一种冰冻钻孔通孔设备及其使用方法与流程

本发明涉及天然气水合物研究的技术领域，具体地涉及一种冰冻钻孔通孔设备，以及该设备的使用方法。

背景技术：

天然气水合物(naturalgashydrate)是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”，因其中的气体成分主要为甲烷，故又称甲烷水合物(methanehydrate)。天然气水合物能量密度高，在理想状况下，1m³的天然气水合物可分解出164m³的甲烷气体和0.8m³的水。而地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富，天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，估计全球天然气水合物中的碳储量为2×10¹⁶m³，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上。上世纪90年代以来，世界上发达国家和一些发展中国家纷纷制订各自的开发研究计划，对天然气水合物进行全面的、系统的调查和研究。

我国是世界上第三大冻土大国，在青藏高原和大兴安岭地区存在着大片冻土区，已有研究表明，我国冻土区尤其是羌塘盆地、祁连山、风火山和漠河盆地等具备较好的天然气水合物成矿条件和找矿前景。2008～2011年间，我国在祁连山冻土区相继钻探8口天然气水合物钻孔，多次成功钻获天然气水合物实物样品，证实我国冻土区存在天然气水合物，实现了陆上冻土区天然气水合物勘查找矿工作的重大突破。2011年下半年，针对钻获水合物实物样品的dk-8钻孔，对天然气水合物成功进行了试采实验，成为我国冻土区天然气水合物勘探工作的另一项重大突破。2014-2016年间，在祁连山木里地区成功进行了第2次陆域水合物试采，也是世界上首次探索用“山”字形水平对接井方式进行天然气水合物开采。

目前，对冻土区天然气水合物虽然已进行了大量研究，但对于水合物形成、分解与冻土、环境以及地质构造相互之间的关系、冻土区水合物的成藏理论仍有很多悬而未解的问题；同时，如何把来之不易的“绿色能源”勘探成果“培育”好、发展好，使其发挥最大的生态、经济效益也是目前面临的另一项挑战。为了探索研究天然气水合物勘探、开采过程中产生的原位变化，深入开展冻土区天然气水合物基础研究，对冻土区钻探井下天然气水合物原位动态变化的研究已显得非常重要。开展天然气水合物合成、分解过程中原位动态的微观变化，以及对大气-水-环境可能带来的宏观变化的研究，对实现我国针对天然气水合物这种新型洁净能源的绿色生态利用和发展具有重要意义。

伴随天然气水合物勘探开发过程，水体中溶解性甲烷浓度的含量对地层中天然气水合物存在状态的指示愈发重要。一方面，可对天然气水合物含量进行评估；另一方面，可对天然气水合物产生的甲烷进行实时监测，以免对环境造成灾害性影响。目前，对冻土区固结岩层内天然气水合物开采过程中，地层水中天然气水合物含量变化的监测已引起广大学者的重视，但监测方法却寥寥无几。故本发明提出了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测的方法系统，可为研究冻土区环境下水合物赋存条件变化、甲烷溶解、甲烷迁移等科学问题提供基本参数。

而在高海拔永久冻土区，因低温环境的影响，约100m厚的水体结冰成块，把孔内的观测仪器及设备冰封在孔内，无法检修及更换，而钻探凿冰对连接监测仪器的缆线破坏大，极易造成缆线断裂，监测仪器沉没井底的发生。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种冰冻钻孔通孔设备，其可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑。

本发明的技术解决方案是：这种冰冻钻孔通孔设备，其包括：第一水泵、加热器、第二水泵、水池、回水管、胶管绞车、进水管；

第一水泵在水池的冷水区工作，加热器的两端分别连接第一水泵、水池的热水区，第二水泵通过胶管绞车将热水区的热水泵入进水管，进水管插入钻孔中，回水管的一端在钻孔口处且另一端连接水池的冷水区。

还提供了这种冰冻钻孔通孔设备的使用方法，其包括以下步骤：

(1)冷水加热；

(2)热水输送；

(3)利用热水，进行高压射孔；

(4)水体循环加热。

本发明通过热水射流消融的方式对冻土区冻结钻孔进行通孔作业，通过对孔内的冰进行射流消融，可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑。

附图说明

图1是根据本发明的冰冻钻孔通孔设备的结构示意图。

图2是根据本发明的冰冻钻孔通孔设备的使用方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，这种冰冻钻孔通孔设备，其包括：第一水泵1、加热器2、第二水泵3、水池4、回水管5、胶管绞车6、进水管7；

第一水泵在水池的冷水区41工作，加热器的两端分别连接第一水泵、水池的热水区42，第二水泵通过胶管绞车将热水区的热水泵入进水管，进水管插入钻孔8中，回水管的一端在钻孔口处且另一端连接水池的冷水区。

另外，所述加热器通过耐高温胶管将加热后的水输送到水池的热水区。

如图2所示，还提供了这种冰冻钻孔通孔设备的使用方法，其包括以下步骤：

(1)冷水加热；

(2)热水输送；

(3)利用热水，进行高压射孔；

(4)水体循环加热。

本发明通过热水射流消融的方式对冻土区冻结钻孔进行通孔作业，通过对孔内的冰进行射流消融，可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑。

另外，所述步骤(1)中，第一水泵抽取冷水区的自然水，泵送到加热器，进行高温加热。

另外，所述步骤(2)中，利用耐高温胶管，将加热后的水输送到热水区。

另外，所述步骤(3)中，将热水区的水体，采用耐高温胶管输送到钻孔底部，同时进行加压，对钻孔内的冰进行射流钻进。

另外，所述步骤(4)中，将射孔后冷却的水体进行回收，输送到冷水区并再次加热，循环往复，在不浪费水体的情况下，通过水体循环加热，对钻孔内冻土冰层进行射流消融，以达到对冻土层下长期监测设备安装、维修的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

技术总结
公开一种冰冻钻孔通孔设备，其可在不破坏仪器电缆的情况下进行作业，一方面达到了融冰透孔的目的，另一方面保护了井下的长期监测设备，为与天然气水合物相关的参数的长期动态监测提供了技术支撑。这种冰冻钻孔通孔设备，其包括：第一水泵、加热器、第二水泵、水池、回水管、胶管绞车、进水管；第一水泵在水池的冷水区工作，加热器的两端分别连接第一水泵、水池的热水区，第二水泵通过胶管绞车将热水区的热水泵入进水管，进水管插入钻孔中，回水管的一端在钻孔口处且另一端连接水池的冷水区。还提供了这种冰冻钻孔通孔设备的使用方法。

技术研发人员：王平康;祝有海;庞守吉;王汉宝;黄霞;王明君;张帅;肖睿
受保护的技术使用者：中国地质调查局油气资源调查中心;中国地质科学院勘探技术研究所
技术研发日：2017.07.29
技术公布日：2018.02.13