本發(fā)明涉及一種天然氣水合物開采裝置，尤其是用于開發(fā)蘊(yùn)藏在海底的天然氣水合物開采的裝置。

背景技術(shù)：
:

天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，是在一定條件下由水和天然氣組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的籠形結(jié)晶化合物。自然界中存在的天然氣水合物絕大部分是甲烷水合物。水合物是目前最具發(fā)展前景的高效清潔能源之一，每立方米的天然氣水合物可釋放出164立方米甲烷。目前已發(fā)現(xiàn)水深3000米以內(nèi)的天然氣水合物中CH₄的碳總量相當(dāng)于全世界已知煤、石油、天然氣總量的二倍，約2.1×10¹⁶m³，可滿足人類1000年的能源需求。

當(dāng)前的水合物開采方法主要有：熱激法、減壓法、化學(xué)試劑法。

熱激法是直接對天然氣水合物層進(jìn)行加熱，使天然氣水合物層的溫度超過其平衡溫度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開采方法。選取的加熱方法有注入熱水或蒸汽法、電磁加熱法以及微波加熱法等。該方法的主要缺點(diǎn)是熱能損失大，加熱中有10％到75％的熱損失掉，熱利用效率較低，開發(fā)的成本較高。

化學(xué)試劑法通過向天然氣水合物層中注入某些化學(xué)試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇等來改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物的穩(wěn)定溫度，促使天然氣水合物分解。這種方法缺點(diǎn)是作用緩慢，費(fèi)用太高。另外，所加注的化學(xué)試劑可能對環(huán)境造成較大的破壞。

降壓開采法是通過降低壓力使天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線發(fā)生移動(dòng)，從而促使天然氣水合物分解的開采方法。一般是通過抽取水合物層下的游離體天然氣實(shí)現(xiàn)降低水合物的壓力，使與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水。降壓開采天然氣往往速度較慢，而且對天然氣水合物儲層的性質(zhì)有特殊的要求，只有當(dāng)天然氣水合物儲層位于溫壓平衡邊界附近時(shí)，減壓法才具有經(jīng)濟(jì)可行性。

由于天然氣水合物埋藏于海底巖石中，和石油、天然氣相比，鉆探的難度要大很多，不易開采和運(yùn)輸。天然氣水合物是一種亞穩(wěn)態(tài)礦物，以固態(tài)形式被埋藏，在開采過程中很容易導(dǎo)致礦場坍塌。當(dāng)前的水合物開采技術(shù)普遍存在開采效率低、生產(chǎn)成本高，開采過程中儲層容易坍塌失穩(wěn)等問題，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種海底水合物開采裝置，為實(shí)現(xiàn)水合物的高效、大規(guī)模開采開辟了一條新的途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明涉及一種天然氣水合物開采裝置，主要包括：開采船、渦流管、采氣管、采氣套管和集氣罩，所述的開采船上布置有水合物再生室和燃?xì)鈮嚎s機(jī)，燃?xì)鈮嚎s機(jī)的出口安裝有高壓分氣器，高壓分氣器的一個(gè)出口通過管線與水合物再生室相連通，另一出口通過注氣管線與渦流管的渦流室相連，渦流管的冷端管末端深入到采氣管內(nèi)，采氣管的外圍安裝有采氣套管，采氣管的出口與天然氣集氣罩的進(jìn)氣口相連通，天然氣集氣罩出氣口通過集氣管線與低壓分氣器的入口相連通，低壓分氣器的一個(gè)出口與燃?xì)鈮嚎s機(jī)的進(jìn)口相連，另一出口與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)供氣口相連通。

所述的渦流管由渦流室、冷端管、熱端管組成，熱端管出口安裝有熱力調(diào)節(jié)閥，冷端管末端設(shè)有對稱布置的冷氣連接管，冷氣連接管與采氣管外壁和采氣套管內(nèi)壁所形成的冷氣環(huán)腔相連通。

所述的開采船上布置有計(jì)量泵，計(jì)量泵的進(jìn)水口浸沒在海水中，出口通過管道與水合物生成室相連通。

所述的水合物再生室內(nèi)布置有冷凝器，冷凝器的入口通過冷氣回收管線與冷氣環(huán)腔相連通，冷凝器的出口與燃?xì)鈮嚎s機(jī)的進(jìn)口相連通。

所述的采氣管與采氣套管均為圓筒狀，采氣套管一端固定在海床上，另一端深入到海床以下，采氣管安裝在采氣套管內(nèi)，連通集氣罩和水合物空腔，與二者保持同軸。

所述的集氣罩可漂浮于海平面上，其底面水平，其底面設(shè)置有進(jìn)氣口，頂部設(shè)置有出氣口，出氣口上安裝有壓力傳感器、溫度傳感器以及自動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)利用開采出的天然氣作為能源驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈮嚎s機(jī)工作，無需額外動(dòng)力，配套系統(tǒng)少，開采成本低；

(2)利用渦流管產(chǎn)生的熱氣流加熱水合物礦藏，利用冷氣流保持生產(chǎn)過程中礦藏結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適用范圍廣，對水合物藏層無特殊要求。

(3)無需化學(xué)藥劑，對環(huán)境無污染，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保開采。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的組成示意圖；

圖2為渦流管工作原理示意圖；

圖3為A-A截面示意圖；

圖4為集氣罩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-開采船；2-渦流管；3-采氣管；4-采氣套管；5-集氣罩；6-水合物再生室；7-燃?xì)鈮嚎s機(jī)；8-高壓分氣器；9-注氣管線；10-集氣管線；11-低壓分氣器；12-燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)；13-冷凝器；14-冷氣回收管線；15-計(jì)量泵；16-渦流室；17-冷端管；18-熱端管；19-熱力調(diào)節(jié)閥；20-進(jìn)氣口；21-出氣口；22-冷氣連接管；23-壓力傳感器；24-溫度傳感器；25-冷氣環(huán)腔；26-自動(dòng)調(diào)節(jié)閥；27-水合物空腔。

具體實(shí)施方式:

本發(fā)明涉及一種天然氣水合物開采裝置，主要包括：開采船1、渦流管2、采氣管3、采氣套管4和集氣罩5，所述的開采船1上布置有水合物再生室6和燃?xì)鈮嚎s機(jī)7，燃?xì)鈮嚎s機(jī)7的出口安裝有高壓分氣器8，高壓分氣器8的一個(gè)出口通過管線與水合物再生室6相連通，另一出口通過注氣管線9與渦流管2的渦流室16相連，渦流管2的冷端管17末端深入到采氣管3內(nèi)，采氣管3的外圍安裝有采氣套管4，采氣管3的出口與天然氣集氣罩5的進(jìn)氣口20相連通，集氣罩5的出氣口21通過集氣管線10與低壓分氣器11的入口相連通，低壓分氣器11的一個(gè)出口與燃?xì)鈮嚎s機(jī)7的進(jìn)口相連，另一出口與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)12供氣口相連通。

如圖2所示，所述的渦流管2由渦流室16、冷端管17、熱端管18組成，熱端管18出口安裝有熱力調(diào)節(jié)閥19，冷端管17末端設(shè)有對稱布置的冷氣連接管22。

如圖3所示，冷氣連接管22與采氣管3外壁和采氣套管4內(nèi)壁所形成的冷氣環(huán)腔25相連通。

來自于高壓分氣器8的高壓天然氣通過注氣管線9進(jìn)入渦流管2。渦流管2是一種能量分離裝置，能將高壓氣體分離成冷、熱兩股流體，這一現(xiàn)象即被稱為能量分離效應(yīng)，又稱Ranque效應(yīng)。如圖2所示，高壓天然氣以很高的速度沿切線方向進(jìn)入渦流室16，氣流在渦流室16內(nèi)形成高速渦旋，在渦流效應(yīng)作用下分離成溫度不相等的兩部分氣流。其中，處于中心部位的回流氣流溫度降低，形成冷氣流，由冷端管17末端的冷氣連接管22流出，而處于外層部位的氣流溫度升高，形成熱氣流，從熱端管18的熱氣出口流出，熱端管18靠近熱氣出口處安裝有熱力調(diào)節(jié)閥19。通過熱力調(diào)節(jié)閥19可以控制進(jìn)入冷端管17和熱端管18的氣體流量比例，進(jìn)而改變冷氣出口與熱氣出口的氣流溫度。

如圖1所示，從渦流管2的熱端管18末端排出的高溫天然氣直接進(jìn)入水合物藏,與固體水合物進(jìn)行充分的熱交換。固態(tài)水合物受熱發(fā)生相變，分解出甲烷氣體，形成水合物空腔27。隨著熱氣流的不斷注入，固態(tài)水合物分解數(shù)量逐漸增加，所形成的空腔體積不斷增大。分解的天然氣通過采氣管3進(jìn)入天然氣集氣罩5。

如圖1所示，為了保證在開采過程中上層水合物不發(fā)生坍塌，在采氣管3的外圍安裝有采氣套管4。采氣管3與采氣套管4均為圓筒狀，采氣套管4一端固定在海床上，另一端深入到海床以下，采氣管3安裝在采氣套管4內(nèi)，連通集氣罩5和水合物空腔27，與二者保持同軸。

圖3為A-A截面示意圖，來自于冷氣連接管22的低溫氣流進(jìn)入采氣管3外壁和采氣套管4內(nèi)壁所形成的冷氣環(huán)腔25。在冷氣流的保護(hù)下，套管周圍水合物不會(huì)因熱量侵入而發(fā)生分解導(dǎo)致坍塌，從而保證采氣工藝安全和穩(wěn)定運(yùn)行。采氣套管4上還安裝有冷氣回收管線14，冷氣流通過冷氣回收管14與水合物再生室6中的冷凝器13相連，通過熱交換降低水合物再生室6內(nèi)溫度，促進(jìn)水合物重新生成，以便儲存和外輸。

如圖4所示，集氣罩5漂浮于海平面上，其底面水平，其底面設(shè)置有進(jìn)氣口20，頂部設(shè)置有出氣口21，出氣口21上安裝有壓力傳感器23和溫度傳感器24以及自動(dòng)調(diào)節(jié)閥26。來自于采氣管3的天然氣在集氣罩5內(nèi)逐漸積累，集氣罩5內(nèi)壓力逐漸增加，通過安裝在出氣口21上的壓力傳感器23和溫度傳感器24可對集氣罩5內(nèi)溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)集氣罩5內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥26開啟，通過集氣管線10將集氣罩5內(nèi)的天然氣輸往燃?xì)鈮嚎s機(jī)7入口處的低壓分氣器11。

低壓分氣器11的功能是將采出的天然氣一分為二，其中一小部分作為燃料提供給燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)12，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)12驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈮嚎s機(jī)7工作。絕大部分氣體則進(jìn)入燃?xì)鈮嚎s機(jī)入口管，通過燃?xì)鈮嚎s機(jī)7進(jìn)行增壓。

燃?xì)鈮嚎s機(jī)7出口設(shè)置有高壓分氣器8，其功能是將增壓后的高壓天然氣分為兩部分：其中一小部分通過注氣管線9進(jìn)入渦流管2，通過產(chǎn)生熱氣流，使儲藏中的水合物分解從而進(jìn)行采氣；其余大部分壓縮天然氣則進(jìn)入水合物再生室6重新生成水合物。

水合物生成的基本條件是：高壓、低溫以及水的存在。進(jìn)入水合物再生室6的天然氣為經(jīng)過增壓后的氣體，從而滿足高壓條件。為實(shí)現(xiàn)低溫，水合物再生室6內(nèi)設(shè)有冷凝器13，來自于冷氣環(huán)腔25的低溫氣體通過冷凝器13時(shí)，通過與水合物再生室6內(nèi)的高壓天然氣進(jìn)行熱交換，降低天然氣的溫度，達(dá)到水合物生成溫度，滿足水合物生成溫度要求。而水由計(jì)量泵15提供。計(jì)量泵15進(jìn)水口設(shè)置在海水面下，將一定量的海水抽吸加注到水合物再生室6內(nèi)。在低溫、高壓以及有水存在環(huán)境下，在水合物再生室6內(nèi)水合物迅速結(jié)晶，天然氣重新轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，便于進(jìn)一步儲存與運(yùn)輸。

水合物再生室6可制成便于拆卸的撬裝結(jié)構(gòu)，使用時(shí)可采用兩套裝置，一套生產(chǎn)，一套備用，輪流切換。待水合物充滿水合物再生室6后，將其拆下，通過運(yùn)輸船進(jìn)行運(yùn)輸。通過備用的水合物再生室6繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。運(yùn)輸船返回時(shí)，由于水合物再生室6內(nèi)的水合物已卸載，可以重新投入生產(chǎn)。如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)生產(chǎn)。

本發(fā)明巧妙利用渦流管能同時(shí)產(chǎn)生冷氣流和熱氣流的原理，通過熱氣流分解固體水合物進(jìn)行采氣，通過冷氣流穩(wěn)固采氣管3防治儲層坍塌，同時(shí)提供冷量，促進(jìn)水合物重新生成，以便運(yùn)輸。與現(xiàn)有的水合物開采技術(shù)相比，本發(fā)明依賴水合物開展過程中產(chǎn)生的天然氣作為動(dòng)力源，無需消耗額外能源，具有投資成本低、運(yùn)行費(fèi)用少、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，可用于海底水合物大規(guī)模開采。