一種可燃冰鉆采及氣化分離一體化開采裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海底可燃冰開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可燃冰鉆采及氣化分離一體化開采裝置及方法。
技術(shù)背景
[0002]可燃冰是以甲烷為主的天然氣與水在低溫高壓環(huán)境下生成的籠狀結(jié)晶物，具有高密度、高熱值、遇火即燃的屬性，主要儲藏在海底和高瑋度的陸地永久凍土中，約95%儲存于水深大于300m海床下O?IlOOm的深水區(qū)域，又以淺層細(xì)粒裂隙型、分散型為主。可燃冰作為一種綠色清潔能源自發(fā)現(xiàn)后就受到全世界的廣泛關(guān)注，它僅存在于一定的溫度、壓力條件下，一旦條件被打破，即會引起氣化分解。人們正是利用了這一特點(diǎn)，提出了降壓、熱激、注劑、CO2置換等開采方法，這些方法在極地砂巖和海域砂巖儲層試采實(shí)驗(yàn)取得了一定的測試產(chǎn)量，但距商業(yè)開采門限還有較大的差距，且這些開采方式的安全可靠性還有待深入研究。目前，可燃冰實(shí)際短期試開采的僅有美國阿拉斯加北坡、俄羅斯麥索雅哈、加拿大馬更歇和日本愛知海四個區(qū)域，而制約開采規(guī)模和進(jìn)度發(fā)展的主要原因就是可燃冰開發(fā)潛在的環(huán)境風(fēng)險。
[0003]儲存于海底表層O?200m的細(xì)粒裂隙型、分散型可燃冰占據(jù)可燃冰資源分布金字塔的底端，其弱膠結(jié)、穩(wěn)定性差，采用上述常規(guī)開采方法極易引發(fā)地質(zhì)坍塌、氣化散失、環(huán)境破壞等問題。因而，不改變溫度、壓力條件，直接將可燃冰粉碎，以固態(tài)形式被海水提升的方法近幾年被提出，并迅速成為關(guān)注的焦點(diǎn)，這就是固態(tài)流化開采方法，亦有學(xué)者稱之為水力提升法、地面分解法。目前已提出的可燃冰固態(tài)流化開采技術(shù)主要由海床掘進(jìn)破碎可燃冰、提升栗抽吸海水并在立管中舉升可燃冰和海面收集分離三部分組成。但海床掘進(jìn)車或破碎機(jī)在可燃冰破碎時易引起地層垮塌，造成掘進(jìn)車或破碎機(jī)墜陷，打撈和維護(hù)成本較高，也嚴(yán)重影響作業(yè)的進(jìn)度。另外，提升栗抽吸海水提升時，海水?dāng)y帶可燃冰及地層砂粒一同舉升，至海面才得以分離，消耗了較大的能量，也增加了海面分離器的負(fù)荷。
[0004]因此，研發(fā)高穩(wěn)定性、低能耗、高效率的可燃冰開采方式十分必要，一旦穩(wěn)定可靠的可燃冰開采技術(shù)投入使用，將極大地緩解我國的能源安全危機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對【背景技術(shù)】中所提出的問題，本發(fā)明旨在提供一種高效、穩(wěn)定、低成本、低能耗的可燃冰鉆采及氣化分離一體化開采裝置及方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種可燃冰鉆采及氣化分離一體化開采裝置由分離短接、抽吸短接、底部鉆頭、鉆筒、熱水管和注水管組成。鉆筒為圓筒型管道，抽吸短接與底部鉆頭通過螺紋連接，抽吸短接與分離短接之間接有鉆筒，兩者均通過螺紋與鉆筒連接，分離短接上端與上部的鉆筒連接。
[0008]分尚短接由分尚短接外筒、分尚濾網(wǎng)、分尚短接內(nèi)筒、出流擴(kuò)張管、旋流分尚器、弓丨流噴嘴組成。分離短接外筒和分離短接內(nèi)筒同軸布置，分離短接外筒為一寬口短頸瓶狀圓筒，分上端開口段、中間筒體及下部筒底段;上端開口段直徑與鉆筒直徑相同；中間筒體直徑大于鉆筒直徑，中間筒體與上端開口段之間通過漸縮段過渡；下部筒底段直徑與鉆筒直徑相同，中間筒體與下部筒底段之間呈臺階狀突縮過渡連接;在筒底臺階圓環(huán)面上沿周向均勻布置四個排污孔，每個排污孔均安有一個止回閥。分離短接內(nèi)筒為一圓柱形圓筒，其直徑小于鉆筒直徑;分離短接內(nèi)筒內(nèi)壁底端固定安裝有開口向上的漸縮式引流噴嘴，引流噴嘴出口設(shè)十字交叉的旋流器支架，旋流器支架上部安裝有葉片螺旋上升的旋流分離器;分離短接內(nèi)筒內(nèi)壁頂端固定安裝有漸擴(kuò)式出流擴(kuò)張管，出流擴(kuò)張管入口高于旋流分離器頂端;在引流噴嘴外側(cè)的分離短接內(nèi)筒壁上沿周向均勻開有八個下分離孔，在出流擴(kuò)張管外側(cè)的分離短接內(nèi)筒壁上沿周向均勻開有八個上分離孔。在分離短接外筒與分離短接內(nèi)筒之間設(shè)有環(huán)形分離濾網(wǎng)，分離濾網(wǎng)位于分離短接外筒中間筒體與漸縮段交接處。分離短接外筒筒底臺階圓環(huán)面延伸至分離短接內(nèi)筒外壁，將分離短接外筒與分離短接內(nèi)筒底部連接。
[0009]抽吸短接由抽吸短接外筒、文丘里管和橡膠環(huán)組成。抽吸短接外筒與文丘里管同軸布置，抽吸短接外筒直徑等于鉆筒直徑，文丘里管直徑小于鉆筒直徑，文丘里管上、下端與抽吸短接外筒之間的環(huán)形空間由橡膠環(huán)封堵。
[0010]底部鉆頭由收縮筒、底盤及牙輪鉆頭組成。收縮筒上端直徑與鉆筒直徑相等，其與抽吸短接通過螺紋連接。收縮筒底部安設(shè)底盤，底盤分為內(nèi)圓、外環(huán)兩部分;底盤內(nèi)圓可旋轉(zhuǎn)，安裝有三個中心軸相互平行的牙輪鉆頭;底盤外環(huán)固定，沿周向均勻開有八個底盤引流孔;底盤外環(huán)上還開有供注水管穿出的注水孔。
[0011 ]注水管和熱水管關(guān)于鉆筒筒軸對稱布置于鉆筒內(nèi)部，它們從上至下分別穿過分離短接的分離濾網(wǎng)、分離短接外筒筒底臺階圓環(huán)面、抽吸短接的上、下橡膠環(huán)，且注水管和熱水管緊貼分離短接內(nèi)筒和文丘里管外壁安裝。熱水管出口段為U型管，使熱水流動方向反向，熱水管出口安有收縮噴嘴，位于文丘里管管軸下方。注水管在底部鉆頭收縮筒中順收縮筒壁向下延伸，其出口從底盤外環(huán)上的注水孔伸出，伸出注水孔的注水管長度小于牙輪鉆頭根部高度。
[0012]所述的注水管、熱水管、鉆筒均由一根根管道連接而成，同一位置的單根注水管、熱水管與鉆筒的長度一致，位于分離短接處的注水管、熱水管與分離短接長度一致。
[0013]利用上述的可燃冰鉆采及氣化分離一體化開采裝置可以提供一種可燃冰鉆采及氣化分離一體化開采方法。啟動牙輪鉆頭鉆進(jìn)，切削可燃冰層，將可燃冰破碎成顆粒狀。向注水管中注入海水，海水沿注水管向下流動，并從底盤注水孔外的出口噴出，噴出的海水將牙輪鉆頭處已破碎的可燃冰顆粒流化，使可燃冰顆粒在海水的帶動下流動起來。與此同時，向熱水管中注入熱水，熱水沿?zé)崴芟蛳铝鲃?，從U型管末端收縮噴嘴向上噴出，由于收縮噴嘴的加速效應(yīng)，使得噴嘴出口處的壓強(qiáng)減小，產(chǎn)生了低壓抽吸作用。在抽吸作用下，使得底盤外夾帶可燃冰顆粒的海水通過底盤引流孔進(jìn)入收縮筒，然后進(jìn)入文丘里管，與熱水混合。高速熱水將動能和熱能部分傳遞給攜帶可燃冰顆粒的海水，使其具有足夠的能量向上舉升。熱水與攜帶可燃冰顆粒的海水摻混后，經(jīng)文丘里管再次產(chǎn)生加速抽吸作用，使下部更多的可燃冰顆粒在海水的帶動下進(jìn)入抽吸短接。由于熱水熱量傳遞引起的溫度升高以及在向上流動過程中壓強(qiáng)的降低，可燃冰發(fā)生氣化，夾雜在可燃冰顆粒中的砂粒也被裸露出來，從而在鉆筒中形成氣、液、固多相流。多相流體進(jìn)入分離短接后，經(jīng)引流噴嘴再次加速，然后順著旋流分離器的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)上升，在旋轉(zhuǎn)上升的過程中形成了離心力，在離心力的作用下密度較大的水、砂被甩至分離短接內(nèi)筒壁，氣體則可從旋流分離器上方的出流擴(kuò)張管中流出，并繼續(xù)向上流動，直至到達(dá)海面被收集。被甩至分離短接內(nèi)筒壁的水、砂，流速較大時會在出流擴(kuò)張管外側(cè)聚集并從上分離孔流出，流速較小時會回落到引流噴嘴外側(cè)聚集并從下分離孔流出。從上分離孔、下分離孔流到分離短接外筒與分離短接內(nèi)筒之間環(huán)形空間的流體摻雜有少量氣體，其可以穿過分離濾網(wǎng)進(jìn)入上部鉆筒，其余水、砂在重力作用下落至分離短接外筒筒底臺階圓環(huán)面處，并通過排污孔處的止回閥流到外界海水中，實(shí)現(xiàn)水、砂的排放。因此，通過底部鉆頭的切削破碎、注水管注水流化、熱水管注熱水傳熱傳能、抽吸短接的抽吸和分離短接的分離五個環(huán)節(jié)的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了可燃冰鉆、采及氣化分離一體化。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、將鉆、采技術(shù)結(jié)合，并在開采過程中直接分離，簡化了作業(yè)流程，大大縮短了作業(yè)周期，提高了作業(yè)效率，降低了開采成本；
[0016]2、整套裝置上下有機(jī)銜接，實(shí)現(xiàn)了鉆、采、分離一體化，沒有繁瑣、分散的設(shè)備，降低了整體作業(yè)風(fēng)險。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明分離短