CN114737929B - 一种极地浅表层天然气水合物开采系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种极地浅表层天然气水合物开采系统及应用，该系统包括破碎锤结构、开采软管、冷流管；利用极地地区的低温，以及水合物在低温情况下分解过程中的自我保护效应，对极地地区浅表层的水合物实现多自由度固体化开采；应用的装置还可以实现开采过后的矿坑填埋，保证地层的稳定性的同时可以对浅表层水合物进行固体化开采，对后期的水合物固体运输和矿坑回填具有很大的优势。利用多个环形井同时开采，提高开采效率的同时也可以加快填埋速度。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物开采领域，涉及一种极地浅表层水合物开采系统及应用。
背景介绍
天然气水合物因其储量巨大以及燃烧时清洁无污染而被许多研究者认为能够替代煤、石油等传统化石燃料成为新一代的能源，缓解全球能源危机；我国海底沉积物中的天然气水合物的储量巨大。近些年，在地球的两极地区、美国阿拉斯加地区、俄罗斯西伯利亚地区等极地低温地区，也发现大量的水合物。与海底的水合物相比，开采的难度比海底的难度要小。极地地区与我国的青藏高原冻土地区的环境类似，极地浅表层水合物开采装置有望在青藏高原的冻土区域使用。
陆地水合物常规的开采方法有降压法、注热法、化学抑制等。这些在开采的过程中对地层的结构和组成都会造成一定的影响。极地地区的温度很低，平均温度达到-20℃。如此低的气温，使得常规的水合物开采方法都不太适合。降压法开采在降压的时候，水合物会大量的分解，吸收大量的热量。这样会进一步的促进自我保护效应，降压开采效率不高，无法实施。注热法由于外界的环境温度较低，注热的成本会大大提高。采用化学抑制剂法时，由于低温造成化学抑制剂的活性下降，效率也很低。CO2置换法同理，由于低温造成置换效率降低。常规的开采方法都无法行得通，所以本发明利用极地地区寒冷的气候条件，实现极地浅表层天然气水合物开采。
现有的研究表明，天然气水合物在温度为0℃以下分解的过程中会出现一种阻止水合物继续分解的现象—自我保护效应。产生自我保护效应的主要原因有两个，(1)水合物在低温情况下分解，表面会产生一层冰膜，它会阻挡水合物的进一步分解。(2)水合物在过冷水的情况下分解，也会产生自我保护效应。利用水合物这一特殊的效应和极地地区特有的环境，对水合物进行固体化开采的研究。利用水合物分解过程中的自我保护效应和极地地区特有的气候环境，以固体的形式开采的水合物，后期的运输过程也会比较方便。这种开采方法不但可以防止地层塌陷，而且对开采后的矿坑用二氧化碳水合物进行填埋封存CO2。
极地地区的天然气储量巨大，具有极大的开采潜力。然而，极地地区的气温普遍偏低，常规的方法在极地地区可能不太适合。常规的开采方式也可能会引起地理结构的变化。随着近几年来，极地地区的温度逐渐升高，造成极地地区的水合物分解并且泄露。极地地区的水合物开采刻不容缓。这样既可以缓解能源问题，也可以在极地地区进行CO2的封存。由于极地地区环境的特殊性，专门针对极地地区水合物设计一台开采装置变的很重要。
发明内容
本发明为解决现有的极地水合物开采的问题，提出了一种利用极地浅表层水合物开采的装置。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种极地浅表层天然气水合物开采系统，其特征在于，所述开采系统包括破碎锤结构、开采软管、冷流管；其中破碎锤结构包括破碎锤钢结构外壳、钻头底座、连接器、球铰式万向联轴器半球型结构、球铰式万向联轴器钢壳结构；破碎锤钢结构外壳与钻头底座连接，围成冷流体空腔，且保证破碎锤钢结构外壳绕钻头底座高速旋转；钻头底座通过连接器固定到球铰式万向联轴器钢壳结构上；球铰式万向联轴器钢壳结构与球铰式万向联轴器半球型结构顶部连接构成球铰式万向联轴器，开采软管与球铰式万向联轴器半球型结构底部连接；所述冷流管贯穿于开采软管内，冷流管前端与地面上的空气压缩机相连；冷流管后端连续穿过球铰式万向联轴器半球型结构、球铰式万向联轴器钢壳结构、连接器、钻头底座，并由冷流管固定装置固定到钻头底座上，用于将冷气送入冷流体空腔中；破碎锤钢结构外壳上均布多个破碎锥和冷流孔。破碎锥用于破碎井中的天然气水合物固体，冷流孔用于输送冷气。
进一步地，相邻破碎锥之间间隔20-40cm，破碎锥为圆锥状。
进一步地，相邻破碎锥之间布置冷流孔。
进一步地，该系统还包括转向拉杆和转向装置控制器；其中多根转向拉杆的一端分别固定到球铰式万向联轴器钢壳结构的两端，转向拉杆的另一端与转向装置控制器固定，转向拉杆拉动球铰式万向联轴器钢壳结构紧贴着球铰式万向联轴器半球型结构转动，从而带动连接器与其前部的钻头底座进行转动，从而实现破碎锤结构多角度作业。
进一步地，该系统还包括刮板、支撑杆、卡扣；其中支撑杆一端固定在开采软管外壁上，另一端固定在刮板的板面上；卡扣设置在球铰式万向联轴器半球型结构的底面上；刮板不工作时，支撑杆处于收紧状态，带动刮板一端抵靠在球铰式万向联轴器半球型结构的底面上，刮板另一端抵靠在开采软管外壁上；刮板工作时，支撑杆处于伸展状态，带动刮板一端抵靠在开采软管与球铰式万向联轴器半球型结构底面的交汇处，刮板另一端伸出球铰式万向联轴器半球型结构的底面边缘，同时通过卡扣固定刮板的状态，确保刮板可以接触到已经破碎的水合物，将其推动。
将该极地浅表层天然气水合物开采系统应用于极地浅表层天然气水合物开采装置中，该装置还包括地表系统、运输收集系统；
所述地表系统包括钻井平台、空气压缩机、制冷机；其中钻井平台用于钻开采井和采收井，采收井垂直于地表，开采井与地表成指定的角度布置在采收井四周，开采井底部与采收井底部联通；空气压缩机一端连接制冷机用于对压缩空气进行冷却，另一端连接冷流管用于输送冷气；
所述运输收集系统包括提升装置、收集装置；收集装置用于收集从开采井掉落的天然气水合物；提升装置用于将装有天然气水合物的收集装置运送到地面。
进一步地，该装置开采井有六个，与地面的倾斜角度为50°-60°，六个开采井呈现环形分布在采收井的周围。
进一步地，该装置还包括井口密封装置，用于密封开采井，防止气体在开采的过程中外泄。
进一步地，该装置还包括数据采集及控制系统，包括数据处理及控制终端、温度传感器、压力传感器、位移传感器，所述温度、压力、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至数据处理及控制终端，进行数据处理，并控制冷气的排放及运输收集系统的运行。
进一步地，该装置还包括回填系统，为在水合物开采过后，为了防止地层的稳定，用于将CO2水合物回填到开采井中，这样做既捕捉了CO2，保护环境又维持了地层的稳定性。
本发明的有益效果是：本发明提出一种极地浅表层天然气水合物开采系统及装置应用。该系统可以在利用极地地区的低温，以及水合物在低温情况下分解过程中的自我保护效应，对极地地区浅表层的水合物实现固体化开采；装置还可以实现开采过后的矿坑填埋。保证地层的稳定性的同时可以对浅表层水合物进行固体化开采，这样对后期的水合物固体运输和矿坑回填都有着很大的优势。多个环形井同时开采，提高开采效率的同时也可以加快填埋速度。
附图说明
图1是一种极地浅表层极地天然气水合物开采装置
图2是破碎锤结构截面示意图。
图3是破碎锤表面示意图。
图中：1钻井平台；2采收井；3转向拉杆；4开采井；5设备仓；6采收桶；7动滑轮；8开采软管；9井口密封装置；10冷流管；11软管存放仓；12空气压缩机；13制冷机；14破碎后的水合物；15转向装置控制器；000破碎锤结构；001破碎锤钢结构外壳；002破碎锥；003冷流孔；004刮板；005支撑杆；006卡扣；007球铰式万向联轴器半球型结构；008球铰式万向联轴器钢壳结构；009连接器；010钻头底座；011冷流管固定装置；012冷流体空腔。
具体实施方式
本实施例根据说明书附图进一步详细地描述本发明的技术方案。
一种极地浅表层天然气水合物开采装置，包括开采系统、地表系统、运输收集系统、数据采集及控制系统、回填系统；
所述地表系统包括钻井平台1、空气压缩机12、制冷机13；其中钻井平台1用于钻开采井4和采收井2，井的直径都是6.5m；采收井2垂直于地表，开采井与地表成指定的角度布置在采收井2四周，开采井4底部与采收井2底部联通；空气压缩机12一端连接制冷机13用于对压缩空气进行冷却，另一端连接冷流管10用于输送冷气；还包括设备仓5，用于存放空气压缩机12、制冷机13、动力装置及多出的开采软管8；另外水合物存储仓用作开采出的水合物进行存储；空气压缩机用于把外界的冷空气吹入井底防止水合物的分解，激发水合物自我保护效应；空气压缩机后面加装制冷机，制冷机的作用是防止空气通过空气压缩机后温度会升高，将空气送入工作面的同时对空气进行冷却，从而减弱自保护效应。动力装置用于给钻头提供动力，本实施例中的动力装置都采用电力装置；井口密封装置9用于开采井井口的密封。所述空气压缩机的作用是将极地地区的冷空气送入工作面，使得工作面温度降低，激发水合物自我保护效应。
所述开采系统包括破碎锤结构000、开采软管8、冷流管10；其中破碎锤结构000包括破碎锤钢结构外壳001、钻头底座010、连接器009、球铰式万向联轴器半球型结构007、球铰式万向联轴器钢壳结构008；破碎锤钢结构外壳001与钻头底座010连接，围成冷流体空腔12，且保证破碎锤钢结构外壳001绕钻头底座010高速旋转；钻头底座010的作用是：转向拉杆3如果与转动的部分连接，在转动的过程中会把拉杆打结，加钻头底座可以实现前面高速旋转的破碎部分与后面万向联轴器的转向部分分开。钻头底座010通过连接器009固定到球铰式万向联轴器钢壳结构008上；球铰式万向联轴器钢壳结构008与球铰式万向联轴器半球型结构007顶部连接构成球铰式万向联轴器，开采软管8与球铰式万向联轴器半球型结构007底部连接；所述冷流管10贯穿于开采软管8内，冷流管10前端与地面上的空气压缩机相连；冷流管10后端连续穿过球铰式万向联轴器半球型结构007、球铰式万向联轴器钢壳结构008、连接器009、钻头底座010，并由冷流管固定装置011固定到钻头底座010上，用于将冷气送入冷流体空腔12中；半球形破碎锤钢结构外壳001上均布多个破碎锥002和冷气流通的冷流孔003。相邻破碎锥002之间间隔30cm，破碎锥002为圆锥状。
而且开采系统还包括刮板004、支撑杆005、卡扣006，刮板通过卡扣和支撑杆来稳定；其中支撑杆005一端固定在开采软管8外壁上，另一端固定在刮板004的板面上；卡扣006设置在球铰式万向联轴器半球型结构007的底面上。在破碎过后，有一部分无法利用重力掉入收集装置中水合物可以利用刮板将这部分水合物推到收集装置中。刮板004不工作时，支撑杆005处于收紧状态，带动刮板004一端抵靠在球铰式万向联轴器半球型结构007的底面上，刮板004另一端抵靠在开采软管8外壁上；刮板004工作时，支撑杆005处于伸展状态，带动刮板004一端抵靠在开采软管8与球铰式万向联轴器半球型结构007底面的交汇处，刮板004另一端伸出球铰式万向联轴器半球型结构007的底面边缘，同时通过卡扣006固定刮板004的状态，确保刮板004可以接触到已经破碎的水合物，将其推动。
所述开采系统还包括转向拉杆3和转向装置控制器15；其中多根转向拉杆的一端分别固定到球铰式万向联轴器钢壳结构008的两端，转向拉杆的另一端与转向装置控制器15固定，转向装置控制器15控制转向拉杆3拉动球铰式万向联轴器钢壳结构008紧贴着球铰式万向联轴器半球型结构007转动，从而带动连接器009与其前部的钻头底座010进行转动，实现破碎锤结构000多角度作业。破碎的过程是多自由度的，由于机械传动大部分是刚性的，破碎装置的外接软管大部分是柔性的，来保证各方向的移动。
所述的环形分布的开采井4有六个，与地面的倾斜角度为60°，六个开采井呈现环形分布在采收井2的周围。
所述数据采集及控制系统，包括数据处理及控制终端、温度传感器、压力传感器、位移传感器，所述温度、压力、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至数据处理及控制终端，进行数据处理，并控制冷气的排放及运输收集系统的运行，对地层的稳定性进行评估。
所述运输收集系统包括提升装置、收集装置；本实施例中收集装置为采收桶6用于收集从开采井4掉落的天然气水合物；提升装置通过动滑轮7及提升绳，将装有天然气水合物的采收桶6运送到地面。
所述回填系统，用于将CO2水合物回填到开采井中。
极地地区浅表层水合物开采装置是一种专门用于极地地区水合物开采的设备。在极地水合物实际的开采研究中有着很高的地位，通过利用极地地区独特的气候条件，可以稳定的，高效的开采极地地区的水合物。开采过后还可以对水合物矿坑进行填埋，这样既可以保证水合物的高效开采，也可以保证地层的稳定性。
使用上述的极地浅表层极地天然气水合物开采装置，采用的步骤如下：
第一步，利用钻井平台1分别打出中心采收井2和六个开采井4，开采井4之间的直线距离大约为100m；之后将破碎锤结构000伸入开采井4中，利用电力来驱动破碎锤转动，转动的过程中，破碎锥002对水合物层进行了破碎。形成小颗粒的水合物，在破碎的同时，经由破碎锤上的冷流孔003流出冷空气，促进工作层的水合物的自我保护效应。在破碎过程中，由于需要破碎不同方向上的水合物。所以需要加装转向拉杆3，转向装置控制器15组成的转向系统来实现破碎锤的转向。
第二步，将破碎锥破碎的水合物，在重力的作用下掉入采收桶6中。破碎的过程中，破碎锤上的冷流孔会流出冷空气，来激发水合物的自保护效应，以保证水合物以固体的形式开采出来。下半部分无法利用重力自己落入提升梯中的水合物区域可以用破碎锤破碎成小块儿后，放下破碎锤上的刮板004将水合物推进提升梯中，放下到与软管垂直即可，刮板的稳定性通过支撑杆005、卡扣006来实现。
第三步，将CO2水合物直接通过环形井注入地层中或者往地层中注入高压的CO2在地层实现CO2水合物的填充。这样做既可以实现地层稳定的同时也实现了环境的保护。
Claims (8)
1.一种极地浅表层天然气水合物开采系统，其特征在于，所述开采系统包括破碎锤结构（000）、开采软管（8）、冷流管（10）；其中破碎锤结构（000）包括破碎锤钢结构外壳（001）、钻头底座（010）、连接器（009）、球铰式万向联轴器半球型结构（007）、球铰式万向联轴器钢壳结构（008）；破碎锤钢结构外壳（001）与钻头底座（010）连接，围成冷流体空腔（012），且保证破碎锤钢结构外壳（001）绕钻头底座（010）高速旋转；钻头底座（010）通过连接器（009）固定到球铰式万向联轴器钢壳结构（008）上；球铰式万向联轴器钢壳结构（008）与球铰式万向联轴器半球型结构（007）顶部连接构成球铰式万向联轴器，开采软管（8）与球铰式万向联轴器半球型结构（007）底部连接；所述冷流管（10）贯穿于开采软管（8）内，冷流管（10）前端与地面上的空气压缩机相连；冷流管（10）后端连续穿过球铰式万向联轴器半球型结构（007）、球铰式万向联轴器钢壳结构（008）、连接器（009）、钻头底座（010），并由冷流管固定装置（011）固定到钻头底座（010）上，用于将冷气送入冷流体空腔（012）中；破碎锤钢结构外壳（001）上均布多个破碎锥（002）和冷流孔（003）；
还包括转向拉杆（3）和转向装置控制器（15）；其中多根转向拉杆的一端分别固定到球铰式万向联轴器钢壳结构（008）的两端，转向拉杆的另一端与转向装置控制器（15）固定，转向拉杆（3）拉动球铰式万向联轴器钢壳结构（008）紧贴着球铰式万向联轴器半球型结构（007）转动，从而带动连接器（009）与其前部的钻头底座（010）进行转动，实现破碎锤结构（000）多角度作业；
还包括刮板（004）、支撑杆（005）、卡扣（006）；其中支撑杆（005）一端固定在开采软管（8）外壁上，另一端固定在刮板（004）的板面上；卡扣（006）设置在球铰式万向联轴器半球型结构（007）的底面上；刮板（004）不工作时，支撑杆（005）处于收紧状态，带动刮板（004）一端抵靠在球铰式万向联轴器半球型结构（007）的底面上，刮板（004）另一端抵靠在开采软管（8）外壁上；刮板（004）工作时，支撑杆（005）处于伸展状态，带动刮板（004）一端抵靠在开采软管（8）与球铰式万向联轴器半球型结构（007）底面的交汇处，刮板（004）另一端伸出球铰式万向联轴器半球型结构（007）的底面边缘，同时通过卡扣（006）固定刮板（004）的状态，确保刮板（004）可以接触到已经破碎的水合物，将其推动。
2.根据权利要求1所述的极地浅表层天然气水合物开采系统，其特征在于，相邻破碎锥（002）之间间隔20-40cm，破碎锥（002）为圆锥状。
3.根据权利要求1所述的极地浅表层天然气水合物开采系统，其特征在于，相邻破碎锥（002）之间布置冷流孔（003）。
4.权利要求1-3任一所述的极地浅表层天然气水合物开采系统的应用，其特征在于，将其应用于极地浅表层天然气水合物开采装置中，该装置还包括地表系统、运输收集系统；
所述地表系统包括钻井平台（1）、空气压缩机（12）、制冷机（13）；其中钻井平台（1）用于钻开采井（4）和采收井（2），采收井（2）垂直于地表，开采井与地表成指定的角度布置在采收井（2）四周，开采井（4）底部与采收井（2）底部联通；空气压缩机（12）一端连接制冷机（13）用于对压缩空气进行冷却，另一端连接冷流管（10）用于输送冷气；
所述运输收集系统包括提升装置、收集装置；收集装置用于收集从开采井（4）掉落的天然气水合物；提升装置用于将装有天然气水合物的收集装置运送到地面。
5.根据权利要求4所述的极地浅表层天然气水合物开采系统的应用，其特征在于，所述开采井（4）有六个，与地面的倾斜角度为50°-60°，六个开采井呈现环形分布在采收井（2）的周围。
6.根据权利要求4所述的极地浅表层天然气水合物开采系统的应用，其特征在于，极地浅表层天然气水合物开采装置还包括井口密封装置（9），用于密封开采井（4），防止气体在开采的过程中外泄。
7.根据权利要求4所述的极地浅表层天然气水合物开采系统的应用，其特征在于，极地浅表层天然气水合物开采装置还包括数据采集及控制系统，包括数据处理及控制终端、温度传感器、压力传感器、位移传感器，所述温度、压力、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至数据处理及控制终端，进行数据处理，并控制冷气的排放及运输收集系统的运行。
8.根据权利要求4所述的极地浅表层天然气水合物开采系统的应用，其特征在于，极地浅表层天然气水合物开采装置还包括回填系统，用于将CO2水合物回填到开采井中。
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