CN109488258B - 海底浅表层水合物开采装置及其开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底浅表层水合物开采装置及其开采方法，涉及非常规油气藏开发工程技术领域，在船上控制海底采矿车，采矿车在海底将水合物及沉积物采掘后进行排水、粉碎，然后被船体缆绳抬升到海水浅层并进行加热。本发明的有益效果是，水合物的分解是发生在海水浅层位置的水合物分解站中，近海平面的浅水层相对于海底环境具有低压和高温特征，具有水合物分解得天独厚的温压条件，兼以辅助加热以促进水合物分解的速率。具有海底自主行走功能，多角度、多方位开采技术等模块。采后被分解的水合物沉积物被回填到采空区，可有效避免滑坡等地质灾害，且整个单线作业速度快，时间短，有效避免水合物的分解对海洋环境以及海洋生物的影响。

Description

海底浅表层水合物开采装置及其开采方法

技术领域

本发明涉及非常规油气藏开发工程技术领域，特别是一种海底浅表层水合物开采装置及其开采方法。

背景技术

天然气水合物是一种极具潜力的能量资源，在世界各地海洋和永冻土中都有广泛分布，我国也在南海海底和祁连山冻土带中发现了水合物。

由于水合物本身具有独特的物理化学性质以及在不同环境中的多变动力学特征，所以在水合物形成、迁移以及分解过程中会在海底呈现各种特征的地质地貌类型。调查发现，海底麻坑、海底泥火山、冷泉、水合物丘等海底地貌与水合物有着密切的关系，是指示水合物存在的有利地质证据。各国纷纷在布莱克海台、美国水合物脊、墨西哥湾、韩国郁龙盆地、日本南海海槽、巴巴多斯岛、地中海、里海、鄂霍次克海等海域查明了海底泥火山、麻坑、水合物丘的分布，并且在这些特殊的海底地貌发育区都发现了大量块状水合物的存在。

就海域赋存于浅表层泥火山、麻坑、水合物丘中的块状水合物而言，目前还没有发明出高效、权威的开采装置。本发明提供了一种海域浅表层块状水合物智能采矿车提升释压装置，通过海面船体控制海底采矿车，由采矿车在海底将水合物及沉积物采掘后进行排水、粉碎，然后被船体缆绳抬升到海水浅层位置并进行加热，通过改变水合物的相平衡条件促使水合物分解，具有高效、经济等优势。

专利“CN108222892”提出“一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置及方法”。该专利是利用钻探方式，将钻管伸入到水合物储层（海底以下一定深度），利用高压水流沿着储层进行破碎，其开采原理是基于固态流化法，主要针对海底一定深度范围内水合物的开采。

发明内容

本发明的目的是针对分布于海底泥火山、麻坑、水合物丘中的表层及浅层块状水合物的开采，设计了一种海底浅表层水合物开采装置。

本发明公开了一种海底浅表层水合物开采装置，开采单元在海底将水合物及沉积物采掘后进行排水、粉碎，然后被提升装置抬升到水合物分解站并进行加热。本发明中水合物的分解是发生在海水浅层位置的水合物分解站中，近海平面的浅水层相对于海底环境具有低压和高温特征，具有水合物分解得天独厚的温压条件，兼以辅助加热以促进水合物分解的速率。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种海底浅表层水合物开采装置，包括开采单元和收集单元，其中，所述开采单元包括：海底船体，工作于海底；排水室，设置于所述海底船体上，所述排水室的顶部设有压力阀，底部设有单向排水孔，所述排水室用于控制水合物块体中的水份从排水室排出；螺旋钻头，用于钻掘和传输沉积物；转动圈，设置于所述排水室的入口端，用于连接所述排水室和所述高速螺旋钻头，提供所述高速螺旋钻头的旋转动力；转向臂，设置于海底船体上，用于所述高速螺旋钻头的转动；破碎机，设置于所述海底船体上，用于将排水后的水合物块体粉碎；分解箱，用于收集从所述破碎机中粉碎的水合物；所述收集单元包括：水合物分解站，设置于浅水层；提升装置，用于将所述分解箱传递到所述水合物分解站；集气管，活动设置于所述分解箱上，用于所述分解箱内分解后的气体的回收和储集。

进一步的，还包括履带，所述履带设置于所述海底船体的底端，用于所述海底船体的行走以及压实采空区。

进一步的，所述高速螺旋钻头的腔体内设有螺旋叶片，所述螺旋叶片的后端与所述排水室贯通，所述螺旋叶片的前端设置挖掘和传输用的成尖角状。

进一步的，还包括加热底板，所述加热底板设置于所述分解箱上，用于促进所述分解箱内水合物的分解。

进一步的，还包括第一传送装置，所述第一传送装置设置于所述海底船体上，用于将分解箱传送到所述提升装置的取样处。

进一步的，还包括第二传送装置，所述第二传送装置设置于所述海底船体上，用于将排水后的水合物块体传送到所述破碎机内。

进一步的，所述转向臂设置在排水室的后端。

进一步的，还包括涡轮推进器，所述涡轮推进器设置于所述海底船体的后端，为所述海底船体提供前进的动力。

一种海底浅表层水合物开采装置的开采方法，包括以下步骤：

A、螺旋钻头在转向臂的带动下实现对水合物块体进行多角度、多方位灵活开采；

B、螺旋钻头采掘到的水合物块体被输送到排水室，排水室内的水分从排水室向海水流动；

C、排水后的水合物块体运送到破碎机组中进行粉碎；

D、粉碎后呈碎屑状的水合物碎屑装进水合物分解箱，当一个分解箱被装满后，用另一个空的水合物分解箱替代装满的水合物分解箱；

E、用提升装置将装满水合物碎屑的水合物分解箱抬升到水合物分解站后，分解气体；

F、用集气管回收和储集分解后的气体；

G、分解箱内的水合物完全分解后，释放沉积物进行回填。

进一步的，所述步骤E中，水合物分解箱下方的加热底板进行加热，促进水合物的分解。

本申请的海底浅表层水合物开采装置及其开采方法具有开采挖掘、排水、破碎、交互控制、提升等功能，其有益效果是：

（1）实现海底（浅）表层水合物相对大规模的开采，具体生产作业中可使用多台采矿车并行作业方式，开采效率高；

（2）高速轮旋钻头、排水、传输、破碎以及装箱为完备的收集阶段，整个过程速度快，水合物的分解量十分微小，环境效益明显；

（3）水合物分解是在海水浅层深度进行，浅水层相对海底具有低压和高温特征，具有水合物分解得天独厚的温压条件，兼以辅助加热以促进水合物分解的速率；

（4）水合物集装箱体分别与船体以及采矿车相连，水合物完全分解后的沉积物将被部分集中后回填到采空区，利用采矿车履带覆盖式压实，避免滑坡以及崩塌等地质灾害的发生。

（5）集装完箱后的水合物被举升到海水一定高度进行分解、集气，集气阶段除船体集气外，唯一的能量输出为水合物分解箱体的底板加热，属水合物的半自动分解，经济效益显著；

附图说明

图1是本申请所述海底浅表层水合物开采装置的结构示意图。

以上各图中，11、海底船体；12、排水室；13、螺旋钻头；14、转动圈；15、转向臂；16、破碎机；17、分解箱；18、压力阀；19、单向排水孔；110、履带；111、加热底板；112、第一传送装置；113、第二传送装置；114、涡轮推进器；

21、水合物分解站；22、提升装置；23、集气管；

3、控制系统。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

本发明将海底智能采矿车应用于海底浅表层水合物开采中，采矿车具有海底自主行走能力，可实现水合物藏多角度灵活开采，采矿车内部核心装置原理简单，作业效率高；水合物是在海水浅层环境中的水合物分解站进行分解，原理上是利用海水浅表层的压力场（低压—相对于海底）兼以辅助加热方式自动破坏水合物的相平衡状态来促进水合物的分解，以实现水合物多相分离和最终产气的目的；海底采矿车可同时下放多辆，具体工作中可实现连续、高效并行开采作业，高效、经济、环保、安全地进行海底浅表层水合物开采。

一种海底浅表层水合物开采装置，如图1所示，包括开采单元和收集单元，开采单元包括海底船体11、排水室12、螺旋钻头13、转动圈14、转向臂15、破碎机16和分解箱17，具体的：

海底船体11工作在海底，用于安装其它的零部件。排水室12设置在海底船体11上，排水室12的顶部设有压力阀18，压力阀18利用液压机提供压力，排水室12的底部设有单向排水孔19，排水室12用在控制水合物块体中的水份从排水室12排出，实现部分排水功能。螺旋钻头13用于钻掘和传输沉积物；再加上转动圈14设置在排水室12的入口端，用于连接排水室12和高速螺旋钻头13，提供高速螺旋钻头13的旋转动力；故螺旋钻头13在使用的过程中，实现了挖采水合物冰块与自动传输水合物冰块的功能，具有快速、自动传输特征。更好的，高速螺旋钻头13的腔体内设有螺旋叶片，螺旋叶片的后端与排水室12贯通，螺旋叶片的前端设置挖掘和传输用的成尖角状，高速旋转的螺旋叶片不仅仅能够对海底浅表层水合物开采，还顺便将采集的水合物输送到排水室12内，节省了时间，提高了效率。转向臂15设置在海底船体11上，图中，转向臂15设置在排水室12的后端，用在高速螺旋钻头13的转动，该转向臂15的设计，使得螺旋钻头13可实现多方位、多角度挖掘。破碎机16设置在海底船体11上，用于将排水后的水合物块体粉碎，实现破碎功能，破碎机16采用破碎机组合，可使水合物块体被破碎的效果更佳。分解箱17用于收集从破碎机16中粉碎的水合物，方便运输和后续的集齐操作。

收集单元包括水合物分解站21、提升装置22和集气管23，具体的：水合物分解站21设置在浅水层，该水合物是在海水浅层环境中的水合物分解站进行分解，原理上是利用浅水层的温压场（相对海底环境，浅水层海水具有低压高温特征）破坏水合物的相平衡条件，促进水合物的分解，节约能耗。此外，在分解箱17的底部设置加热底板111，用于促进分解箱17内水合物的分解，主要用于辅助加热的作用，提高对不同环境的适用性。

提升装置22用于将分解箱17传递到水合物分解站21，小碎块水合物通过水合物的分解箱17利用设置在海面上的船体以及海水的浮力使水合物分解箱17被提升到海水内的水合物分解站21，进行自然分解。集气管23活动设置在分解箱17上，用于分解箱17内分解后的气体的回收和储集，该集气管23的顶端可以举升至海面上的船上的储气装置，以便于采收。

在上述基础上，在海底船体11的底端设置履带110，用于海底船体11的行走以及压实采空区，采矿车采用履带式前进系统，可有效防滑，增加机体与海底间的摩擦力。水合物完全分解后的沉积物将被部分集中后回填到采空区，利用履带110覆盖式压实，避免滑坡以及崩塌等地质灾害的发生。采后被分解的水合物沉积物被回填到采空区，可有效避免滑坡等地质灾害，且整个单线作业速度快，时间短，有效避免水合物的分解对海洋环境以及海洋生物的影响。

在海底船体11上设置第一传送装置112，该第一传送装置112可以采用传送带的形式，其将空的水合物分解箱17运送到破碎机16处进行收集粉碎后呈碎屑状的水合物，再将装满后的分解箱17运送到提升装置22的取样处。在海底船体11上设置第二传送装置113，该第二传送装置113可以采用特制的传送带，用于将排水后的水合物块体传送到破碎机16内。在海底船体11的后端设置涡轮推进器114，该涡轮推进器114为海底船体11提供前进的动力。开采单元所用动力来源为其内部的发动机，提供履带110、液压泵、涡轮推进器114、第一传送装置112以及第二传送装置113的动力。

一种海底浅表层水合物开采装置的开采方法，包括以下步骤：

A、螺旋钻头13在转向臂15的带动下实现对水合物块体进行多角度、多方位灵活开采；螺旋钻头13内部的螺旋叶片可实现采掘物的自动传输。

B、螺旋钻头13采掘到的水合物块体被输送到排水室12，排水室12顶部为压力阀，其压力由液压泵提供，底部为单向排水孔，即控制水分从排水室向海水流动，排水室底部同时设有滚轮，利用滚轮可将采掘物传输到传送带位置。

C、排水后的水合物块体通过第二传送装置113运送到破碎机16中进行粉碎。

D、粉碎后呈碎屑状的水合物碎屑装进水合物分解箱17，当一个分解箱17被装满后，用另一个空的水合物分解箱17替代装满的水合物分解箱17；

E、用提升装置22将装满水合物碎屑的水合物分解箱17抬升到水合物分解站21后，分解气体。当水合物分解站21处的温度达不到需要的要求时，可以利用水合物分解箱17下方的加热底板11进行加热，促进水合物的分解。

F、用集气管23回收和储集分解后的气体，将气体输送到海面上的储气装置内。

G、分解箱17内的水合物完全分解后，释放沉积物进行回填。利用履带110覆盖式压实，避免滑坡以及崩塌等地质灾害的发生。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且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，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。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，包括开采单元和收集单元，其中，

所述开采单元包括：

海底船体（11），工作于海底；

排水室（12），设置于所述海底船体（11）上，所述排水室（12）的顶部设有压力阀（18），底部设有单向排水孔（19），所述排水室（12）用于控制水合物块体中的水份从排水室（12）排出；

高速螺旋钻头（13），用于钻掘和传输沉积物；

转动圈（14），设置于所述排水室（12）的入口端，用于连接所述排水室（12）和所述高速螺旋钻头（13），提供所述高速螺旋钻头（13）的旋转动力；

转向臂（15），设置于海底船体（11）上，用于所述高速螺旋钻头（13）的转动；

破碎机（16），设置于所述海底船体（11）上，用于将排水后的水合物块体粉碎；

分解箱（17），用于收集从所述破碎机（16）中粉碎的水合物；

所述收集单元包括：

水合物分解站（21），设置于浅水层；

提升装置（22），用于将所述分解箱（17）传递到所述水合物分解站（21）；

集气管（23），活动设置于所述分解箱（17）上，用于所述分解箱（17）内分解后的气体的回收和储集。

2.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，还包括履带（110），所述履带（110）设置于所述海底船体（11）的底端，用于所述海底船体（11）的行走以及压实采空区。

3.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，所述高速螺旋钻头（13）的腔体内设有螺旋叶片，所述螺旋叶片的后端与所述排水室（12）贯通，所述螺旋叶片的前端设置成挖掘和传输用的尖角状。

4.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，还包括加热底板（111），所述加热底板（111）设置于所述分解箱（17）上，用于促进所述分解箱（17）内水合物的分解。

5.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，还包括第一传送装置（112），所述第一传送装置（112）设置于所述海底船体（11）上，用于将分解箱（17）传送到所述提升装置（22）的取样处。

6.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，还包括第二传送装置（113），所述第二传送装置（113）设置于所述海底船体（11）上，用于将排水后的水合物块体传送到所述破碎机（16）内。

7.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，所述转向臂（15）设置在排水室（12）的后端。

8.根据权利要求1所述的海底浅表层水合物开采装置，其特征在于，还包括涡轮推进器（114），所述涡轮推进器（114）设置于所述海底船体（11）的后端，为所述海底船体（11）提供前进的动力。

9.一种使用权利要求1所述海底浅表层水合物开采装置的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、高速螺旋钻头（13）在转向臂（15）的带动下实现对水合物块体进行多角度、多方位灵活开采；

B、高速螺旋钻头（13）采掘到的水合物块体被输送到排水室（12），排水室（12）内的水分从排水室（12）向海水流动；

C、排水后的水合物块体运送到破碎机（16）组中进行粉碎；

D、粉碎后呈碎屑状的水合物碎屑装进水合物分解箱（17），当一个分解箱（17）被装满后，用另一个空的水合物分解箱（17）替代装满的水合物分解箱（17）；

E、用提升装置（22）将装满水合物碎屑的水合物分解箱（17）抬升到水合物分解站（21）后，分解气体；

F、用集气管（23）回收和储集分解后的气体；

G、分解箱（17）内的水合物完全分解后，释放沉积物进行回填。

10.根据权利要求9所述的开采方法，其特征在于，所述步骤E中，水合物分解箱（17）下方的加热底板进行加热，促进水合物的分解。