本发明涉及海底天然气水合物开采技术领域，特别是一种海底浅层天然气水合物开采装置及方法。
背景技术：
在深水海底，天然气水合物主要的存在形式有砂岩型，砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，其中细粒裂隙型和分散型水合物占绝大多数，但该类型的水合物埋深浅，胶结性差，开采过程中极易引发地质和环境灾害。
近年来，日本和中国相继开展了海洋天然气水合物试采研究，其所主要采用的试采方法为注热法、降压法等，而这些开采方法均是基于传统油气开采思路，因此，即便是应用于饱和度高、盖层稳定的天然气水合物藏，其仅能实现天然气水合物的短期试采，无法实现长期持续性开采，且可能引起潜在环境地质灾害的危险。
“固态流化”开采方法是一种针对海底天然气水合物的全新开采思路，其核心思想是在不改变海底温度和压力的情况下，直接利用射流破碎采掘天然气水合物矿体，通过密闭管道将破碎后的天然气水合物固体颗粒与海水混合泵送至海面。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于海底浅层天然气水合物的开采装置及方法，在海底开采过程中利用机械和射流破碎天然气水合物，然后使用降压法，置换出的天然气水合物经双壁钻杆的回流口收集，有效解决海底浅层水合物固态流化开采中存在的工艺技术难题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种海底浅层天然气水合物开采方法，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、设置于水合物钻采船上的井架、水合物储罐、高压泵组和隔水管张紧器。
所述管道输送系统包括钻杆、隔水管、海底防喷器组，钻杆设置于海洋隔水管内，钻杆的首端固定于水龙头上，水龙头的上部通道与高压泵组连接，隔水管上端与流体输出装置连接，流体输出装置出口端与水合物储罐相连，钻杆的末端连接有位于水合物层内的海底钻采系统。
所述海底钻采系统包括桥式通道连接器、双壁钻杆和设置于双壁钻杆上的封隔器。
所述双壁钻杆包括顺次连接的桥式通道、辅助加热装置、双层管，双层管的内层通道设置有螺杆马达，螺杆液压马达输出端与回流助力装置连接及喷射装置固连，水力喷射装置与水合物钻头通过螺纹连接，在双壁钻杆上还设置有水合物浆体回流通道，连接回流口与回流口。
所述回流助力装置包括回流喷射口、差压套筒，差压套筒包括挡板、弹簧、下接头。
所述水力喷射装置包括双锥形水力喷射口、下接头、电驱动液力滑套，电驱动液力滑套包括滑套、电池及控制器组、电机。
所述水合物钻头上设置有海水喷射钻进通道。
所述海底浅层天然气水合物固态流化开采的方法，它包括以下步骤：
钻进过程：将水合物钻采船开到指定位置并锚定，将钻杆、隔水管和海底防喷器组一起下至海底；打开高压泵组，高压泵组将海水经过水龙头泵入钻杆，带压力的海水顺次穿过桥式通道连接器、桥式通道、双壁钻杆内层通道、螺杆马达、回流助力装置、水力喷射装置、最后经水合物钻头上的喷射通道喷射出，同时高压海水进入液压马达后驱动液压马达的输出轴转动，同时带动回流助力装置转动，回流助力装置带动水力喷射装置转动，水力喷射装置又带动水合物钻头做旋转运动，水合物钻头向水合物层钻进，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；直到钻入天然气水合物层停止。
采掘过程：在海面控制，向电驱动液力滑套发出命令，控制器开启电机，电机启动，泵入液压油，将滑套抽出，使得双壁钻杆的内通道与水力喷射装置上的水力喷射口连通，实现水合物的周向破碎。继续增大高压泵组泵入的海水压力，使进入回流助力装置内的海水压力增大，压差滑套向压缩弹簧的方向移动，回流喷射口打开，部分海水经双壁钻杆的外层通道返回海面，在双壁钻杆的外层通道形成负压，使得天然气水合物浆体由回流口流入外层通道返回至海面。
气举：在海面控制，向电驱动液力滑套发出命令，控制器开启电机，电机启动，泵入液压油，将滑套抽出，使得双壁钻杆的内通道与水力喷射装置上的水力喷射口连通，从钻杆向海底泵入co2气体，经水力喷射口喷射出，气体泵入海底降低水合物浆体密度，由于封隔器的封堵，迫使天然气水合物浆体由回流口进入双壁钻杆外层通道返回，经辅助加热装置后流入隔水管内返回至海面。
本发明具有以下优点：(1)本装置采用射流破碎的方式开采天然气水合物，降低了对海底的温度和压力的影响，提高了安全性。(2)本装置采用射流破碎和气举法联合开采海底非岩天然气水合物，向海底注入co2，置换出天然气，并且可以起到对海底岩层的固化作用，也可以更有效的开采水合物。
附图说明
图1为本发明钻进过程的结构示意图；
图2为本发明射流破碎采掘过程的结构示意图；
图3为本发明气举过程的结构示意图
图4为图1的i部局部放大视图；
图5为图2的ii部局部放大视图；
图6为图3的iii部局部放大视图；
图7为图5的vi部局部放大视图；
图8为本发明回流助力装置；
图9为本发明的桥式通道连接器结构示意图；
图10为本发明的水力喷射孔放大图；
图中，1-水合物钻采船，2-水合物储罐，3-高压泵组，4-井架，5-游动系统，6-顶驱系统，7-绞车，8-隔水管张紧器，9-流体输出装置，10-钻杆，11-隔水管，12-海底防喷器组，13-海底泥沙盖层，14-天然气水合物层，15-桥式通道连接器，16-套管，17-辅助加热装置，18-双壁钻杆封隔器，19-液压马达，20-传动轴，21-回流助力装置，22-水力喷射孔，23-水力喷射装置，24-回流口，25-水合物钻头，26-钻进通道，27-外部通道，21-1下接头，21-2弹簧，21-3压差套筒，21-4回流助力喷射口，23-1电池及控制器，23-2电机，23-3上液腔，23-4滑套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1～9所示，一种海底浅层天然气水合物开采方法，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)上的井架(4)、水合物储罐(2)、高压泵组(3)和隔水管张紧器(8)。
所述管道输送系统包括钻杆(10)、海洋隔水管(11)、安装于泥沙盖层(13)上的海底防喷器组(12)，钻杆(10)设置于海洋隔水管(11)内，钻杆(10)的首端固定于顶驱系统(6)上，顶驱系统(6)的上部通道与高压泵组(3)连接，隔水管(11)上端与流体输出装置(9)连接，流体输出装置(9)出口端与水合物储罐(2)相连，钻杆(10)的末端连接有位于水合物层(14)内的海底钻采系统。
所述海底钻采系统包括桥式通道连接器(15)、双壁钻杆和设置于双壁钻杆上的封隔器(18)。
所述双壁钻杆包括顺次连接的辅助加热装置(17)、双层管，双层管的内层通道设置有螺杆马达(19)，螺杆液压马达(19)输出端与回流助力装置(21)固连，回流助力装置(21)与水力喷射装置(23)通过螺纹连接，水力喷射装置(23)与水合物钻头(25)通过螺纹连接，在双壁钻杆上还设置有水合物浆体回流通道(27)，连接回流口(24)。
所述回流助力装置(21)包括回流喷射口(21-4)、差压套筒(21-3)、弹簧(21-2)、下接头(21-1)。
所述水力喷射装置(23)包括水力喷射口(22)、电驱动液力滑套，电驱动液力滑套包括滑套(23-4)、电池及控制器组(23-1)、电机(23-2)、上油腔(23-3)。
所述水合物钻头(25)上设置有海水喷射钻进通道(26)。
实施例
所述海底浅层天然气水合物固态流化开采的方法，它包括以下步骤：
钻进过程：将水合物钻采船(1)开到指定位置并锚定，将钻杆(10)、隔水管(11)和海底防喷器组(12)一起下至海底；打开高压泵组(3)，高压泵组(3)将海水经过水龙头(6)泵入钻杆(10)，带压力的海水顺次穿过桥式通道连接器(15)、双壁钻杆内层通道、螺杆马达(19)、回流助力装置(21)、水力喷射装置(23)、最后经水合物钻头(25)上的喷射通道(26)喷射出，同时高压海水进入液压马达(19)后驱动液压马达(19)的输出轴(20)转动，同时带动回流助力装置(21)转动，回流助力装置(21)带动水力喷射装置(23)转动，水力喷射装置(23)又带动水合物钻头(25)做旋转运动，水合物钻头(25)向水合物层(14)钻进，因此在高压海水喷射和水合物钻头(25)旋转钻进下实现盖层的钻进；直到钻入天然气水合物层停止。
射流破碎开采：在海面控制，向水力喷射装置(23)发出命令，控制器(23-1)开启电机(23-2)，电机(23-2)启动，将液压油泵入上油腔(23-3)，将滑套(23-4)抽出，使得双壁钻杆的内通道与水力喷射装置(23)上的双锥形水力喷射口(22)连通，实现水合物的周向破碎；
增大高压泵组(3)泵入的海水压力，使进入回流助力装置(21)内的海水压力增大，压差滑套(21-3)向压缩弹簧(21-2)的方向移动，回流喷射口(21-4)打开，部分海水经双壁钻杆的外层通道(27)返回海面，在双壁钻杆的外层通道(27)形成负压，使得天然气水合物浆体由回流口(24)流入外层通道(27)返回至海面。
气举：在海面控制，向水力喷射装置(23)发出命令，控制器(23-1)开启电机(23-2)，电机(23-2)启动，将液压油泵入上油腔(23-3)，将滑套(23-4)抽出，使得双壁钻杆的内通道与水力喷射装置(23)上的水力喷射口(22)连通，从钻杆(10)向海底泵入co2气体，经双锥形水力喷射口(22)喷射出，气体泵入海底降低水合物浆体密度，由于封隔器(18)的封堵，迫使天然气水合物浆体由回流口(24)进入双壁钻杆外层通道(27)返回，经辅助加热装置(17)后流入隔水管(11)内最终返回至海面。
综上所述，本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置不会改变海底的温度与压力，使开采过程安全便捷，而且采用水下分解，避开了水合物颗粒在多相管输条件下的动态分解技术难题；此外，还有效利用天然气膨胀做功以及海底压力能，节约了能源并降低了天然气的开采成本。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
1.一种海底浅层天然气水合物开采装置，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。
2.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物开采装置，其特征在于：所述海底钻采系统包括一个新型桥式通道连接器、双壁钻杆和设置于双壁钻杆外的封隔器。
3.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物开采装置，其特征在于：所述海底钻采系统还包括辅助加热装置，辅助加热装置安装在双壁钻杆内，防止天然气水合物在桥式通道与双壁钻杆的接口处发生凝结堵塞通道。
4.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物开采装置，其特征在于：所述海底钻采系统还包括一种回流助力装置，该回流助力装置上端与螺杆液压马达输出端连接，该回流助力装置下端与水力喷射装置相连。
5.根据权利要求4所述的一种海底浅层天然气水合物开采装置，其特征在于：所述该回流助力装置包括回流喷射口、差压套筒、弹簧、下接头，在开采过程中，打开回流助力装置利用流体反向流通，在钻杆内形成负压，带动破碎的天然气水合物颗粒流入返回通道。
6.根据权利要求4所述的一种海底浅层天然气水合物开采装置，其特征在于：所述水力喷射装置包括双锥形水力喷射口、电驱动液力滑套，电驱动液力滑套包括滑套、电池及控制器组、电机、上油腔。
7.根据权利要求4-6所述的一种海底浅层天然气水合物开采装置，其特征在于：所述水力喷射装置下端与水合物钻头相连，水合物钻头上设置有海水喷射钻进通道。
技术总结