器(307)与次温管(302)连接，边缘套筒(306)顶端通过集合座(308)与高温管(301)连接，且导向器(307)密封贯穿集合座(308)，且集合座(308)内壁均匀安装有若干个导流通道(309)，且边缘套筒(306)外壁设置有隔热层(310)，中心管(305)和边缘套筒(306)底端均连接有加压器(8)。
4.根据权利要求1所述的一种冰冻钻孔通孔设备，其特征在于：所述水循环机构(4)包括与回水管(5)连接的净水器(401)，所述净水器(401)内部设置有若干个净化小室(402)，每一个净化小室(402)之间通过精细筛(403)连接，且每一个净化小室(402)内部均设置有V型初筛网(404)，所述净水器(401)末端通过导入管(405)与冷水池(102)连接。
5.一种使用权利要求1-4中任意一项所述的冰冻钻孔通孔设备的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、确定并测量钻孔的位置和深度，通过温度差异对比得出所需水量和热量，并通过数据分析计算出所需的不同温度水的比例；
S200、启动钻孔通孔设备的加热系统对不同温度的水同步加热，制得符合要求的边缘水和中心水；
S300、将制得的热水按比例注入钻孔内部，通过边缘水和中间水同时工作完成通孔，对使用后的冷却水净化处理之后重新回收。
6.根据权利要求5所述的一种方法，其特征在于，所述步骤S100中，不同温度水的温差不超过30℃。
7.根据权利要求5所述的一种方法，其特征在于，所述步骤S200中，加热系统工作过程为：启动加热系统首先直接加热得到初步的中心水，之后打开对应的阀门通过热水的流动实现热传递，对另一部分水进行余热加热得到初步的边缘水，持续加热直至得到符合要求的中心水和边缘水。
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