一种固体置换保压开采海底天然气水合物的方法与流程

本发明涉及开采海底天然气水合物技术领域，尤其涉及一种固体置换保压开采海底天然气水合物的方法。

背景技术：

天然气水合物是由气体分子与水在低温高压条件下形成的白色结晶状物质，主要产于海底沉积物和陆上永久冻土带中，全球资源量预计达2.1×10¹⁶m³，是煤炭、石油和天然气资源总量的两倍，具有巨大的能源开发潜力。

当前天然气水合物开采方式主要包括注热开采、降压开采、注化学试剂开采、co2置换开采及固态流化开采(深海浅层)等，但是这几种方法都有一定的缺点，存在注热开采热量损耗严重、化学试剂昂贵等问题，并且这些方法易引起海床变形，引发海底滑坡、海啸、海洋生态环境破坏等灾害。因此，当前采用以上方法进行大规模商业开采存在一定安全隐患。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种固体置换保压开采海底天然气水合物的方法，通过密封装置，将水合物采场保持适当温压，水合物不分解，利用智能机械将天然气水合物固体采出，并及时充填采场空腔，以达到安全高效开采与海底生态保护的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

本发明提供一种固体置换保压开采海底天然气水合物的方法，包括以下步骤：

a.建设海上半潜式钻井开采平台，海上平台主要布置有：天然气过滤液化储存装置、智能操控平台、管道提升稳定塔、海水过滤注入装置、液压加压装置、物料输送平台；

b.在开采平台上，穿过海水层向海底布置水合物开采带有井口密封装置的固定基台，隔水管下端用球形挠性接头与固定基台连接，上端伸缩节与半潜式平台相连；

c.固定基台搭建开采水合物装置，主要包括：天然气水合物分解装置、进出(废)料控制装置、浆体抽送动力装置、泄气放压装置，遥控海底机器人经由双向控制阀对水合物层废石与充填料输送；

d.智能操控平台通过光纤或管线分别与钻机智能系统、二次破碎机、固液混合装置、液压油进出阀、密封闸门装置、泄气保压装置、浆体抽送动力装置、进出(废)料控制装置、天然气水合物分解装置、双向控制阀相连，控制各装置的开关运行；

e.智能钻机送至隔水管，经由两道井口密封闸门装置对上覆层进行钻井，直至钻至水合物层；

f.预设好采场角度、长度及相间距离，进行定向连续开采，依据设置的支护间隔，控制液压油管进出阀，将柔性支护装置充满液压油，关闭阀门保持压力，依次支护；开采的水合物进行二次破碎，输送至固液混合装置，与海水混合输送至天然气水合物分解装置进行分解；运输至天然气过滤液化储存装置，并输送至液化天然气船；

g.在天然气水合物分解装置分解后，水合物废石排至海底，遥控海底机器人输送充填浆体，压送至开采点；柔性支护泄压，进行后退充填，同时达到绿色开采；

h.在开采充填过程中，机械开采温度变化不大，若温压有变，温压探测装置，反馈至智能操控平台，根据水合物温压曲线，及时通过泄气放压装置，放压达到温压平衡，保持水合物固态；

i.根据天然气水合物开采布置图进行依次开采，一号井开采结束后，撤出开采设备，封闭开采井，依次进行二号井、三号井的开采。

进一步的，步骤b基台采用直径15m的圆台，用基台固定楔将其周围固定；将隔水管下放，隔水管下端用球形挠性接头与固定基台26连接，上端使用伸缩节与海上钻井开采平台相连。

进一步的，步骤c中，天然气水合物分解装置上部设置连接进出(废)料控制装置、浆体抽送动力装置，天然气水合物分解装置通过双向控制阀与排矸进料管连接，遥控海底机器人对应设置在排矸进料管出口处。

进一步的，遥控海底机器人设置在上覆岩层上部。

进一步的，步骤e具体包括将智能钻机送至隔水管，打开井口密封闸门装置的第一道，智能钻机下放，关闭第一道闸门，打开第二道闸门，对上覆层进行钻井，直至钻至水合物层。

进一步的，步骤f具体包括根据预设好的采场角度、长度及相间距离，进行定向钻采钻道，将开采的水合物经过破碎机进行二次破碎输送至固液混合装置，与海水混合通过管道经由浆体抽送动力装置，输送至天然气水合物分解装置分解，分解后的混合气体经由输气管运输至天然气过滤液化储存装置里，经由液化天然气船连接平台，输送至液化天然气船；依据设置好的支护间隔，控制打开液压油管进出阀，经由液压油管，将柔性支护装置充满液压油，关闭阀门保持压力，并依次支护。

进一步的，步骤g具体包括在天然气水合物分解装置分解后，水合物矸石由进出(废)料控制装置排至海底；改变双向控制阀的方向，由遥控海底机器人输送充填浆体至排矸进料管，通过管道压送至开采位置，并依次打开液压油进出阀门，抽出液压油，进行后退充填，同时达到安全高效开采。

本发明的有益效果：

该方法通过控制水合物层的温度与压力，开采原理简单、实用，开采过程安全、高效，能实现连续化开采；且能够有效避免水合物的分解，能够很好的解决天然气水合物分解引起的地质环境灾害。

附图说明

图1为本发明的天然气水合物开采方法图；

图2为本发明的天然气水合物采场布置图；

附图标记说明：1—半潜式钻井开采平台，2—海水层，3—上覆岩层，4—天然气水合物层，5—下覆岩层，6—液化天然气船连接平台，7—天然气过滤液化储存装置，8—智能操控平台，9—管道提升固定塔，10—海水过滤注入装置，11—液压加压装置，12—物料输送平台，13—隔水管，14—输气管，15—信号传输线管，16—海水管，17—液压油管，18—遥控水下机器人，19—排矸进料管，20—双向控制阀，21—天然气水合物分解装置，22—进出(废)料控制装置，23—浆体抽送动力装置，24—泄气保压装置，25—密封闸门装置，26—井口固定基台，27—基台固定楔，28—液压油进出阀，29—柔性支护装置，30—固液混合装置，31—破碎机，32—天然气水合物输送管道，33—动力机，34—钻机智能系统，35—钻机行走部，36—钻机外罩，37—带螺旋输送的钻机，38—温压测试探头，39—一号井，40—二号井，41—三号井，42、43、44、45—钻道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1-2所示，本实施例提供一种固体置换保压开采天然气水合物的方法，具体包括以下步骤：

a.在海面上建设半潜式钻井开采平台1，海上平台上主要布置有：液化天然气船连接平台6、天然气过滤液化储存装置7、智能操控平台8、管道提升稳定塔9、海水过滤注入装置10、液压加压装置11、物料输送平台12；

b.从海上钻井开采平台1，穿过海水层2向海底布置带有密封闸门装置25的水合物开采固定基台26，基台采用直径15m的圆台，用基台固定楔27将其周围固定；将隔水管13下放，隔水管13下端用球形挠性接头与固定基台26连接，上端使用伸缩节与海上钻井开采平台1相连；

c.在固定基台26上进行开采水合物装置的搭建，主要包括：天然气水合物分解装置21、进出(废)料控制装置22、浆体抽送动力装置23、泄气保压装置24等，通过遥控海底机器人18，经由双向控制阀20进行水合物层矸石与充填料的输送；

d.将智能操控平台8通过光纤或管线分别与钻机智能系统34、破碎机31、固液混合装置30、液压油进出阀28、密封闸门装置25、泄气保压装置24、浆体抽送动力装置23、进出(废)料控制装置22、天然气水合物分解装置21、双向控制阀20的芯片模块相连，并系统的控制各装置的开关运行；

e.将智能钻机送至隔水管13，打开井口密封闸门装置25的第一道，智能钻机下放，关闭第一道闸门，打开第二道闸门，对上覆层3进行钻井，直至钻至水合物层4；

f.根据预设好的采场角度、长度及相间距离，进行定向钻采42，将开采的水合物经过破碎机31进行二次破碎输送至固液混合装置30，与海水混合通过管道经由浆体抽送动力装置23，输送至天然气水合物分解装置21分解，分解后的混合气体经由输气管14运输至天然气过滤液化储存装置7里，经由液化天然气船连接平台6，输送至液化天然气船；依据设置好的支护间隔，控制打开液压油管进出阀28，经由液压油管17，将柔性支护装置29充满液压油，关闭阀门保持压力，并依次支护；

g.在天然气水合物分解装置21分解后，水合物矸石由进出(废)料控制装置22排至海底；

改变双向控制阀20的方向，由遥控海底机器人输送充填浆体至排矸进料管19，通过管道压送至开采位置，并依次打开液压油进出阀门28，抽出液压油，进行后退充填，同时达到安全高效开采；

h.在开采充填过程中，由于机械开采温度变化不大，若温压有变，经由温度压力探测装置38，反馈至智能操控平台8，根据水合物温度压力曲线，及时通过打开泄气保压装置24，减小压力达到天然气水合物温压平衡；

i.根据天然气水合物开采固态开采上覆层3所承受的压力，设计开采布置图，对一号井39钻采，首先开采钻道42进行准备，然后开采钻道44，并进行充填，依次开采钻道44、45、43并充填，直至一号井39开采结束，撤出开采设备，封闭开采井39，依次进行二号井40、三号井41的开采。