CN109555505B - 海底浅表层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法 - Google Patents

Abstract

针对现有的浅表层天然气水合物的开采方法操作复杂、耗能大、存在环境污染的问题，本发明提供一种海底浅表层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法，属于水合物开采领域。所述采矿机包括吞吐工作箱，其底部设置行走装置，前端设置水合物入口和吸入管，吸入管内设置超声波碎冰器，吸入管前端设置掘冰器，掘冰器与方向控制器相连；吞吐工作箱内设置旋转杆，旋转杆的上下对称设置水合物收集分解箱；吞吐工作箱的顶部设置排水口，吞吐工作箱的内壁上水合物入口的上方设置隔板，隔板的后端与吞吐工作箱的后端之间留有水流通道，水流通道处设置过滤网；吞吐工作箱的底部设置微波磁控管、排污阀和输气管。本发明实现开采分离一体化，操作简单，绿色环保。

Description

海底浅表层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法

技术领域

本发明属于天然气水合物开采技术领域，是一种海底浅表层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法。

背景技术

天然气水合物是一种极具潜力的能量资源，广泛分布于世界各地海洋和永冻土中，按照海底天然气水合物产出的位置，可以把水合物分为一种埋深较大的水合物和一种是浅表层水合物。浅表层水合物主要出产于海底或者海底以下很浅的位置。海底天然气水合物的开采方法主要为减压开采法、化学试剂注入法、热激发开采发和二氧化碳置换法，但针对于裸露于海底或埋藏很浅的天然气水合物，因难以构建封闭的开采环境，所以这几种方法都难以实施。目前拥有的海底矿物固体开采法操作复杂，对浅表层天然气水合物的开采方法尚未深入研究，且大多数开采方法是将开采的水合物碎块通过管道提升至海面升温释压或引入上层海水对水合物加热分解，操作复杂耗能大且忽视了对海底开采破坏所造成的环境污染，且操作灵活程度差，成本高。

专利“CN 106837257A”提出的“一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统及其开采工艺”是利用了钻井开采方式，核心开采装置是利用与垂向钻孔相垂直的水平管道进行水合物开采，开采目标针对的是海底一定深度范围内的水合物藏，该专利是在水合物储层中分别布设有相互垂直的生产通道和采掘通道，但考虑实际作业中采掘巷道的布设具有很大难度，施工困难且成本高，操作复杂，灵活性与可实现性较差。专利“CN 106837257A”是将回填物从作业船上通过井通道运输至采空巷道，过程复杂，耗能大。

专利“CN 108222892”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矿藏开采，水合物的分解是使用船上的固液分离器和气液分离器，操作流程复杂。

发明内容

针对现有的浅表层天然气水合物的开采方法大多数是将开采的水合物碎块通过管道提升至海面升温释压或引入上层海水对水合物加热分解，操作复杂、耗能大、对海底造成严重环境污染且操作灵活程度差，成本高的上述问题，本发明提供一种海底浅表层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法，实现开采分离一体化，操作简单，防止海底环境污染，降低能耗，为海底浅表层天然气水合物开采提供了新的途径。

本发明提供一种海底浅表层块状水合物采矿机，包括吞吐工作箱，吞吐工作箱的底部设置行走装置，吞吐工作箱的前端设置水合物入口，水合物入口上连接吸入管，吸入管内设置超声波碎冰器，吸入管的前端具有喇叭形开口，喇叭形开口处设置双螺旋齿轮掘冰器，双螺旋齿轮掘冰器与掘冰头旋转及方向控制器相连；吞吐工作箱内水合物入口的下方设置旋转杆，旋转杆的上下两侧对称设置水合物收集分解箱；吞吐工作箱的顶部设置排水口，排水口处设置涡轮排水器，吞吐工作箱的内壁上水合物入口的上方设置隔板，隔板的后端与吞吐工作箱的后端之间留有水流通道，水流通道处设置过滤网；吞吐工作箱的底部设置微波磁控管和排污阀，吞吐工作箱侧面旋转杆的下方连接输气管。

进一步地，所述吞吐工作箱的底部的行走装置为履带。

进一步地，所述超声波碎冰器为若干个，在吸入管的管壁上交错设置。

本发明还提供一种海底浅表层块状水合物吞吐式开采方法，采用权利要求所述的海底浅表层块状水合物采矿机，具体步骤如下：

1)掘冰阶段：通过掘冰头旋转及方向控制器控制的双螺旋齿轮掘冰器对海底浅层或裸露的天然气水合物块体进行挖掘破碎；

2)管道运输及碎冰阶段：涡轮排水器将海水通过排水口排出，通过涡轮排水器旋转所产生的吸力和双螺旋齿轮掘冰器对水流的影响，破碎的水合物块体被吸入到吸入管中，较大的水合物碎块将被排列在管道内的超声波碎冰器破碎成小块水合物；

3)水合物收集阶段：被破碎的水合物将被水流搬运到吞吐工作箱中，因为空间的扩大，水流减慢，水合物碎块将因为重力沉降在旋转杆上部的水合物收集分解箱中；

4)水合物分解阶段：当水合物收集分解箱中的水合物将收集满时，水合物收集分解箱将通过旋转杆旋转至吞吐工作箱的下部，下部的水合物收集分解箱旋转至上部继续收集水合物，微波磁控管将下部的水合物收集分解箱中的水合物加热分解成天然气与水，天然气将通过输气管道运移到海面上的工作船中储存；

5)泥沙排出阶段：当水合物分解完和天然气完全排出后，分解箱中存在的泥沙及碎石块，通过排污阀回填到原位海底当中。

本发明的有益效果：

本发明将海底智能采矿机应用于海底浅表层水合物开采中，采矿机在海底具有灵活的行走能力，可实现浅表层水合物藏多角度灵活开采；本发明实现了水合物的开采与分离技术一体化；在泥沙杂质回填方面，本发明将水合物在智能采矿机内进行直接分解，将分解的气体直接在船上收集，减少操作流程，并且原位回填更简单。本发明的采矿机可同时下放多辆，具体工作中可实现连续高效的开采作业，高效、经济、环保、安全地进行海底浅表层块状水合物的开采。

附图说明

图1为实施例1海底浅表层块状水合物采矿机的结构及工作示意图。

图中：1.块状水合物，2.双螺旋齿轮掘冰器，3.吸入管，4.超声波碎冰器，5.排水口，6.涡轮排水器，7.过滤网，8水合物收集/分解箱，9.输气管道，10.天然气，11.微波磁控管，12.旋转杆，13.掘冰头旋转及方向控制器，14.天然气水合物碎块，15.排污阀，16.吞吐工作箱，17.履带，18.隔板。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种海底浅表层块状水合物采矿机，如图1所示，该采矿机包括吞吐工作箱16，吞吐工作箱16的底部设置履带17，吞吐工作箱16的前端设置水合物入口，水合物入口上连接吸入管3，吸入管3内设置若干个超声波碎冰器4，超声波碎冰器4在吸入管3的管壁上交错设置。吸入管3的前端具有喇叭形开口，喇叭形开口处设置双螺旋齿轮掘冰器2，双螺旋齿轮掘冰器2与掘冰头旋转及方向控制器13相连，掘冰头旋转及方向控制器13用于控制掘冰器开采水合物的方向与角度。吞吐工作箱16内水合物入口的下方设置旋转杆12，旋转杆12的上下两侧对称设置两个水合物收集分解箱8，旋转杆12带动水合物收集分解箱8旋转，一个水合物收集分解箱开口朝上时，另一个水合物收集分解箱开口朝下。

吞吐工作箱16的顶部设置排水口5，排水口5处设置涡轮排水器6，涡轮排水器6旋转所产生的吸力会对采矿机在垂直向下方向上产生一个作用力，使得采矿机工作更平稳，并且增大履带与海底的摩擦力。吞吐工作箱16内水合物入口的上方水平设置隔板18，隔板18的后端与吞吐工作箱16的后端之间留有水流通道，隔板18的其它部分与吞吐工作箱16的内壁密封连接，水流通道贯通排水口和旋转杆12上方吞吐工作箱16内的空间，水流通道处设置过滤网7，滤网7拦截水流中的泥沙及碎石块，防止从排水口排出。吞吐工作箱16的底部设置微波磁控管11和排污阀15，微波磁控管11用于加热分解吞吐工作箱16底部的水合物，吞吐工作箱16侧面旋转杆12的下方连接输气管9，输气管道9将水合物分解产生的天然气运移到海面上的工作船中储存。

实施例2

本实施例提供一种海底浅表层块状水合物吞吐式开采方法，采用实施例1所述的海底浅表层块状水合物采矿机，具体开采步骤如下：

1)掘冰阶段：通过掘冰头旋转及方向控制器13控制的双螺旋齿轮掘冰器2对海底浅层或裸露的天然气水合物块体1进行挖掘破碎；

2)管道运输及碎冰阶段：涡轮排水器6将海水通过排水口5排出，涡轮排水器6旋转所产生的吸力会对采矿机在垂直向下方向上产生一个作用力，使得采矿机工作更平稳，通过涡轮排水器6旋转所产生的吸力和双螺旋齿轮掘冰器2对水流的影响，破碎的水合物块体被吸入到吸入管3中，较大的水合物碎块将被排列在管道内的超声波碎冰器4破碎成小块水合物；3)水合物收集阶段：被破碎的水合物将被水流搬运到吞吐工作箱16中，因为空间的扩大，水流减慢，水合物碎块将因为重力沉降在旋转杆12上部的水合物收集分解箱8中；

4)水合物分解阶段：当水合物收集分解箱8中的水合物将收集满时，水合物收集分解箱8将通过旋转杆12旋转至吞吐工作箱16的下部，下部的水合物收集分解箱8旋转至上部继续收集水合物，微波磁控管11将下部的水合物收集分解箱中的水合物加热分解成天然气10与水，天然气将通过输气管道9运移到海面上的工作船中储存；

5)泥沙排出阶段：当水合物分解完和天然气完全排出后，分解箱中存在的泥沙及碎石块，通过排污阀15回填到原位海底当中。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种海底浅表层块状水合物采矿机，其特征在于，包括吞吐工作箱，吞吐工作箱的底部设置行走装置，吞吐工作箱的前端设置水合物入口，水合物入口上连接吸入管，吸入管内设置超声波碎冰器，吸入管的前端具有喇叭形开口，喇叭形开口处设置双螺旋齿轮掘冰器，双螺旋齿轮掘冰器与掘冰头旋转及方向控制器相连；吞吐工作箱内水合物入口的下方设置旋转杆，旋转杆的上下两侧对称设置水合物收集分解箱；吞吐工作箱的顶部设置排水口，排水口处设置涡轮排水器，吞吐工作箱的内壁上水合物入口的上方设置隔板，隔板的后端与吞吐工作箱的后端之间留有水流通道，水流通道处设置过滤网；吞吐工作箱的底部设置微波磁控管和排污阀，吞吐工作箱侧面旋转杆的下方连接输气管道。

2.根据权利要求1所述的采矿机，其特征在于，所述吞吐工作箱的底部的行走装置为履带。

3.根据权利要求1所述的采矿机，其特征在于，所述超声波碎冰器为若干个，在吸入管的管壁上交错设置。

4.一种海底浅表层块状水合物吞吐式开采方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的海底浅表层块状水合物采矿机，具体步骤如下：

1)掘冰阶段：通过掘冰头旋转及方向控制器控制的双螺旋齿轮掘冰器对海底浅层或裸露的天然气水合物块体进行挖掘破碎；

2)管道运输及碎冰阶段：涡轮排水器将海水通过排水口排出，通过涡轮排水器旋转所产生的吸力和双螺旋齿轮掘冰器对水流的影响，破碎的水合物块体被吸入到吸入管中，较大的水合物碎块将被排列在管道内的超声波碎冰器破碎成小块水合物；

3)水合物收集阶段：被破碎的水合物将被水流搬运到吞吐工作箱中，因为空间的扩大，水流减慢，水合物碎块将因为重力沉降在旋转杆上部的水合物收集分解箱中；

4)水合物分解阶段：当水合物收集分解箱中的水合物将收集满时，水合物收集分解箱将通过旋转杆旋转至吞吐工作箱的下部，下部的水合物收集分解箱旋转至上部继续收集水合物，微波磁控管将下部的水合物收集分解箱中的水合物加热分解成天然气与水，天然气将通过输气管道运移到海面上的工作船中储存；

5)泥沙排出阶段：当水合物分解完和天然气完全排出后，分解箱中存在的泥沙及碎石块，通过排污阀回填到原位海底当中。