[发明专利]天然气水合物井下开采装置以及方法

说明书

一种天然气水合物井下开采装置以及方法。开采装置包括钻采系统和分离系统两部分；分离系统上端配备有电机、泵和管线，用于将海水注入到钻采系统所在的水合物开采层；钻采系统包括水射流和钻头，用于将天然气水合物和岩石杂质变成固态流化状，包括前后液压模块和伸缩模块，用于实现移动，包括混合液举升模块，用于举升天然气水合物颗粒状、泥沙和水的混合液流入到旋流器中，混合液经过旋流器的螺旋流道变成旋流状态，密度较大的泥沙从底流口流出，经过螺杆泵增压后向开采层注回，密度较小的天然气水合物颗粒从溢流口流出，经过螺杆泵增压后流向地面。能够实现多方位角度开采和高精度的天然气水合物分离，可节约开采成本，延长开采周期。

技术领域

本发明涉及一种应用于天然气水合物开采中的装置以及方法。

背景技术

天然气水合物，即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，主要坐落在大约300-500m厚的沉积物中。因其能量密度高、燃烧污染小、分布广、储量大，故被誉为“未来能源”。由于海底的特殊、复杂的环境，且天然气水合物分解的甲烷气体是强温室气体，天然气水合物的开采路径和方法处于探究和试验阶段。

传统的开采方法有热激发开采法、减压开采法和化学试剂注入开采法。前二者均是利用天然气水合物特殊的存在条件，即低温高压的环境，破坏这一环境，天然气水合物就会分解出大量的甲烷和水。化学试剂注入开采法是向天然气水合物层注入某些试剂，与天然气水合物发生反应，促使其分解出甲烷。新型开采方法包括CO2置换法和固体开采法，置换法的原理是向天然气水合物层注入CO2，在低温高压的环境下会形成CO2并释放出热量使得天然气水合物分解。以上四种方法都属于甲烷气体释放开采，面临着井筒安全、生产控制、环境风险等问题。固体开采法，即固态流化法，采用钻头设备将天然气水合物碎成小颗粒状，混合着海水，举升至地面。开采过程中，天然气水合物不与外界环境接触，比较容易控制，避免了环境风险等问题，该方法也被评价为有望解决天然气水合物开采的革命性技术之一。但是，现有的固体开采法中，未能解决开采钻头在天然气水合物层的低成本移动问题，以及高精度分离天然气水合物颗粒和开采层压力高回注困难的问题。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种天然气水合物井下开采装置以及方法，该种装置将钻采系统与分离系统单独设计，保证分离系统不受钻采系统干扰，始终处于相对稳定的环境中，实现了钻采系统在天然气水合物层便捷移动，提高钻采效率，解决现行设备移动不便的弊端，增加开采周期，实现了天然气水合物的高精度分离，将部分泥沙、水通过旋流器分离，减少举升费用，经济开采，将被分离后的泥沙回注到开采层，避免开采层采空带来的坍塌等危害。

本发明的技术方案是：天然气水合物井下开采装置包括钻采系统和分离系统；钻采系统包括钻头模块、水射流模块、前液压模块、伸缩模块、后液压模块以及混合液举升模块；分离系统包括旋流器模块、溢流举升模块、底流回注模块以及海水注入模块。 另有钻采系统套管,分离系统套管，钻采系统置于水合物开采层13中，分离系统置于泥沙层14中，海水注入模块位于海水层15中。

所述钻头模块，包括钻头，金刚石，钻头电机，钻头传动杆，钻头密封轴承，钻头电机固定支座。金刚石嵌在钻头表面，其作用是更好的破碎天然气水合物和岩石杂质。钻头传动杆右端与钻头连接，左端与电机连接。钻头密封轴承位于钻头传动杆与钻采系统套管之间，其作用为密封和支撑。钻头电机固定支座将钻头电机固定在钻采系统套管内部。

所述水射流模块，位于钻头模块的左端，包括射流电机，射流泵，射流喷头，射流电机支座，射流泵支座。射流喷头嵌在钻采系统套管内，射流电机支座和射流泵分别将射流电机和射流泵固定在钻采系统套管内部。