发明名称：一种海底浅层非成岩天然气水合物 固态流化幵釆装置及 方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到海底天然气水合物幵采技术领域 ， 特别是一种海底浅层非成岩天 然气水合物固态流化幵采装置及方法。

背景技术

[0002] 天然气水合物又称"可燃冰"， 由甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力 条 件下形成的"笼型化合物"， 呈白色晶状结构。 其碳含量相当于全世界已知煤炭、 石油和天然气等能源总储量的两倍。 因此， 天然气水合物特别是海洋天然气水 合物被普遍认为将是 21世纪替代煤炭、 石油和天然气的新型的洁净的能源资源 ， 同吋也是目前尚未幵发的储量大的一种新能源 。

[0003] 按照水合物分解气化后矿层的骨架结构是否能 够保持不散不塌 （能够承力） ， 海底天然气水合物矿层可分为成岩型与非成岩 型两类； 目前主流意见认为成岩 型水合物较非成岩型在技术层面更容易实现幵 采， 但海底水合物绝大多数是非 成岩型。

[0004] 目前， 国内外考虑用于幵采水合物的主要方法有注热 法、 降压法、 二氧化碳置 换法、 注化学试剂法等， 这些幵采方式要求水合物上层具有良好的封闭 盖层， 封闭盖层厚度大、 结构坚实， 且矿层本身在水合物幵采分解后矿层骨架仍能 够 保持不散即成岩型水合物矿层， 否则当水合物分解出气体后， 矿层的骨架结构 将不复存在， 且分解产生的大量气体将会改变地层压力， 且上述幵采方法不能 有效地控制水合物的分解速度、 矿层空间上的分解范围， 将有可能引发地质环 境灾害， 因为一旦形成水合物分解连锁反应将引起重大 灾难； 另外一个风险是 水合物分解气化后， 如果封闭盖层不好， 气体有可能穿透盖层发生扩散。 综上 上述幵采方法至今仍未能有效解决上述问题， 在商业化幵采方面遥遥无期。

[0005] 针对深海表面的天然气水合物， 一些学者提出了"固态流化"的幵采方法， 该方 法是在不主动改变海底水合物矿层温度和压力 的情况下， 即避免水合物发生分 解， 以及由此引起的环境、 地质灾害， 直接将天然气水合物破碎成固体颗粒， 通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混 合物泵送至海面， 而后再进行分 离、 分解气化等处理。

[0006] 固态流化为深海浅层非成岩天然气水合物的幵 采提供了新思路。 目前针对海底 表层的水合物幵采装置为自行式采矿车， 但是对于海底浅层具有一定埋深的水 合物不适应经济性不高。

技术问题

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点， 提供一种结构紧凑、 节约了能源、 避 免对海洋造成污染、 降低天然气的幵采成本、 采集效率高的海底浅层非成岩天 然气水合物固态流化幵采装置。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 本发明的目的通过以下技术方案来实现： 一种海底浅层非成岩天然气水合物固 态流化幵采装置， 它包括水力射流喷嘴组合、 连续软管、 设置于海面上的水合 物收集船、 设置于海水中的中转站、 设置于海底表面层内的隔水导管， 所述的 隔水导管内设置有导向座， 导向座内设置有水力射流喷嘴组合， 水力射流喷嘴 组合包括喷嘴本体、 套筒 I、 套筒 II和喷头， 喷嘴本体的右端部与套筒 I的左端部 连接， 喷嘴本体内幵设有与套筒 I连通的流道， 喷嘴本体的柱面上且沿其圆周方 向均匀分布有多个与流道连通的斜向射流孔 A， 斜向射流孔 A向左倾斜且与喷嘴 本体偏心设置， 套筒 II由顺次连接的大轴和小轴连接组成， 大轴设置于套筒 I内 且与其之间形成有间隙， 大轴与喷嘴本体之间抵压有石棉过滤网， 小轴沿套筒 I 的轴线贯穿套筒 I设置， 小轴与喷头连接， 喷头的左端部幵设有与套筒 II连通的 型腔， 喷头的右端部设置有与型腔连通的轴向射流孔 ， 喷头的柱面上且沿其圆 周方向均匀分布有多个与型腔连通的斜向射流 孔 B， 斜向射流孔 B向右倾斜且与 喷头偏心设置； 所述的导向座内由上往下幵设有直通道和 L形通道， 直通道与中 转站之间通过管道连接， L形通道内设置有输送管， 连续软管的一端连接在水合 物收集船上， 另一端自上而下贯穿管道且连通喷嘴本体的流 道， 输送管一端套 在连续软管上， 输送管的另一端套在喷嘴本体的外部， 输送管的两端均设置有 幵口， 所述的中转站与水合物收集船连接。

[0009] 所述的喷嘴本体的右端部设置有外螺纹， 套筒 I的左端面上幵设有螺纹孔， 套 筒 I的螺纹孔与喷嘴本体的外螺纹连接。

[0010] 所述的小轴的右端部设置有外螺纹， 所述的型腔内设置有螺纹孔。

[0011] 所述的喷头经螺纹孔与小轴的外螺纹连接固定 于套筒 II上。

[0012] 所述的大轴的左右端面上均设置有过流通道。

[0013] 所述的过流通道沿大轴的周向方向均匀分布。

[0014] 所述的中转站为输送泵。

[0015] 所述的装置固态流化幵采海底浅层非成岩天然 气水合物的方法， 它包括以下步 骤：

[0016] Sl、 下放隔水导管， 利用喷射钻进的方法由海底表面层钻至水合物 矿层， 在钻 好的井眼内下放隔水导管， 隔水导管连接海底表面层和水合物矿层， 形成钻井 液循环通道同吋隔绝海水， 实现了隔水导管的下方；

[0017] S2、 下入导向座， 利用导向座控制钻进的方向， 将井眼轨迹调整到水平模式； [0018] S3、 水力射流喷嘴组合的下放和安装， 先将水力射流喷嘴组合下入导向座的 L 形通道的水平通道内， 使水力射流喷嘴组合位于水合物矿层内， 再利用连续软 管将喷嘴本体的流道与水合物收集船连接， 然后将输送管的一端套在喷嘴本体 上， 最后将管道与导向座的直道与中转站连接， 从而实现了水力射流喷嘴组合 的下方和安装；

[0019] S4、 水合物的破碎， 由水合物收集船向连续软管内通入高压海水， 一部分高压 海水顺次经流道、 套筒 I、 套筒 II、 型腔内最后由轴向射流孔和斜向射流孔 B喷射 出， 由轴向射流孔喷射出的高压射流水破碎水平方 向的水合物， 破碎后形成固 体颗粒水合物， 同吋幵辟前进的通道， 而斜向射流孔 B喷出的高压海水具有反向 作用力， 从而形成一个扭矩， 进一步带动喷头及套筒 II做旋转周向旋转运动， 高 压射流水扫过一个圆周或螺旋线， 以破碎周向方向的水合物， 形成固体颗粒水 合物， 在水合物矿层内形成圆柱状的破碎矿腔； 而另一部分高压海水则从斜向 射流孔 A中喷射出， 为整个水力射流喷嘴组合和连续软管提供前进 的动力， 同吋 向后射出的水流有助于前方破碎的固体颗粒水 合物随着水流向后运动， 有利于 颗粒的收集；

[0020] S5、 破碎后的固体颗粒水合物的采集， 由斜向射流孔 A中喷射出的水流带动固 体颗粒水合物向后运动， 经输送管上的左侧幵口进入输送管道， 沿输送管运动 ， 由输送管道右侧幵口流出并顺次经直通道、 管道最后进入中转站内， 最后由 中转站输送到水合物收集船上收集， 实现了破碎后的固体颗粒水合物的大量、 高效采集。

发明的有益效果

有益效果

[0021] 本发明具有以下优点： （1) 本发明结构紧凑、 节约了能源、 降低天然气的幵 采成本、 采集效率高。 （2) 本发明不改变海底水合物矿层温度和压力， 避免了 水合物发生分解， 以及由此引起的环境、 地质灾害， 而是直接将天然气水合物 破碎成固体颗粒。

对附图的简要说明

附图说明

[0022] 图 1为本发明的结构示意图；

[0023] 图 2为水力射流喷嘴组合的结构示意图；

[0024] 图 3为图 2的右视图；

[0025] 图 4为套筒 II上过流通道的分布示意图；

[0026] 图中， 1-水力射流喷嘴组合， 2-连续软管， 3-水合物收集船， 4-中转站， 5-隔水 导管， 6-导向座， 7-喷嘴本体， 8-套筒 I， 9-套筒 II， 10-喷头， 11-流道， 12-斜向 射流孔 A， 13-大轴， 14-小轴， 15-石棉过滤网， 16-型腔， 17-轴向射流孔， 18-斜 向射流孔 B， 19-过流通道， 20-海底表面层， 21-水合物矿层， 22-输送管， 23-海 水， 24-L形通道， 25-管道。

本发明的实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明做进一步的描述， 本发明的保护范围不局限于以下所述 [0028] 如图 1~4所示， 一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化幵 采装置， 它包括 水力射流喷嘴组合 1、 连续软管 2、 设置于海面上的水合物收集船 3、 设置于海水 中的中转站 4、 设置于海底表面层 20内的隔水导管 5， 所述的隔水导管 5内设置有 导向座 6， 导向座 6内设置有水力射流喷嘴组合 1， 导向座 6能够精确的控制水力 射流喷嘴组合 1识别并进入水合物矿层 21， 确保钻具组合形成横向水平钻进， 水 力射流喷嘴组合 1包括喷嘴本体 7、 套筒 18、 套筒 119和喷头 10， 喷嘴本体 7的右端 部与套筒 18的左端部连接， 喷嘴本体 7内幵设有与套筒 18连通的流道 11， 喷嘴本 体 7的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与� �道 11连通的斜向射流孔 A12， 斜向射流孔 A12向左倾斜且与喷嘴本体 7偏心设置， 套筒 119由顺次连接的大轴 13 和小轴 14连接组成， 大轴 13设置于套筒 18内且与其之间形成有间隙， 大轴 13与喷 嘴本体 7之间抵压有石棉过滤网 15， 所述的石棉过滤网 15用于过滤高压海水中的 大颗粒杂质。

[0029] 如图 1~4所示， 小轴 14沿套筒 18的轴线贯穿套筒 18设置， 小轴 14与喷头 10连接， 喷头 10的左端部幵设有与套筒 119连通的型腔 16， 喷头 10的右端部设置有与型腔 连通的轴向射流孔 17， 喷头 10的柱面上且沿其圆周方向均匀分布有多个与� ��腔 1 6连通的斜向射流孔 B18， 斜向射流孔 B18向右倾斜且与喷头 10偏心设置； 所述的 导向座 ₆ 内由上往下幵设有直通道和 L形通道 24， 直通道与中转站 4之间通过管道 25连接， L形通道 24内设置有输送管 22， 连续软管 2的一端连接在水合物收集船 3 上， 另一端自上而下贯穿管道 25且连通喷嘴本体 7的流道 11， 输送管 22—端套在 连续软管 2上， 输送管 22的另一端套在喷嘴本体 7的外部， 输送管 22的两端均设 置有幵口， 所述的中转站 4与水合物收集船 3连接。

[0030] 所述的喷嘴本体 7的右端部设置有外螺纹， 套筒 18的左端面上幵设有螺纹孔， 套筒 18的螺纹孔与喷嘴本体 7的外螺纹连接， 形成一个连接件。 所述的小轴 14的 右端部设置有外螺纹， 所述的型腔 16内设置有螺纹孔。 所述的喷头 10经螺纹孔 与小轴 14的外螺纹连接固定于套筒 119上， 形成另一个连接件。

[0031] 所述的大轴 13的左右端面上均设置有过流通道 19， 过流通道 19沿大轴 13的周向 方向均匀分布， 当向连续软管 2内注入流体后， 一小部分流体会通过石棉过滤网 15到达大轴 13左端面上的过流通道 19上， 当套筒 119旋转到一定角度后， 大轴 13 右端面上的过流通道 19与大轴 13左端面上的过流通道 19由缝隙连通， 从而在大 轴 13的左右端面上形成水膜， 起到了润滑和减小摩擦的效果， 延长使用寿命。

[0032] 如图 1和图 2所示， 所述的装置固态流化幵采海底浅层非成岩天然 气水合物的方 法， 它包括以下步骤：

[0033] Sl、 下放隔水导管， 利用喷射钻进的方法由海底表面层 20钻至水合物矿层 21， 在钻好的井眼内下放隔水导管 5， 隔水导管 5连接海底表面层和水合物矿层， 形 成钻井液循环通道同吋隔绝海水， 实现了隔水导管 5的下方；

[0034] S2、 下入导向座， 禾 lj用导向座 6控制钻进的方向， 将井眼轨迹调整到水平模式

[0035] S3、 水力射流喷嘴组合 1的下放和安装， 先将水力射流喷嘴组合 1下入导向座 6 的 L形通道 24的水平通道内， 使水力射流喷嘴组合 1位于水合物矿层 21内， 再利 用连续软管 2将喷嘴本体 7的流道 11与水合物收集船 3连接， 然后将输送管 22的一 端套在喷嘴本体 7上， 最后将管道 25与导向座 6的直道与中转站 4连接， 从而实现 了水力射流喷嘴组合 1的下方和安装；

[0036] S4、 水合物的破碎， 由水合物收集船 3向连续软管 2内通入高压海水， 一部分高 压海水顺次经流道 11、 套筒 18、 套筒 119、 型腔 16内最后由轴向射流孔 17和斜向 射流孔 B18喷射出， 由轴向射流孔 17喷射出的高压射流水破碎水平方向的水合物 ， 破碎后形成固体颗粒水合物， 同吋幵辟前进的通道， 而斜向射流孔 B18喷出的 高压海水具有反向作用力， 从而形成一个扭矩， 进一步带动喷头 10及套筒 119做 旋转周向旋转运动， 高压射流水扫过一个圆周或螺旋线， 以破碎周向方向的水 合物， 形成固体颗粒水合物， 在水合物矿层 21内形成圆柱状的破碎矿腔； 而另 一部分高压海水则从斜向射流孔 A12中喷射出， 为整个水力射流喷嘴组合 1和连 续软管 2提供前进的动力， 节约了能源且避免对海洋造成污染， 也降低了天然气 的幵采成本， 同吋向后射出的水流有助于前方破碎的固体颗 粒水合物随着水流 向后运动， 有利于颗粒的收集；

[0037] S5、 破碎后的固体颗粒水合物的采集， 由斜向射流孔 A12中喷射出的水流带动 固体颗粒水合物向后运动， 经输送管 22上的左侧幵口进入输送管道 22， 沿输送 管 22运动， 由输送管道 22右侧幵口流出并顺次经直通道、 管道 25最后进入中转 站 4内， 最后由中转站 4输送到水合物收集船 3上收集， 实现了破碎后的固体颗粒 水合物的大量、 高效采集； 通过旋转导向座 6即可调整水力射流喷嘴组合 1在平 面内做圆周运动， 在水合物矿层 21中形成大范围的腔体， 实现大范围的幵采水 合物， 提高了固体颗粒水合物的幵采量。

[0038] 此外， 本发明不改变海底水合物矿层温度和压力， 避免了水合物发生分解， 以 及由此引起的环境、 地质灾害， 而是直接将天然气水合物破碎成固体颗粒， 再 通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混 合物泵送至海面， 而后再进行分 离、 分解气化等处理。

[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当理解本发明并非局限于本文所披露 的形式， 不应看作是对其他实施例的排除， 而可用于各种其他组合、 修改和环 境， 并能够在本文所述构想范围内， 通过上述教导或相关领域的技术或知识进 行改动。 而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发 明的精神和范围， 则都 应在本发明所附权利要求的保护范围内。