[发明专利]一种可燃冰钻采及气化分离一体化开采装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于海底可燃冰开采技术领域，具体涉及一种可燃冰钻采及气化分离一体化开采装置及方法。

技术背景

可燃冰是以甲烷为主的天然气与水在低温高压环境下生成的笼状结晶物，具有高密度、高热值、遇火即燃的属性，主要储藏在海底和高纬度的陆地永久冻土中，约95％储存于水深大于300m海床下0～1100m的深水区域，又以浅层细粒裂隙型、分散型为主。可燃冰作为一种绿色清洁能源自发现后就受到全世界的广泛关注，它仅存在于一定的温度、压力条件下，一旦条件被打破，即会引起气化分解。人们正是利用了这一特点，提出了降压、热激、注剂、CO₂置换等开采方法，这些方法在极地砂岩和海域砂岩储层试采实验取得了一定的测试产量，但距商业开采门限还有较大的差距，且这些开采方式的安全可靠性还有待深入研究。目前，可燃冰实际短期试开采的仅有美国阿拉斯加北坡、俄罗斯麦索雅哈、加拿大马更歇和日本爱知海四个区域，而制约开采规模和进度发展的主要原因就是可燃冰开发潜在的环境风险。

储存于海底表层0～200m的细粒裂隙型、分散型可燃冰占据可燃冰资源分布金字塔的底端，其弱胶结、稳定性差，采用上述常规开采方法极易引发地质坍塌、气化散失、环境破坏等问题。因而，不改变温度、压力条件，直接将可燃冰粉碎，以固态形式被海水提升的方法近几年被提出，并迅速成为关注的焦点，这就是固态流化开采方法，亦有学者称之为水力提升法、地面分解法。目前已提出的可燃冰固态流化开采技术主要由海床掘进破碎可燃冰、提升泵抽吸海水并在立管中举升可燃冰和海面收集分离三部分组成。但海床掘进车或破碎机在可燃冰破碎时易引起地层垮塌，造成掘进车或破碎机坠陷，打捞和维护成本较高，也严重影响作业的进度。另外，提升泵抽吸海水提升时，海水携带可燃冰及地层砂粒一同举升，至海面才得以分离，消耗了较大的能量，也增加了海面分离器的负荷。

因此，研发高稳定性、低能耗、高效率的可燃冰开采方式十分必要，一旦稳定可靠的可燃冰开采技术投入使用，将极大地缓解我国的能源安全危机。

发明内容

针对背景技术中所提出的问题，本发明旨在提供一种高效、稳定、低成本、低能耗的可燃冰钻采及气化分离一体化开采装置及方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种可燃冰钻采及气化分离一体化开采装置由分离短接、抽吸短接、底部钻头、钻筒、热水管和注水管组成。钻筒为圆筒型管道，抽吸短接与底部钻头通过螺纹连接，抽吸短接与分离短接之间接有钻筒，两者均通过螺纹与钻筒连接，分离短接上端与上部的钻筒连接。

分离短接由分离短接外筒、分离滤网、分离短接内筒、出流扩张管、旋流分离器、引流喷嘴组成。分离短接外筒和分离短接内筒同轴布置，分离短接外筒为一宽口短颈瓶状圆筒，分上端开口段、中间筒体及下部筒底段；上端开口段直径与钻筒直径相同；中间筒体直径大于钻筒直径，中间筒体与上端开口段之间通过渐缩段过渡；下部筒底段直径与钻筒直径相同，中间筒体与下部筒底段之间呈台阶状突缩过渡连接；在筒底台阶圆环面上沿周向均匀布置四个排污孔，每个排污孔均安有一个止回阀。分离短接内筒为一圆柱形圆筒，其直径小于钻筒直径；分离短接内筒内壁底端固定安装有开口向上的渐缩式引流喷嘴，引流喷嘴出口设十字交叉的旋流器支架，旋流器支架上部安装有叶片螺旋上升的旋流分离器；分离短接内筒内壁顶端固定安装有渐扩式出流扩张管，出流扩张管入口高于旋流分离器顶端；在引流喷嘴外侧的分离短接内筒壁上沿周向均匀开有八个下分离孔，在出流扩张管外侧的分离短接内筒壁上沿周向均匀开有八个上分离孔。在分离短接外筒与分离短接内筒之间设有环形分离滤网，分离滤网位于分离短接外筒中间筒体与渐缩段交接处。分离短接外筒筒底台阶圆环面延伸至分离短接内筒外壁，将分离短接外筒与分离短接内筒底部连接。

抽吸短接由抽吸短接外筒、文丘里管和橡胶环组成。抽吸短接外筒与文丘里管同轴布置，抽吸短接外筒直径等于钻筒直径，文丘里管直径小于钻筒直径，文丘里管上、下端与抽吸短接外筒之间的环形空间由橡胶环封堵。

底部钻头由收缩筒、底盘及牙轮钻头组成。收缩筒上端直径与钻筒直径相等，其与抽吸短接通过螺纹连接。收缩筒底部安设底盘，底盘分为内圆、外环两部分；底盘内圆可旋转，安装有三个中心轴相互平行的牙轮钻头；底盘外环固定，沿周向均匀开有八个底盘引流孔；底盘外环上还开有供注水管穿出的注水孔。