CN116378605B - 一种海洋水合物移动式开采装置及开采方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种海洋水合物移动式开采装置及开采方法，属于海洋水合物开采的技术领域。一种海洋水合物移动式开采装置，包括高压釜、分别设在所述高压釜上下两端的行走机构、设在所述高压釜前端的采集机构和分离机构；所述高压釜内部分为设备舱和生产舱，所述分离机构包括设在所述设备舱内的搅拌组件、设在所述设备舱内的加热组件、设在所述设备舱内的减压组件和设在所述生产舱内的回填组件；所述采集机构与所述生产舱连通，所述生产舱通过柔性管网与海平面产气船连通。本申请具有环境影响较小、商业化价值高、能源消耗量低的优点。

Description

一种海洋水合物移动式开采装置及开采方法

技术领域

本申请涉及海洋水合物开采的技术领域，尤其是涉及一种海洋水合物移动式开采装置及开采方法。

背景技术

天然气水合物是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状笼形结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此又被称为“可燃冰”。天然气水合物的燃烧产物仅为二氧化碳和水，并且自然界的存储量巨大，是煤、石油、天然气等化石能源总碳含量的两倍，因此被国际公认为是化石能源的理想接替能源。

虽然超过90%的海域都分布有天然气水合物，但是其开采比较困难，因而未能实现大规模应用。天然气水合物开采的关键在于如何打破其相平衡状态。目前，主流的开采方式分为三种：降压法、注热法和注化学溶剂法。然而这些开采方法各自具有其局限性。降压开采可能会导致水合物矿藏内部大量结冰, 致使开采能量供给不足。此外，降压法对天然气水合物矿藏的性质要求较高, 只有当天然气水合物矿藏位于温压平衡边界附近时, 降压法才具有经济可行性。注热法由于海底地层传热效率低，制约了水合物的分解效率，只能进行局部加热并且热能损失较大，整体经济效益较差。而注化学溶剂法则是存在严重的环境污染问题，不适宜大范围的推广使用。

针对上述中的相关技术背景，发明人认为现有的海洋天然气水合物矿藏开采方法存在开采效率低、对环境污染较大、经济效益较差等缺陷。

发明内容

为了提高海底天然气水合物矿藏的开采效率、减少开采过程对环境的污染、降低能量损耗并提高整体的经济效益，本申请提供一种海洋水合物移动式开采装置及开采方法。

第一方面，本申请提供的一种海洋水合物移动式开采装置采用如下的技术方案：

一种海洋水合物移动式开采装置，包括高压釜、分别设在所述高压釜上下两端的行走机构、设在所述高压釜前端的采集机构和分离机构；所述高压釜内部分为设备舱和生产舱，所述分离机构包括设在所述设备舱内的搅拌组件、设在所述设备舱内的加热组件、设在所述设备舱内的减压组件和设在所述生产舱内的回填组件；所述采集机构与所述生产舱连通，所述生产舱通过柔性管网与海平面产气船连通。

通过采用上述技术方案，高压釜可以作为天然气水合物矿藏的临时储存容器，并且能够隔离海底高压环境，促使天然气降压分离，同时对其他机构和组件的安装提供了支撑和限位，安装在高压釜上下两端的行走机构能够驱动高压釜在海底或水合物沉积层中发生位置移动，安装在高压釜前端的采集机构能够将天然气水合物矿石进行破碎并输送至高压釜内，安装在高压釜内的分离机构能够通过降压和升温结合的方式，将天然气水合物矿石中的天然气分离并通过柔性管网输送至产气船中，回填组件能够将经过分离的矿渣回填至原位，减少对环境造成的影响，相比于传统的开采方法，本申请具有开采效率高、能源利用率高、经济效益高、环境扰动较小等多方面的优势，达到了提高海底天然气水合物矿藏的开采效率、减少开采过程对环境的污染、降低能量损耗并提高整体的经济效益的发明目的。

可选的，加热组件包括设在所述设备舱的燃烧室、设在所述燃烧室上的燃料管、设在所述燃烧室上的空气管和设在所述燃烧室上的废气管；所述燃料管与所述生产舱连通，所述空气管与所述废气管通过柔性管网与海平面产气船连通。

通过采用上述技术方案，燃料管能够将生产舱内产生的天然气送入燃烧室中，空气管能够将燃烧所需的氧气从柔性管网送入燃烧室中，废气管能够将燃烧产生的废气通过柔性管网排放至产气船，燃烧室能够通过天然气燃烧实现发热，从而减少了开采过程对外界能量注入的需求，就地取材的方式大大提升了整体的经济效益。

可选的，减压组件包括设在所述设备舱内的双向减压泵、与所述双向减压泵相连的喷淋管、多个设在所述生产舱顶部且与所述喷淋管相连的喷头和两端连通所述双向减压泵和所述生产舱底部的排水管；所述双向减压泵通过柔性管网与海平面产气船连通，所述喷淋管穿过所述燃烧室。

通过采用上述技术方案，双向减压泵一方面能够通过排水管将生产舱中的海水排出至高压釜外从而实现舱内减压，另一方面能够通过喷淋管将柔性管网中的高温海水经喷头均匀喷洒在生产舱中，提高生产舱温度，实现升温和降压结合，实现了高效生产，使用双向泵能够进一步减少设备舱的空间占用，提升生产舱的容积比，提高整体的生产效率。

可选的，喷淋管位于所述燃烧室内的部分呈折叠状密集排布。

通过采用上述技术方案，喷淋管位于燃烧室内部部分折叠装密集排布的结构设计能够延长海水在燃烧室内停留的时间，提高燃烧室对喷淋管内海水的升温效果，进一步提升了减压组件的天然气分离效果。

可选的，高压釜的两侧设有侧向钻采机构；所述侧向钻采机构包括液压缸、多个穿设在所述高压釜侧壁上的注热管和多个穿设在所述高压釜上的集气管；所述注热管和所述集气管互相平行设置且与所述高压釜滑动连接，所述注热管与所述喷淋管连通，所述集气管与所述生产舱连通。

通过采用上述技术方案，侧向钻采机构能够对高压釜两侧的天然气水合物矿石进行注热采集，增加单次挖掘所能够进行采集的范围，缩短整片区域所需进行挖掘的次数，提高整体的采集效率。

可选的，采集机构包括设在高压釜上的换向组件、与所述换向组件相连的绞龙和多个设在所述绞龙进料端的钻头；所述绞龙的出料端与所述生产舱软连接。

通过采用上述技术方案，换向组件能够控制绞龙升降以及位置变换，安装在绞龙进料端的钻头能够对水合物沉积层进行钻探和破碎，绞龙能够将钻头破碎产生的矿物碎屑、底泥等混合物输送至生产舱中。

可选的，搅拌组件包括设在所述设备舱内的驱动电机、垂直设在所述生产舱内的搅拌轴和设在所述搅拌轴上的叶片。

通过采用上述技术方案，搅拌轴能够在驱动电机的驱动作用下，带动叶片在生产舱内部转动，从而对生产舱内的矿物碎屑起到了搅拌作用，搅拌组件的引入能够加快高温海水与矿物碎屑均匀混合的过程，促使生产舱内各部分的温度趋于一致，保证了分离效果。

可选的，叶片套设在所述搅拌轴上，且与所述搅拌轴沿着所述搅拌轴的轴线方向滑动连接。

通过采用上述技术方案，叶片套设在搅拌轴上且与搅拌轴沿平行于轴线的方向滑动连接的结构设计能够方便相关操作人员调整叶片与搅拌轴的相对位置，从而达到最佳的搅拌效果，可拆卸连接的结构设计方便了叶片的拆装过程，提高了本申请检修和保养的效率。

可选的，行走机构包括设在所述高压釜顶部的上履带和设在所述高压釜底部的下履带。

通过采用上述技术方案，行走机构分别安装在高压釜顶部和底部的结构设计能够优化行走机构对高压釜的驱动效果，减少打滑和卡顿的现象。

第二方面，本申请提供的一种海洋水合物移动式开采方法，应用前文中的一种海洋水合物移动式开采装置，采用如下的技术方案：

一种海洋水合物移动式开采方法，包括以下步骤：

步骤1，准备工作，包括管道连接密封性检查和液压设备调试等，然后将开采装置投放至海洋水合物矿藏的沉积层；

步骤2，操作行走机构和采集机构，使开采装置在沉积层中挖掘前进，并将粉碎后的水合物运送至生产舱中；

步骤3，操作生产舱关闭舱门形成密封空间，操作分离机构将天然气从矿石中分离并通过柔性管网输送至产气船；

步骤4，操作侧向钻采机构对开采装置左右两侧的矿石注入热水并对产生的天然气收集至生产舱中并通过柔性管网输送至产气船；

步骤5，该点位开采完毕后，回收侧向钻采机构，操作生产舱开启舱门，利用回填组件将内部残渣排出外部并实现本位复填；

步骤6，更换不同的采集深度，重复步骤2至步骤5；

步骤7，区域内矿藏开采完毕后，操作行走机构，使开采装置回到海底平面并对其进行回收。

通过采用上述技术方案，本申请采用了开采装置、柔性管网和产气船联动的开采方式，可以灵活快速的对各种形态的海底天然气水合物矿藏实现破碎、收集、分解、输气以及原位回填，所开采的天然气水合物矿藏中的天然气能够完全释放，加热和降压搅拌循环相结合的方式保证了天然气的产能和产出效率，开采过程中不引入其他化学物质，且对矿渣进行原位回填，减少了开采过程对环境的影响，采集机构以及侧向钻采机构可以适应沉积层表层、浅层、盖层和游离气等多种水合物分布矿藏的水合物开采，适用范围广。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本申请中的高压釜可以作为天然气水合物矿藏的临时储存容器，并且能够隔离海底高压环境，促使天然气降压分离，同时对其他机构和组件的安装提供了支撑和限位，安装在高压釜上下两端的行走机构能够驱动高压釜在海底或水合物沉积层中发生位置移动，安装在高压釜前端的采集机构能够将天然气水合物矿石进行破碎并输送至高压釜内，安装在高压釜内的分离机构能够通过降压和升温结合的方式，将天然气水合物矿石中的天然气分离并通过柔性管网输送至产气船中，回填组件能够将经过分离的矿渣回填至原位，减少对环境造成的影响，相比于传统的开采方法，本申请具有开采效率高、能源利用率高、经济效益高、环境扰动较小等多方面的优势，达到了提高海底天然气水合物矿藏的开采效率、减少开采过程对环境的污染、降低能量损耗并提高整体的经济效益的发明目的；

本申请中的双向减压泵一方面能够通过排水管将生产舱中的海水排出至高压釜外从而实现舱内减压，另一方面能够通过喷淋管将柔性管网中的高温海水经喷头均匀喷洒在生产舱中，提高生产舱温度，实现升温和降压结合，实现了高效生产，使用双向泵能够进一步减少设备舱的空间占用，提升生产舱的容积比，提高整体的生产效率；

本申请中的本申请采用了开采装置、柔性管网和产气船联动的开采方式，可以灵活快速的对各种形态的海底天然气水合物矿藏实现破碎、收集、分解、输气以及原位回填，所开采的天然气水合物矿藏中的天然气能够完全释放，加热和降压搅拌循环相结合的方式保证了天然气的产能和产出效率，开采过程中不引入其他化学物质，且对矿渣进行原位回填，减少了开采过程对环境的影响，采集机构以及侧向钻采机构可以适应沉积层表层、浅层、盖层和游离气等多种水合物分布矿藏的水合物开采，相比于传统开采方式适用范围广。

附图说明

图1是本申请实施例中公开的一种海洋水合物移动式开采装置的结构示意图。

图2是本申请实施例中公开的一种海洋水合物移动式开采装置的剖面结构示意图。

图3是本申请实施例中加热组件的结构示意图。

图4是本申请实施例中减压组件的结构示意图。

图5是本申请实施例中侧向钻采机构的结构示意图。

附图标记说明：1、高压釜；11、设备舱；12、生产舱；2、行走机构；21、上履带；22、下履带；3、采集机构；31、换向组件；32、绞龙；33、钻头；4、分离机构；41、搅拌组件；42、加热组件；43、减压组件；44、回填组件；411、驱动电机；412、搅拌轴；413、叶片；421、燃烧室；422、燃料管；423、空气管；424、废气管；431、双向减压泵；432、喷淋管；433、喷头；434、排水管；5、侧向钻采机构；51、液压缸；52、注热管；53、集气管。

实施方式

以下结合附图1-附图5对本申请作进一步详细说明。

天然气水合物又称为可燃冰，是一种自然储量巨大的清洁能源。天然气水合物矿藏主要分布在海底，其开采比较困难，因而未能实现大规模应用。天然气水合物开采的关键在于如何打破其相平衡状态。目前，主流的开采方式分为三种：降压法、注热法和注化学溶剂法。然而这些开采方法各自具有其局限性。降压开采可能会导致水合物矿藏内部大量结冰, 致使开采能量供给不足。此外，降压法对天然气水合物矿藏的性质要求较高, 只有当天然气水合物矿藏位于温压平衡边界附近时, 降压法才具有经济可行性。注热法由于海底地层传热效率低，制约了水合物的分解效率，只能进行局部加热并且热能损失较大，整体经济效益较差。而注化学溶剂法则是存在严重的环境污染问题，不适宜大范围的推广使用。为了提高海底天然气水合物矿藏的开采效率、减少开采过程对环境的污染、降低能量损耗并提高整体的经济效益，本申请提供一种海洋水合物移动式开采装置及开采方法。

第一方面，本申请实施例公开一种海洋水合物移动式开采装置。参照图1和图2，一种海洋水合物移动式开采装置包括高压釜1、行走机构2、采集机构3、分离机构4和侧向钻采机构5。其中，行走机构2安装在高压釜1的上下两端，采集机构3安装在高压釜1的前端，分离机构4安装在高压釜1内。侧向钻采机构5安装在高压釜1的左右两侧。高压釜1作为水合物矿藏气体分离的容器，能够隔离海底高压水环境，同时用于其他机构的安装，行走机构2能够驱动高压釜1移动，采集机构3能够将水合物矿藏粉碎并输送至高压釜1内，分离机构4能够对高压釜1内的水合物矿藏进行搅拌、升温和减压，促使天然气分离并通过柔性管网输送至海面的产气船。侧向钻采机构5能够插入高压釜1两侧的天然气水合物矿藏中并注入热水，借助预先安置在矿藏中的流体循环装置将产生的天然气重新输送回高压釜1内，实现高压釜1侧向的水合物矿藏开采。

参照图1和图2，高压釜1可以是一个空心金属釜体。高压釜1内设置有隔板，隔板将高压釜1分成上部的设备舱11以及下部的生产舱12。设备舱11用于安装设备并对设备提供保护，生产舱12作为水合物矿藏的临时容器，用于天然气的分离。生产舱12的前后两端各设置有密封舱门。生产舱12前端的舱门打开后，采集机构3采集的水合物矿物可被输送至生产舱12内，当生产舱12后端的舱门打开后，生产舱12内经过气体分离的矿渣可被排出至外部，当前后两端的密封舱门均关闭后，生产舱12内形成密封空间，能够隔离海底的高压环境，实现舱内减压。设备舱11上开设有海水排出口，生产舱12上设置有海水进入口，内部均安装有电磁阀和单向阀，用于启闭控制。生产舱12通过柔性管网与产气船连通。

参照图1和图2,行走机构2包括上履带21和下履带22。其中，上履带21安装在高压釜1的外表面顶部，下履带22安装在高压釜1的外表面底部。

参照图1，采集机构3包括换向组件31、绞龙32和钻头33。其中，绞龙32的一端与生产舱12连通，钻头33可以选用牙型钻头，钻头33安装在绞龙32远离生产舱12的一端。绞龙32与生产舱12之间安装有电磁阀，用于控制启闭和形成密封空间。换向组件31包括换向液压杆和支撑杆。液压杆和支撑杆的一端与高压釜1的头部铰接，另一端与绞龙32铰接。

参照图1和图2，分离机构4包括搅拌组件41、加热组件42、减压组件43和回填组件44。

参照图2，搅拌组件41包括驱动电机411、搅拌轴412和叶片413。其中，驱动电机411通过螺栓垂直固定安装在设备舱11内，搅拌轴412与驱动电机411的动力输出轴通过联轴器连接，搅拌轴412垂直安装在生产舱12内，叶片413套设在搅拌轴412上，且与搅拌轴412沿着搅拌轴412的轴线方向滑动连接。叶片413通过螺栓连接的方式实现与搅拌轴412的可拆卸连接。

参照图2和图3，加热组件42包括燃烧室421、燃料管422、空气管423和废气管424。其中，燃烧室421固定安装在设备舱11内，燃烧室421可以是一个矩形空心金属箱体。燃料管422的两端分别连通生产舱12和燃烧室421。燃料管422上安装有流量调节阀，能够将生产舱12中产生的天然气作为燃料供给燃烧室421。空气管423的两端分别连通柔性管网和燃烧室421，空气管423能够通过柔性管网将产气船上的空气输送至燃烧室421，实现燃烧供氧。废气管424的两端连通柔性管网以及燃烧室421。废气管424能够将燃烧室421燃烧产生的废气通过柔性管网排放至产气船。

参照图2和图4，减压组件43包括双向减压泵431、喷淋管432、喷头433和排水管434。其中，排水管434的两端分别连通生产舱12的底部和双向减压泵431，双向减压泵431与外界连通，连通管道内设置单向阀。双向减压泵431能够将生产舱12内的海水通过排水管434排放至外界实现内部减压。排水管434的端部设置多层密眼金属过滤网。喷淋管432的一端通过柔性管网与产气船连通，能够将产气船上的高温海水运送至高压釜1内。双向减压泵431能够将喷淋管432中的高温海水泵入燃烧室421。喷淋管432位于燃烧室421内的部分呈折叠状密集排布，增加管道与燃烧室421的有效接触面积，提高升温效果。喷淋管432的端部与多个喷头433连通。喷头433安装在生产舱12的顶部，多个喷头433在生产舱12的顶部沿固定距离均匀分布。

参照图2，回填组件44安装在生产舱12的底部。回填组件44可以选用一个链板传送带。回填组件44的输入端位于绞龙32的出料端，回填组件44的输出端位于生产舱12尾部的密封舱门处。

参照图1和图5，侧向钻采机构5包括液压缸51、注热管52和集气管53。其中，液压缸51沿水平方向固定安装在生产舱12内，注热管52和集气管53设置为多组，集气管53套设在注热管52的外侧且同轴设置。集气管53的两端分别与预设在矿藏内的流体循环装置和生产舱12连通，注热管52的一端与喷淋管432连通，另一端设置单向阀。注热管52和集气管53垂直穿设在生产舱12的侧壁上，且与生产舱12的侧壁滑动连接。多个注热管52与集气管53呈网格矩阵密集排布。注热管52和集气管53固定在安装板上，液压缸51的伸缩端与安装板抵接，液压缸51能够通过驱动安装板移动的方式带动注热管52和集气管53伸缩。

第二方面，本申请实施例公开了一种海洋水合物移动式开采方法，包括以下步骤：

步骤1，准备工作，包括管道连接密封性检查和液压设备调试等，然后将开采装置投放至海洋水合物矿藏的沉积层。

步骤2，操作行走机构2和采集机构3，使开采装置在沉积层中挖掘前进，并将粉碎后的水合物运送至生产舱12中。

步骤3，操作生产舱12关闭舱门形成密封空间，操作分离机构4将天然气从矿石中分离并通过柔性管网输送至产气船。

步骤4，操作侧向钻采机构5对开采装置左右两侧的矿石注入热水并对产生的天然气收集至生产舱12中并通过柔性管网输送至产气船。

步骤5，该点位开采完毕后，回收侧向钻采机构5，操作生产舱12开启舱门，利用回填组件44将内部残渣排出外部并实现本位复填。

步骤6，更换不同的采集深度，重复步骤2至步骤5；

步骤7，区域内矿藏开采完毕后，操作行走机构2，使开采装置回到海底平面并对其进行回收。

以上为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：包括高压釜（1）、分别设在所述高压釜（1）上下两端的行走机构（2）、设在所述高压釜（1）前端的采集机构（3）和分离机构（4）；所述高压釜（1）内部分为设备舱（11）和生产舱（12），所述分离机构（4）包括设在所述设备舱（11）内的搅拌组件（41）、设在所述设备舱（11）内的加热组件（42）、设在所述设备舱（11）内的减压组件（43）和设在所述生产舱（12）内的回填组件（44）；所述采集机构（3）与所述生产舱（12）连通，所述生产舱（12）通过柔性管网与海平面产气船连通；所述加热组件（42）包括设在所述设备舱（11）的燃烧室（421）、设在所述燃烧室（421）上的燃料管（422）、设在所述燃烧室（421）上的空气管（423）和设在所述燃烧室（421）上的废气管（424）；所述燃料管（422）与所述生产舱（12）连通，所述空气管（423）与所述废气管（424）通过柔性管网与海平面产气船连通；所述减压组件（43）包括设在所述设备舱（11）内的双向减压泵（431）、与所述双向减压泵（431）相连的喷淋管（432）、多个设在所述生产舱（12）顶部且与所述喷淋管（432）相连的喷头（433）和两端连通所述双向减压泵（431）和所述生产舱（12）底部的排水管（434）；所述双向减压泵（431）通过柔性管网与海平面产气船连通，所述喷淋管（432）穿过所述燃烧室（421）。

2.根据权利要求1所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：所述喷淋管（432）位于所述燃烧室（421）内的部分呈折叠状密集排布。

3.根据权利要求1所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：所述高压釜（1）的两侧设有侧向钻采机构（5）；所述侧向钻采机构（5）包括液压缸（51）、多个穿设在所述高压釜（1）侧壁上的注热管（52）和多个穿设在所述高压釜（1）上的集气管（53）；所述注热管（52）和所述集气管（53）互相平行设置且与所述高压釜（1）滑动连接，所述注热管（52）与所述喷淋管（432）连通，所述集气管（53）与所述生产舱（12）连通。

4.根据权利要求1所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：所述采集机构（3）包括设在高压釜（1）上的换向组件（31）、与所述换向组件（31）相连的绞龙（32）和多个设在所述绞龙（32）进料端的钻头（33）；所述绞龙（32）的出料端与所述生产舱（12）软连接。

5.根据权利要求1所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：所述搅拌组件（41）包括设在所述设备舱（11）内的驱动电机（411）、垂直设在所述生产舱（12）内的搅拌轴（412）和设在所述搅拌轴（412）上的叶片（413）。

6.根据权利要求5所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：所述叶片（413）套设在所述搅拌轴（412）上，且与所述搅拌轴（412）沿着所述搅拌轴（412）的轴线方向滑动连接。

7.根据权利要求1所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于：所述行走机构（2）包括设在所述高压釜（1）顶部的上履带（21）和设在所述高压釜（1）底部的下履带（22）。

8.一种海洋水合物移动式开采方法，应用如权利要求1-7中任意一项所述的一种海洋水合物移动式开采装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，准备工作，包括管道连接密封性检查和液压设备调试等，然后将开采装置投放至海洋水合物矿藏的沉积层；

步骤2，操作行走机构（2）和采集机构（3），使开采装置在沉积层中挖掘前进，并将粉碎后的水合物运送至生产舱（12）中；

步骤3，操作生产舱（12）关闭舱门形成密封空间，操作分离机构（4）将天然气从矿石中分离并通过柔性管网输送至产气船；

步骤4，操作侧向钻采机构（5）对开采装置左右两侧的矿石注入热水并对产生的天然气收集至生产舱（12）中并通过柔性管网输送至产气船；

步骤5，点位开采完毕后，回收侧向钻采机构（5），操作生产舱（12）开启舱门，利用回填组件（44）将内部残渣排出外部并实现本位复填；

步骤6，更换不同的采集深度，重复步骤2至步骤5；步骤7，区域内矿藏开采完毕后，操作行走机构（2），使开采装置回到海底平面并对其进行回收。