海底浅表层块状水合物开采装置及保压钻取采收方法

摘要

针对浅表层水合物藏的固态开采的方法存在的可操作性较差的问题，本发明提供一种海底浅表层块状水合物开采装置及保压钻取采收方法，属于水合物资源开发领域。该装置包括海上开采船和水下海底开采装置，水下海底开采装置包括海底钻机、保压岩心座架、海底水下机器人、开采船和海底挖掘工程车；海底钻机包括钻机机架，钻机机架内设置海底钻机控制系统、钻机钻进机构和岩心放置平台。保压钻取采收方法，采用上述开采装置，包括以下步骤：海底浅表层水合物上覆沉积物的剥离；海底浅表层块状水合物的钻取和转移。本发明通过海面开采船控制海底开采装置，进行海底浅表层块状水合物钻取和转移，并将采收到的保压水合物岩心通过开采船保存和运输。

说明书

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种海底浅表层块状水合物开采装置及保压钻取采收方法。

背景技术

天然气水合物资源具有分布广、能量密度高等特点，是一种潜在的能源，水合物资源开采研究已成为国际热点问题。然而目前全球水合物资源开发仍处于部分区域的试开采阶段，距离工业化开采还有很长的路要走。

根据前期天然气水合物勘探和试开采研究，天然气水合物藏主要有两大类，一类是发育于砂质和泥质储层中的水合物藏，另一类是发育于海底浅表层的大型块状水合物藏。砂泥储层中的水合物藏常用的开采方法有降压法、注热法、添加化学试剂法和CO₂置换开采法等，而对于大型的块状水合物藏，上述方法并不适用。目前针对深水浅表层水合物藏的开采有人提出一种固态流化开采的思想，即采用固态开采的方法，通过机械办法将地层中的固态天然气水合物先碎化、后流化为天然气水合物浆体，然后通过完井管道和输送管道采用循环举升的方式将其举升到海面气、液、固处理设施。水合物藏的固态流化开采技术污染小、次生灾害小，对于水合物含量较高的块状水合物藏应用前景较好。但与此同时，还有许多关键技术问题需要进一步深入研究，如海底浅表层天然气水合物藏破碎采掘方式、天然气水合物混合颗粒气液固多相非平衡分解机制、管路输送相态变化的气液固多相流动以及海底天然气水合物采掘过程中环保安全防护装置系统的研制等。因此，有必要对现有开采技术方法做完善或改造，建立新的浅表层水合物藏开采模式。

发明内容

针对浅表层水合物藏的固态开采的方法存在的可操作性较差的上述问题，本发明提供一种海底浅表层块状水合物开采装置及保压钻取采收方法，过海面开采船控制海底开采装置，进行海底浅表层块状水合物钻取和转移，并将采收到的保压水合物岩心通过开采船保存和运输，待运回陆地后进行天然气的分解收集利用，。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供一种海底浅表层块状水合物开采装置，包括海上开采船和水下海底开采装置，所述海上开采船包括水合物冷藏集装箱、线缆收放控制装置、海底开采装置控制系统；所述水下海底开采装置包括海底钻机、保压岩心座架、海底水下机器人、开采船和海底挖掘工程车；所述开采装置海底钻机、保压岩心座架、海底水下机器人均通过控制线缆与海底开采装置控制系统连接；

所述海底钻机包括钻机机架，钻机机架内设置海底钻机控制系统、钻机钻进机构和岩心放置平台；

所述保压岩心座架其底部为保压岩心座架底座，底座上设置传送带，传送带上放置数个自压式保压岩心筒；所述自压式保压岩心筒包括釜体和端盖，釜体的开口端设置釜体斜坡锁扣，相应的端盖上设置端盖斜坡锁扣，端盖斜坡锁扣与端盖之间通过弹性机构连接，端盖塞入釜体的部分设置密封圈，端盖上还设置两个出气口阀门；

所述海底水下机器人包括水下机器人机械手。

进一步地，所述保压岩心座架上还设置连接器，所述连接器与控制线缆连接。

进一步地，所述海底挖掘工程车包括车体、履带和设置在车体前端的挖掘铲，通过控制线缆与海底开采装置控制系统连接。

本发明还提供一种海底浅表层块状水合物保压钻取采收方法，采用上述开采装置，包括以下步骤：

(1)选址开采目标区

根据浅表层水合物勘探调查结果，确定浅表层水合物钻采区域，将海上开采船4航行定位到开采目标区；

(2)钻采前准备工作

在开采目标区，船载水合物冷藏集装箱开始工作，通过海底开采装置控制系统将水下开采装置，包括海底钻机、保压岩心座架、海底水下机器人安放到海底指定位置，准备开始工作；

(3)浅表层沉积物剥离工作

在开采目标区，利用海底挖掘工程车将覆盖在海底浅表层块状水合物上的沉积物剥离，将海底浅表层块状水合物裸露出海底；

(4)水合物钻取工作

利用海底钻机在目标区进行浅表层块状水合物岩心钻取工作，钻取的水合物岩心放置到岩心放置平台上；

(5)水合物岩心转移工作

海底水下机器人通过机械手将水合物岩心由岩心放置平台转移到保压岩心座架的保压岩心筒釜体中，并通过机械手将端盖卡扣到保压岩心筒釜体上；

(6)水合物岩心回收工作

保压岩心座架上的自压式保压岩心筒满载后，通过控制缆绳提升至甲板放置到水合物冷藏集装箱中，海底钻机和海底岩心座架保留在海底继续开展浅钻作业，同时将新一批空的保压岩心筒置入保压岩心座架中，下放到海底；

(7)开采后续工作

按上述方法循环操作，直至保压岩心数量达到预计产气量所需，结束作业返航，水合物冷藏集装箱被运输到陆地实验室，在常温常压下，打开保压岩心筒阀门即可分解释放产气，对于开采后的钻孔，采用人工砂回填钻孔，或直接弃置钻孔，等待其再次生成水合物。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)整个开采方法机械性操作较强，适应于块状水合物的开采，水合物开采过程中未涉及水合物的分解和集气操作，不会对水体和海底沉积环境产生较大影响，开采流程相对简单易于操作，对海底的生态影响较小。

(2)可以在短周期进行浅表层块状天然气水合物的试开采，利用此开采装置和相应的开采方法可以开展海域浅表层块状水合物的试开采，获取实际储层块状水合物的资源量、浅表层块状水合物的开采效率、开采工艺可控性及试开采过程中出现的工程问题，从而为日后长期开展浅表层块状水合物的开采提供有效的开采技术和理论基础。

附图说明

图1为实施例1海底浅表层块状水合物开采装置结构及工作示意图；

图2为实施例1海底挖掘工程车结构示意图；

图3为实施例1自压式保压岩心筒结构示意图；

图4为实施例2浅表层块状水合物保压钻取采收方法流程示意图。

以上图中，1、海底钻机；2、保压岩心座架；3、海底水下机器人；4、海上开采船；5、海底钻机控制系统；6、钻机机架；7、钻机钻进机构；8、岩心放置平台；9、钻取岩心；10、保压岩心座架底座；11、连接器；12、自压式保压岩心筒；13、机械手；14、控制线缆；15、水合物冷藏集装箱；16、海平面；17、控制线缆；18、海底挖掘工程车；19、釜体；20端盖；21、密封圈；22、弹性卡扣；23和24出气口阀门；25、釜体斜坡锁扣；26、端盖斜坡锁扣。

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开采装置，如图1和图2所示，包括海上开采船4和水下海底开采装置，所述水下海底开采装置包括海底钻机1、保压岩心座架2、海底水下机器人3和海底挖掘工程车18。

海上开采船4包括水合物冷藏集装箱15、线缆收放控制装置、海底开采装置控制系统；开采装置海底钻机1、保压岩心座架2、海底水下机器人3均通过控制线缆14与海底开采装置控制系统连接。

海底钻机1包括钻机机架6、钻机机架内设置海底钻机控制系统5、钻机钻进机构7和岩心放置平台8；钻机钻进机构7用于钻机控制系统5发出的钻取水合物岩心的操作，岩心放置平台8用于暂时放置钻取到的水合物岩心。

保压岩心座架2，主要用于传送钻取的水合物岩心，往返于开采船和海底钻采区域。保压岩心座架2其底部为保压岩心座架底座10，底座10上设置传送带，传送带上放置数个自压式保压岩心筒12，自压式保压岩心筒12围绕保压岩心座架2的中心呈环形排列，保压岩心座架2上还设置连接器11，用于连接缆绳跟保压岩心座架。

自压式保压岩心筒12的结构如图3所示，包括釜体19和端盖20，釜体19的开口端设置釜体斜坡锁扣，相应的端盖20上设置端盖斜坡锁扣26，端盖斜坡锁扣26与端盖20之间通过弹性卡扣22连接，端盖20塞入釜体19的部分设置O形密封圈，端盖20上还设置两个出气口阀门23和24，一个出气口阀门泄压时连接压力传感器，另一个泄压时为出气口。由于端盖20和釜体19接触面为斜面，借助端盖下部的弹性卡扣22，使得端盖20在压力作用下将保压筒密封，且在水下密封后端盖20不会同釜体19分离，达到自锁式密封的效果。

海底水下机器人3包括水下机器人机械手13，海底水下机器人3围绕海底钻机和保压岩心座架开展工作，主要用于岩心转移和辅助自压式保压岩心筒端盖密封。

海底挖掘工程车18包括车体、履带和设置在车体前端的挖掘铲，其结构与挖掘机类似，通过控制线缆17与海底开采装置控制系统连接。海底挖掘工程车18主要用于钻取前的沉积物剥离工作。

实施例2

本实施例提供一种海底浅表层块状水合物保压钻取采收方法，参考附图4，采用实施例1所述的海底浅表层块状水合物开采装置，具体步骤如下：

(1)选址开采目标区

根据浅表层水合物勘探调查结果，确定浅表层水合物钻采区域，将海上开采船4航行定位到开采目标区。

(2)钻采前准备工作

在开采目标区，船载水合物冷藏集装箱15开始工作，通过海底开采装置控制系统将水下开采装置，包括海底钻机1、保压岩心座架2、海底水下机器人3安放到海底指定位置，准备开始工作。

(3)浅表层沉积物剥离工作

在开采目标区，利用海底挖掘工程车18将覆盖在海底浅表层块状水合物上的沉积物剥离，将海底浅表层块状水合物裸露出海底，便于海底钻机进行水合物岩心钻取。

(4)水合物钻取工作

利用海底钻机1在目标区进行浅表层块状水合物岩心钻取工作，钻取的水合物岩心放置到岩心放置平台8上。

(5)水合物岩心转移工作

海底水下机器人3通过机械手13将水合物岩心9由岩心放置平台8转移到保压岩心座架2的保压岩心筒釜体19中，并借助水下机器人机械手13将端盖20卡扣到保压岩心筒釜体19上；水合物岩心每根长3m，整个岩心座架可同时放置20根水合物岩心。

(6)水合物岩心回收工作

保压岩心座架2上的自压式保压岩心筒12满载后，通过控制缆绳14提升，保压岩心筒提升过程水合物可能随温度升会略有分解，但随着压力进一步增大，将更有利于保压岩心筒中水合物的稳定。保压岩心座架2提升至甲板后，将自压式保压岩心筒12放置到7-8℃的水合物冷藏集装箱15中，海底钻机1和海底岩心座架8保留在海底继续开展浅钻作业，同时将新一批空的保压岩心筒置入保压岩心座架2中，下放到海底。

(7)开采后续工作

按上述方法循环操作，直至保压岩心数量达到预计产气量所需，结束作业返航，水合物冷藏集装箱被运输到陆地实验室，在常温常压下，打开保压岩心筒阀门即可分解释放产气，对于开采后的钻孔，采用人工砂回填钻孔，或直接弃置钻孔，等待其再次生成水合物。

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。