一种扩展式海底可燃冰开采装置及方法
技术领域
本发明涉及可燃冰开采技术，特别涉及一种扩展式海底可燃冰开采装置及方法。
背景技术
可燃冰是由天然气与水分子在高压（>10MPa）和低温（0～10℃）条件下形成的一种固态结晶物质，俗称可燃冰，主要成分是甲烷，作为燃料能源，可燃冰清洁无污染，燃烧放热量大，1m3可燃冰相当于164m3的天然气燃烧释放的热量。目前，可燃冰主要分布在北半球的东、西太平洋和大西洋西部边缘（水深300~4000m）海底处及其下约650m沉积层内，以及大洋水深100~250m以下的极地海陆架和高纬度陆地永久冻土区。
全球已经有30多个国家和地区开展了可燃冰的研究调查与勘探。国外可燃冰开发研究已进入探索试验及开采阶段，实验测试和勘查识别技术相对成熟，水合物安全开采技术尚处于探索阶段。尤其以美国、加拿大、日本、俄罗斯等国的开发研究处于领先地位，韩国、印度等国也都进行了深入研究，在海底水合物开采方面日本已经取得一定突破。2017年3月，我国的国土资源部地质调查局组织实施了南海可燃冰试采作业，利用蓝鲸1号平台进行试采，试采连续试气点火60天，累计产气30.9万立方米，平均日产5151立方米，甲烷含量最高达99.5%，获取科学试验数据647万组，为后续的科学研究积累了大量的翔实可靠的数据资料。
总之，可燃冰钻完井技术还处于探索之中，勘探开采的理论和技术、运输技术、储藏技术等技术瓶颈都有待突破，尚没有一种理论能够科学全面地解释可燃冰形成机理，开发利用也缺乏完整的理论体系指导，难以进行规模化商业开发生产设计。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种扩展式海底可燃冰开采装置及方法，单次开采面积大，产气量比现有方式增大，适合深水作业；可以安全有效的开采深水可燃冰，最大限度保护海底环境，可重复使用，降低开采成本。
本发明提到的一种扩展式海底可燃冰开采装置，其技术方案是：包括可燃冰钻采平台、伸缩连接管线和采集罩，可燃冰钻采平台和采集罩之间通过伸缩连接管线连接，所述采集罩为开口朝下的刚性罩体，内腔设置采集罩内连接架，所述伸缩连接管线内分别有抽吸管线、高压喷冲管线和产气通道三条连通管线；
所述可燃冰钻采平台上设有水箱、高压泵、抽吸泵、天然气收集处理装置和泥浆罐，所述抽吸泵通过抽吸管线连接采集罩，采集罩内设有旋转高压水管和高压喷嘴；
所述水箱通过高压泵连接高压喷冲管线的上端，高压喷冲管线的另一端穿过伸缩连接管线，并通过连接头连接到旋转高压水管和高压喷嘴；
所述高压喷嘴朝向海底泥沙方向，位于采集罩的中部、下部或底部；所述抽吸管线的抽吸端位于采集罩的中下部，能够吸取到高压喷嘴翻冲起的泥沙；
天然气收集处理装置连接产气通道，产气通道穿过伸缩连接管线通入采集罩的顶端，将产生的天然气送到天然气收集处理装置。
优选的，上述的高压喷冲管线通过连接头与旋转高压水管连通，多个高压喷嘴均匀分布在旋转高压水管上，通过高压喷嘴喷出的高压水喷向海底泥沙。
优选的，上述的旋转高压水管为一字型结构，在一字型结构的一端设有多个高压喷嘴，另一端设有出口方向相反的多个高压喷嘴，喷射的高压水带动旋转高压水管旋转。
优选的，上述的采集罩的下端设有柔性扩展采集罩，柔性扩展采集罩内分布有扩展喷嘴，扩展喷嘴通过高压软管和高压喷冲管线连接。
优选的，上述的柔性扩展采集罩包括内连接圈、柔性扩展体和柔性高压扩展水管，柔性扩展体展开后为喇叭口形状，所述柔性扩展体的上端设有内连接圈，通过内连接圈与采集罩下端固定连接；所述柔性扩展体的内壁分布多条柔性高压扩展水管，多条柔性高压扩展水管的一端汇集连接到高压软管，在每条柔性高压扩展水管上分布扩展喷嘴。
优选的，上述的采集罩为开口朝下的圆筒形结构的刚性罩体，内腔通过十字形结构的采集罩内连接架支撑连接。
优选的，上述的采集罩为开口朝下的锥形结构的刚性罩体，内腔通过采集罩内连接架支撑连接。
本发明提到的扩展式海底可燃冰开采装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：
a.将可燃冰钻采平台定位，通过伸缩连接管线将采集罩下放至海底泥面，同时，抽吸采集罩内的空气和海水，使采集罩沉；
b.在采集罩到达海底后，开启高压泵，高压水沿着高压喷冲管线进入到采集罩内的旋转高压水管，再通过高压喷嘴喷冲采集罩下方的海底泥沙，此时，搅动起的泥沙与海水的搅动混合物通过采集罩内的抽吸管线和抽吸端抽吸出，储存在可燃冰钻采平台上的泥浆罐中，使采集罩继续在海底泥面内下沉；
c.采集罩到达海底泥面下方的可燃冰层后，继续高压喷冲，被搅动起的可燃冰降压变为气体状态的天然气，此时抽吸泵停止工作并关闭抽吸管线，天然气沿着采集罩上方的产气通道上升，直至进入天然气收集处理装置；
d.当海底这一区域的可燃冰采集完毕后，将泥沙通过抽吸管线回流到采集罩，再通过采集罩回填至海底，回填完成后，缓慢向上拔出采集罩。
优选的，进一步的方案是：步骤b，在采集罩到达海底后，开启高压泵，高压水沿着高压喷冲管线进入到采集罩内的旋转高压水管和柔性高压扩展水管，在高压水的作用下，柔性扩展体展开形成喇叭口形状，增加了采集罩的采集面积，柔性高压扩展水管上分布的扩展喷嘴向下方的海底泥沙喷冲，采集罩内的高压喷嘴喷冲采集罩正下方范围的海底泥沙，增加了搅动的面积；此时，搅动起的泥沙与海水混合物通过采集罩内的抽吸管线和抽吸端抽吸出，储存在深水半潜平台或浮式钻井船上的泥浆罐中，使采集罩继续在海底泥面内下沉。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明可根据水深调节采集罩的位置，到达海底泥沙面后，使用高压喷嘴喷冲海底泥沙，并使用抽吸泵抽吸，使得采集罩下沉，到达可燃冰层后，继续喷冲搅动，使得可燃冰减压变为气体上升，通过产气通道输送收集；本发明可以安全有效的开采深水可燃冰，开采面积大，对环境友好，可重复使用，有广阔的应用前景；
另外，本发明采用的采集罩的开采方式，在采集罩下端可以增设柔性扩展采集罩，单次开采面积更大，产气量比现有方式增大；而且，采集罩通过伸缩连接管线下放和收起，开采过程操作简单，适合深水作业，可提起移位重复使用，降低开采成本，提高开采效率；再者，海底的可燃冰层开采完成后，可将海底泥沙回填至采集罩内，对海底地层友好，最大限度的保护了海底环境，实现了绿色开采；还有，本发明采用旋转高压水管和专门设计的高压喷嘴，可以实现喷射的高压水带动旋转高压水管旋转，提高了喷射海底泥沙的效果。
附图说明
图1为本发明采用深水半潜平台的整体结构示意图；
图2为本发明的图1的A-A的结构示意图；
图3为本发明采用浮式钻井船的整体结构示意图；
图4为本发明实施例2中的带有柔性扩展采集罩的采集罩的卷起后的结构示意图；
图5为本发明实施例2中的带有柔性扩展采集罩的采集罩的开采时的状态示意图；
图6为本发明实施例2中的柔性扩展采集罩的仰视图；
图7为本发明实施例2中的柔性扩展采集罩的展开过程的结构示意图；
图8为本发明实施例2中的柔性扩展采集罩的全部展开后的结构示意图；
图9为本发明的实施例3的采集罩的结构示意图；
图10为本发明的实施例3的采集罩的横线截面示意图；
图中：可燃冰层1、搅动混合物2、天然气3、采集罩4、抽吸管线5、高压喷冲管线6、深水半潜平台7、水箱8、高压泵9、抽吸泵10、天然气收集处理装置11、伸缩连接管线12、产气通道13、旋转高压水管14、海底泥沙15、高压喷嘴16、抽吸端17、采集罩内连接架18、浮式钻井船19、高压软管22、扩展喷嘴23、柔性扩展采集罩24、内连接圈24.1、柔性扩展体24.2、柔性高压扩展水管24.3。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1-图3，本发明提到的一种扩展式海底可燃冰开采装置，包括可燃冰钻采平台、伸缩连接管线12和采集罩4，可燃冰钻采平台和采集罩4之间通过伸缩连接管线12连接，所述采集罩4为开口朝下的刚性罩体，内腔设置采集罩内连接架18，所述伸缩连接管线12内分别有抽吸管线5、高压喷冲管线6和产气通道13三条连通管线；
所述可燃冰钻采平台上设有水箱8、高压泵9、抽吸泵10、天然气收集处理装置11和泥浆罐，所述抽吸泵10通过抽吸管线5连接采集罩4，采集罩4内设有旋转高压水管14和高压喷嘴16；
所述水箱8通过高压泵9连接高压喷冲管线6的上端，高压喷冲管线6的另一端穿过伸缩连接管线12，并通过连接头连接到旋转高压水管14和高压喷嘴16；
所述高压喷嘴16朝向海底泥沙15方向，位于采集罩4的中部、下部或底部；所述抽吸管线5的抽吸端17位于采集罩4的中下部，能够吸取到高压喷嘴16翻冲起的泥沙；
天然气收集处理装置11连接产气通道13，产气通道13穿过伸缩连接管线12通入采集罩4的顶端，将产生的天然气3送到天然气收集处理装置11。
优选的，上述的高压喷冲管线6通过连接头与旋转高压水管14连通，多个高压喷嘴16均匀分布在旋转高压水管14上，通过高压喷嘴16喷出的高压水喷向海底泥沙15。
优选的，上述的旋转高压水管14为一字型结构，在一字型结构的一端设有多个高压喷嘴16，另一端设有出口方向相反的多个高压喷嘴16，中间位置通过连接头与高压喷冲管线6连通，这样，通过反方向设置的高压喷嘴16喷射的高压水，会带动旋转高压水管14形成旋转运动。
优选的，上述的采集罩4为开口朝下的圆筒形结构的刚性罩体，内腔通过十字形结构的采集罩内连接架18支撑连接。
参照图1，可燃冰钻采平台可以采用深水半潜平台7，参照图3，可燃冰钻采平台也可以采用浮式钻井船19，浮式钻井船19更加便于移动。
本发明提到的扩展式海底可燃冰开采装置的使用方法，包括以下过程：
a.将深水半潜平台7或浮式钻井船19定位，通过伸缩连接管线12将采集罩4下放至海底泥面，同时，抽吸采集罩4内的空气和海水，使采集罩4下沉；
b.在采集罩4到达海底后，开启高压泵9，高压水沿着高压喷冲管线6进入到采集罩4内的旋转高压水管14，再通过高压喷嘴16喷冲采集罩4下方的海底泥沙15，此时，搅动起的泥沙与海水的搅动混合物2，通过采集罩4内的抽吸管线5和抽吸端17抽吸出搅动混合物2，储存在深水半潜平台7或浮式钻井船19上的泥浆罐中，使采集罩4继续在海底泥面内下沉；
c.采集罩4到达海底泥面下方的可燃冰层1后，继续高压喷冲，被搅动起的可燃冰降压变为气体状态的天然气3，此时抽吸泵10停止工作并关闭抽吸管线5，天然气3沿着采集罩4上方的产气通道13上升，直至进入天然气收集处理装置11；
d.当海底这一区域的可燃冰采集完毕后，将泥沙通过抽吸管线5回流到采集罩4，再通过采集罩4回填至海底，回填完成后，缓慢向上拔出采集罩4。
需要说明的是：上述的旋转高压水管14设有的反方向设置的高压喷嘴16，在高压水喷出时，会带动旋转高压水管14形成旋转运动，对海底泥沙15及可燃冰的喷射搅动效果更好。
实施例2，参照图4-图8，本发明提到的一种扩展式海底可燃冰开采装置，包括可燃冰钻采平台、伸缩连接管线12和采集罩4，可燃冰钻采平台和采集罩4之间通过伸缩连接管线12连接，所述采集罩4为开口朝下的刚性罩体，内腔设置采集罩内连接架18，所述伸缩连接管线12内分别有抽吸管线5、高压喷冲管线6和产气通道13三条连通管线；
所述可燃冰钻采平台上设有水箱8、高压泵9、抽吸泵10、天然气收集处理装置11和泥浆罐，所述抽吸泵10通过抽吸管线5连接采集罩4，采集罩4内设有旋转高压水管14和高压喷嘴16；
所述水箱8通过高压泵9连接高压喷冲管线6的上端，高压喷冲管线6的另一端穿过伸缩连接管线12，并通过连接头连接到旋转高压水管14和高压喷嘴16；
所述高压喷嘴16朝向海底泥沙15方向，位于采集罩4的中部、下部或底部；所述抽吸管线5的抽吸端17位于采集罩4的中下部，能够吸取到高压喷嘴16翻冲起的泥沙；
天然气收集处理装置11连接产气通道13，产气通道13穿过伸缩连接管线12通入采集罩4的顶端，将产生的天然气3送到天然气收集处理装置11。
与实施例1不同之处是：
参照图6-图8，上述的采集罩4的下端设有柔性扩展采集罩24，柔性扩展采集罩24内分布有扩展喷嘴23，扩展喷嘴23通过高压软管22和高压喷冲管线6连接。
其中，柔性扩展采集罩24包括内连接圈24.1、柔性扩展体24.2和柔性高压扩展水管24.3，柔性扩展体24.2展开后为喇叭口形状，所述柔性扩展体24.2的上端设有内连接圈24.1，通过内连接圈24.1与采集罩4下端固定连接；所述柔性扩展体24.2的内壁分布多条柔性高压扩展水管24.3，多条柔性高压扩展水管24.3的一端汇集连接到高压软管22，在每条柔性高压扩展水管24.3上分布扩展喷嘴23。
另外，柔性扩展体24.2可以为圆形、正八边形或正六边形等形状，开采结束后，柔性扩展体24.2可重新卷起，重复使用。
上述的可燃冰钻采平台可以采用深水半潜平台7或浮式钻井船19。
本发明提到的扩展式海底可燃冰开采装置的使用方法，包括以下过程：
a.将深水半潜平台7或浮式钻井船19定位，通过伸缩连接管线12将采集罩4下放至海底泥面，同时，抽吸采集罩4内的空气和海水，使采集罩4下沉；
b.在采集罩4到达海底后，开启高压泵9，高压水沿着高压喷冲管线6进入到采集罩4内的旋转高压水管14和柔性高压扩展水管24.3，在高压水的作用下，柔性扩展体24.2展开形成喇叭口形状，增加了采集罩4的采集面积，柔性高压扩展水管24.3上分布的扩展喷嘴23向下方的海底泥沙15喷冲，采集罩4内的高压喷嘴16喷冲采集罩4正下方范围的海底泥沙15，增加了搅动的面积；此时，搅动起的泥沙与海水的搅动混合物2通过采集罩4内的抽吸管线5和抽吸端17抽吸出，储存在深水半潜平台7或浮式钻井船19上的泥浆罐中，使采集罩4继续在海底泥面内下沉；
c.采集罩4到达海底泥面下方的可燃冰层1后，继续高压喷冲，被搅动起的可燃冰降压变为气体状态的天然气3，此时抽吸泵10停止工作并关闭抽吸管线5，天然气3沿着采集罩4上方的产气通道13上升，直至进入天然气收集处理装置11；
d.当海底这一区域的可燃冰采集完毕后，将泥沙通过抽吸管线5回流到采集罩4，再通过采集罩4回填至海底，回填完成后，缓慢向上拔出采集罩4。
实施例3，本发明提到的一种扩展式海底可燃冰开采装置，包括浮式钻井船19、伸缩连接管线12和采集罩4，浮式钻井船19和采集罩4之间通过伸缩连接管线12连接，所述采集罩4为开口朝下的刚性罩体，内腔设置采集罩内连接架18，所述伸缩连接管线12内分别有抽吸管线5、高压喷冲管线6和产气通道13三条连通管线；
所述浮式钻井船19上设有水箱8、高压泵9、抽吸泵10、天然气收集处理装置11和泥浆罐，所述抽吸泵10通过抽吸管线5连接采集罩4，采集罩4内设有旋转高压水管14和高压喷嘴16；
所述水箱8通过高压泵9连接高压喷冲管线6的上端，高压喷冲管线6的另一端穿过伸缩连接管线12，并通过连接头连接到旋转高压水管14和高压喷嘴16；
所述高压喷嘴16朝向海底泥沙15方向，位于采集罩4的中部、下部或底部；所述抽吸管线5的抽吸端17位于采集罩4的中下部，能够吸取到高压喷嘴16翻冲起的泥沙；
天然气收集处理装置11连接产气通道13，产气通道13穿过伸缩连接管线12通入采集罩4的顶端，将产生的天然气3送到天然气收集处理装置11。
与实施例2不同之处是：参照图9和图10，本发明的采集罩4为开口朝下的锥形结构的刚性罩体，其下端粗，上端细，且内腔通过采集罩内连接架18支撑连接，所述采集罩内连接架18采用多个支撑杆连接固定，形成三叉形状，使结构更稳定。
其中，锥形结构的采集罩4可以有利于天然气3上升收集，也有利于泥沙与海水混合物的抽吸；当然，锥形结构的采集罩4的底部也可以根据需要增设柔性扩展采集罩24，可以实现更大的扩展采集面积。
本发明提到的扩展式海底可燃冰开采装置的使用方法，包括以下过程：
a.将浮式钻井船19定位，通过伸缩连接管线12将采集罩4下放至海底泥面，同时，抽吸采集罩4内的空气和海水，使采集罩4下沉；
b.在采集罩4到达海底后，开启高压泵9，高压水沿着高压喷冲管线6进入到采集罩4内的旋转高压水管14，再通过高压喷嘴16喷冲采集罩4下方的海底泥沙15，搅动起的泥沙与海水的搅动混合物2通过锥形结构的采集罩4内的抽吸管线5和抽吸端17抽吸出，储存在浮式钻井船19上的泥浆罐中，使采集罩4继续在海底泥面内下沉；
c.采集罩4到达海底泥面下方的可燃冰层1后，继续喷冲，被搅动起的可燃冰降压变为气体状态的天然气3，此时抽吸泵10停止工作并关闭抽吸管线5，天然气3沿着锥形结构的采集罩4上方的产气通道13上升，直至进入天然气收集处理装置11；
d.当海底这一区域的可燃冰采集完毕后，将泥沙通过抽吸管线5回流到采集罩4，再通过锥形结构的采集罩4回填至海底，回填完成后，缓慢向上拔出采集罩4。由于采用了锥形结构的采集罩4，回填时，泥沙的压力不会集中，而是得到扩散降压，可以更好的实现回填。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
