一种可燃冰钻采及气化分离一体化开采装置及方法
【技术领域】
[0001]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
[0002]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玮度的陆地永久冻土中，约95%储存于水深大于300m海床下O?IlOOm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。
[0003]储存于海底表层O?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、提升栗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，提升栗抽吸海水提升时，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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
[0007]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。
[0008]分尚短接由分尚短接外筒、分尚滤网、分尚短接内筒、出流扩张管、旋流分尚器、弓丨流喷嘴组成。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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011 ]注水管和热水管关于钻筒筒轴对称布置于钻筒内部，它们从上至下分别穿过分离短接的分离滤网、分离短接外筒筒底台阶圆环面、抽吸短接的上、下橡胶环，且注水管和热水管紧贴分离短接内筒和文丘里管外壁安装。热水管出口段为U型管，使热水流动方向反向，热水管出口安有收缩喷嘴，位于文丘里管管轴下方。注水管在底部钻头收缩筒中顺收缩筒壁向下延伸，其出口从底盘外环上的注水孔伸出，伸出注水孔的注水管长度小于牙轮钻头根部高度。
[0012]所述的注水管、热水管、钻筒均由一根根管道连接而成，同一位置的单根注水管、热水管与钻筒的长度一致，位于分离短接处的注水管、热水管与分离短接长度一致。
[0013]利用上述的可燃冰钻采及气化分离一体化开采装置可以提供一种可燃冰钻采及气化分离一体化开采方法。启动牙轮钻头钻进，切削可燃冰层，将可燃冰破碎成颗粒状。向注水管中注入海水，海水沿注水管向下流动，并从底盘注水孔外的出口喷出，喷出的海水将牙轮钻头处已破碎的可燃冰颗粒流化，使可燃冰颗粒在海水的带动下流动起来。与此同时，向热水管中注入热水，热水沿热水管向下流动，从U型管末端收缩喷嘴向上喷出，由于收缩喷嘴的加速效应，使得喷嘴出口处的压强减小，产生了低压抽吸作用。在抽吸作用下，使得底盘外夹带可燃冰颗粒的海水通过底盘引流孔进入收缩筒，然后进入文丘里管，与热水混合。高速热水将动能和热能部分传递给携带可燃冰颗粒的海水，使其具有足够的能量向上举升。热水与携带可燃冰颗粒的海水掺混后，经文丘里管再次产生加速抽吸作用，使下部更多的可燃冰颗粒在海水的带动下进入抽吸短接。由于热水热量传递引起的温度升高以及在向上流动过程中压强的降低，可燃冰发生气化，夹杂在可燃冰颗粒中的砂粒也被裸露出来，从而在钻筒中形成气、液、固多相流。多相流体进入分离短接后，经引流喷嘴再次加速，然后顺着旋流分离器的螺旋叶片旋转上升，在旋转上升的过程中形成了离心力，在离心力的作用下密度较大的水、砂被甩至分离短接内筒壁，气体则可从旋流分离器上方的出流扩张管中流出，并继续向上流动，直至到达海面被收集。被甩至分离短接内筒壁的水、砂，流速较大时会在出流扩张管外侧聚集并从上分离孔流出，流速较小时会回落到引流喷嘴外侧聚集并从下分离孔流出。从上分离孔、下分离孔流到分离短接外筒与分离短接内筒之间环形空间的流体掺杂有少量气体，其可以穿过分离滤网进入上部钻筒，其余水、砂在重力作用下落至分离短接外筒筒底台阶圆环面处，并通过排污孔处的止回阀流到外界海水中，实现水、砂的排放。因此，通过底部钻头的切削破碎、注水管注水流化、热水管注热水传热传能、抽吸短接的抽吸和分离短接的分离五个环节的协作，实现了可燃冰钻、采及气化分离一体化。
[0014]与现有技术相比，本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点:
[0015]1、将钻、采技术结合，并在开采过程中直接分离，简化了作业流程，大大缩短了作业周期，提高了作业效率，降低了开采成本；
[0016]2、整套装置上下有机衔接，实现了钻、采、分离一体化，没有繁琐、分散的设备，降低了整体作业风险。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的结构示意图；
[0018]图2为本发明分离短