[发明专利]一种海底浅层天然气水合物固态流化绿色开采装置及方法

权利要求书

1.一种海底浅层天然气水合物固态流化绿色开采装置，其特征在于：它包括海面支持系统、管道输送系统和海底钻采系统，所述海面支持系统包括浮于海水上的水合物钻采船（1）、设置于水合物钻采船（1）上的水合物储罐（2）、高压泵组（3）和双层连续油管收纳机构（4）；

所述管道输送系统包括双层连续油管（5）、安装于泥沙盖层（6）内的可回收导管（8）、安装于可回收导管（8）外的裸眼封隔转向器（7），双层连续油管（5）设置于可回收导管（8）内，双层连续油管（5）的首端固定于双层连续油管收纳机构（4）上，双层连续油管（5）的内层通道与水合物储罐（2）连接，双层连续油管（5）的外层通道与高压泵组（3）的出口端连接，双层连续油管（5）的末端连接有位于水合物层（26）内的海底钻采系统；

所述海底钻采系统包括顺次连接的水合物浆体分离器（9）、第一节三层管（10）、双层管内外液交换接头（11）和第二节三层管（12），水合物浆体分离器（9）将双层连续油管（5）的外层通道与第一节三层管（10）的外层通道连通，水合物浆体分离器（9）还将双层连续油管（5）的内层通道与第一节三层管（10）的内层通道连通，双层管内外液交换接头（11）将第一节三层管（10）的外层通道与第二节三层管（12）的内层通道连通，双层管内外液交换接头（11）还将第一节三层管（10）的内层通道与第二节三层管（12）的外层通道连通，第二节三层管（12）末端上且位于其内层通道内设置有喷射头（13），喷射头（13）与第二节三层管（12）连通，喷射头（13）内设置有压差滑套（14），喷射头（13）的末端固设有水合物钻头（15），水合物钻头（15）上且沿其轴向上开设有海水喷射钻进通道（16），海水喷射钻进通道（16）连通喷射头（13）；

所述第一节三层管（10）的内层通道中固设有单螺杆泵（17），第二节三层管（12）的内层通道中固设有液压马达（18），液压马达（18）输出轴的一端与单螺杆泵（17）的输入轴之间连接有贯穿双层管内外液交换接头（11）的联轴器（19），液压马达（18）输出轴的另一端与喷射头（13）固连；所述海底钻采系统的外部套有泥沙回填套管（20），泥沙回填套管（20）的首端部与水合物浆体分离器（9）的排沙口连接，泥沙回填套管（20）的末端设置有泥沙回填通道（21），所述泥沙回填套管（20）的柱面上且沿其周向上开设有多个连通喷射头（13）的喷射孔（22），泥沙回填套管（20）的柱面上还开设有连通第二节三层管（12）外层通道的回料口（23）。

2.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物固态流化绿色开采装置，其特征在于：所述水合物钻采船（1）上还设置有井架（24）。

3.根据权利要求2所述的一种海底浅层天然气水合物固态流化绿色开采装置，其特征在于：所述井架（24）上设置有双层连续油管注入头（25）。

4.根据权利要求1~3中任意一项所述的装置海底浅层天然气水合物固态流化绿色开采的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

SI、钻进过程，具体包括以下步骤：

Sa、将水合物钻采船（1）开到水合物采集点，并将水合物钻采船（1）锚定；

Sb、将双层连续油管（5）和可回收导管（8）一起下至海底；

Sc、盖层钻进：打开高压泵组（3），高压泵组（3）将海水泵入双层连续油管（5）的外层通道中，带压力的海水顺次穿过水合物浆体分离器（9）、第一节三层管（10）的外层通道、双层管内外液交换接头（11）、第二节三层管（12）的内层通道、液压马达（18）、喷射头（13）内腔最后从水合物钻头（15）的海水喷射钻进通道（16）喷射出，喷射出的高压海水射向泥沙盖层（6），同时高压海水进入液压马达（18）后驱动液压马达（18）的输出轴转动，输出轴经联轴器（19）带动单螺杆泵（17）的输入轴转动，同时带动喷射头（13）转动，喷射头（13）又带动水合物钻头（15）做旋转运动，水合物钻头（15）向水合物层钻进，因此在高压海水喷射和水合物钻头旋转钻进下实现盖层的钻进；

Sd、将裸眼封隔转向器（7）固设于步骤Sc所钻井中，将可回收导管（8）安装于裸眼封隔转向器（7）内；

Se、解脱可回收导管（8）：使双层连续油管（5）与可回收导管（8）解脱，此时双层连续油管（5）继续钻进；

Sf、调整钻进角度：双层连续油管（5）在水合物层（26）钻进过程中通过造斜工具调整钻进角度，随着水合物层（26）钻进方向，可回收导管（8）绕裸眼封隔转向器（7）转动以辅助双层连续油管（5）钻进的造斜效果，即增大钻进过程的倾斜角度，保证在浅薄的水合物层中水平方向的有效钻进长度；

Sg、复位压差滑套：降低高压泵组（3）泵入海水压力，使泵入海水的压力小于从海水喷射钻进通道（16）中所进入海水的压力，此时压差滑套（14）处于喷射头（13）的最内部，并且将喷射孔（22）关闭；

Sh、驱动水合物钻头（15）继续水平段钻进直到完成领眼；

SII、采掘过程，其具体包括以下步骤：

Si、开启压差滑套：增大高压泵组（3）泵入海水压力，使进入喷射头（13）内的海水压力大于从海水喷射钻进通道（16）中所进入海水的压力，压差滑套（14）向右移动，此时压差滑套（14）将海水喷射钻进通道（16）堵塞，而喷射孔（22）不再被压差滑套（14）堵塞；

Sj、周向破碎：通入的高压海水从喷射孔（22）喷射出，水合物层（26）被周向旋转破碎，并沿着周向扩大领眼，破碎后的水合物层变成水合物泥沙混合浆体；

Sk、回拖双层连续油管：使双层连续油管（5）以一定速度回拖实现水合物层轴向破碎，在回拖过程中通过喷射头（13）喷射出的高速水流沿着钻进的反方向逐步扩大井眼；

Sl、由于单螺杆泵（17）被液压马达（18）驱动，水合物泥沙混合浆体顺次经回料口（23）、第二节三层管（12）的外层通道、双层管内外液交换接头（11）、第一节三层管（10）的内层通道进入水合物浆体分离器（9）中，水合物浆体分离器（9）将水合物泥沙混合浆体进行分离，分离出的水合物经双层连续油管（5）的内层通道进入水合物储罐（2）中，而分离的泥沙则经排沙口排入泥沙回填套管（20）中，最后泥沙经泥沙回填通道（21）排入到已开采区；

Sm、更换方位钻领眼：回拖结束后，可回收导管（8）根据钻进方向的调整，使可回收导管（8）绕裸眼封隔转向器（7）转动，再次调整倾斜角度以增大造斜率，继续按照钻进过程的后续工序完成该点位第二道领眼钻进；

Sn、回拖采掘，重复步骤Si~Sl完成第二道领眼的开采；

So、重复上述钻进和回拖采掘过程，完成该点位360°方位的水合物的开采；

SIII、装置回收过程，其具体包括以下步骤：

Sp、继续回拖双层连续油管（5）至海底泥线处；

Sq、采用水下机器人重新将可回收导管（8）悬挂至双层连续油管（5）；

Sr、裸眼封隔转向器（7）解封释放可回收导管（8）；

St、上提可回收导管（8）和双层连续油管（5）到水合物钻采船（1）上；

Su、移动水合物钻采船（1）至下一个点位进行水合物钻采。