本發(fā)明涉及到海底天然氣水合物開采技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種海底淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采裝置及方法。

背景技術(shù)：

天然氣水合物又稱“可燃冰”，由甲烷為主的烴類氣體和水在一定的溫度壓力條件下形成的“籠型化合物”，呈白色晶狀結(jié)構(gòu)。其碳含量相當(dāng)于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲量的兩倍。因此，天然氣水合物特別是海洋天然氣水合物被普遍認(rèn)為將是21世紀(jì)替代煤炭、石油和天然氣的新型的潔凈的能源資源，同時也是目前尚未開發(fā)的儲量大的一種新能源。

按照水合物分解氣化后礦層的骨架結(jié)構(gòu)是否能夠保持不散不塌（能夠承力），海底天然氣水合物礦層可分為成巖型與非成巖型兩類；目前主流意見認(rèn)為成巖型水合物較非成巖型在技術(shù)層面更容易實現(xiàn)開采，但海底水合物絕大多數(shù)是非成巖型。

目前，國內(nèi)外考慮用于開采水合物的主要方法有注熱法、降壓法、二氧化碳置換法、注化學(xué)試劑法等，這些開采方式要求水合物上層具有良好的封閉蓋層，封閉蓋層厚度大、結(jié)構(gòu)堅實，且礦層本身在水合物開采分解后礦層骨架仍能夠保持不散即成巖型水合物礦層，否則當(dāng)水合物分解出氣體后，礦層的骨架結(jié)構(gòu)將不復(fù)存在，且分解產(chǎn)生的大量氣體將會改變地層壓力，且上述開采方法不能有效地控制水合物的分解速度、礦層空間上的分解范圍，將有可能引發(fā)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害，因為一旦形成水合物分解連鎖反應(yīng)將引起重大災(zāi)難；另外一個風(fēng)險是水合物分解氣化后，如果封閉蓋層不好，氣體有可能穿透蓋層發(fā)生擴散。綜上上述開采方法至今仍未能有效解決上述問題，在商業(yè)化開采方面遙遙無期。

針對深海表面的天然氣水合物，一些學(xué)者提出了“固態(tài)流化”的開采方法，該方法是在不主動改變海底水合物礦層溫度和壓力的情況下，即避免水合物發(fā)生分解，以及由此引起的環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害，直接將天然氣水合物破碎成固體顆粒，通過密閉管道將天然氣水合物顆粒與海水的混合物泵送至海面，而后再進行分離、分解氣化等處理。

固態(tài)流化為深海淺層非成巖天然氣水合物的開采提供了新思路。目前針對海底表層的水合物開采裝置為自行式采礦車，但是對于海底淺層具有一定埋深的水合物不適應(yīng)經(jīng)濟性不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約了能源、避免對海洋造成污染、降低天然氣的開采成本、采集效率高的海底淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采裝置。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種海底淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采裝置，它包括水力射流噴嘴組合、連續(xù)軟管、設(shè)置于海面上的水合物收集船、設(shè)置于海水中的中轉(zhuǎn)站、設(shè)置于海底表面層內(nèi)的隔水導(dǎo)管，所述的隔水導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)向座，導(dǎo)向座內(nèi)設(shè)置有水力射流噴嘴組合，水力射流噴嘴組合包括噴嘴本體、套筒i、套筒ii和噴頭，噴嘴本體的右端部與套筒i的左端部連接，噴嘴本體內(nèi)開設(shè)有與套筒i連通的流道，噴嘴本體的柱面上且沿其圓周方向均勻分布有多個與流道連通的斜向射流孔a，斜向射流孔a向左傾斜且與噴嘴本體偏心設(shè)置，套筒ii由順次連接的大軸和小軸連接組成，大軸設(shè)置于套筒i內(nèi)且與其之間形成有間隙，大軸與噴嘴本體之間抵壓有石棉過濾網(wǎng)，小軸沿套筒i的軸線貫穿套筒i設(shè)置，小軸與噴頭連接，噴頭的左端部開設(shè)有與套筒ii連通的型腔，噴頭的右端部設(shè)置有與型腔連通的軸向射流孔，噴頭的柱面上且沿其圓周方向均勻分布有多個與型腔連通的斜向射流孔b，斜向射流孔b向右傾斜且與噴頭偏心設(shè)置；所述的導(dǎo)向座內(nèi)由上往下開設(shè)有直通道和l形通道，直通道與中轉(zhuǎn)站之間通過管道連接，l形通道內(nèi)設(shè)置有輸送管，連續(xù)軟管的一端連接在水合物收集船上，另一端自上而下貫穿管道且連通噴嘴本體的流道，輸送管一端套在連續(xù)軟管上，輸送管的另一端套在噴嘴本體的外部，輸送管的兩端均設(shè)置有開口，所述的中轉(zhuǎn)站與水合物收集船連接。

所述的噴嘴本體的右端部設(shè)置有外螺紋，套筒i的左端面上開設(shè)有螺紋孔，套筒i的螺紋孔與噴嘴本體的外螺紋連接。

所述的小軸的右端部設(shè)置有外螺紋，所述的型腔內(nèi)設(shè)置有螺紋孔。

所述的噴頭經(jīng)螺紋孔與小軸的外螺紋連接固定于套筒ii上。

所述的大軸的左右端面上均設(shè)置有過流通道。

所述的過流通道沿大軸的周向方向均勻分布。

所述的中轉(zhuǎn)站為輸送泵。

所述的裝置固態(tài)流化開采海底淺層非成巖天然氣水合物的方法，它包括以下步驟：

s1、下放隔水導(dǎo)管，利用噴射鉆進的方法由海底表面層鉆至水合物礦層，在鉆好的井眼內(nèi)下放隔水導(dǎo)管，隔水導(dǎo)管連接海底表面層和水合物礦層，形成鉆井液循環(huán)通道同時隔絕海水，實現(xiàn)了隔水導(dǎo)管的下方；

s2、下入導(dǎo)向座，利用導(dǎo)向座控制鉆進的方向，將井眼軌跡調(diào)整到水平模式；

s3、水力射流噴嘴組合的下放和安裝，先將水力射流噴嘴組合下入導(dǎo)向座的l形通道的水平通道內(nèi)，使水力射流噴嘴組合位于水合物礦層內(nèi)，再利用連續(xù)軟管將噴嘴本體的流道與水合物收集船連接，然后將輸送管的一端套在噴嘴本體上，最后將管道與導(dǎo)向座的直道與中轉(zhuǎn)站連接，從而實現(xiàn)了水力射流噴嘴組合的下方和安裝；

s4、水合物的破碎，由水合物收集船向連續(xù)軟管內(nèi)通入高壓海水，一部分高壓海水順次經(jīng)流道、套筒i、套筒ii、型腔內(nèi)最后由軸向射流孔和斜向射流孔b噴射出，由軸向射流孔噴射出的高壓射流水破碎水平方向的水合物，破碎后形成固體顆粒水合物，同時開辟前進的通道，而斜向射流孔b噴出的高壓海水具有反向作用力，從而形成一個扭矩，進一步帶動噴頭及套筒ii做旋轉(zhuǎn)周向旋轉(zhuǎn)運動，高壓射流水掃過一個圓周或螺旋線，以破碎周向方向的水合物，形成固體顆粒水合物，在水合物礦層內(nèi)形成圓柱狀的破碎礦腔；而另一部分高壓海水則從斜向射流孔a中噴射出，為整個水力射流噴嘴組合和連續(xù)軟管提供前進的動力，同時向后射出的水流有助于前方破碎的固體顆粒水合物隨著水流向后運動，有利于顆粒的收集；

s5、破碎后的固體顆粒水合物的采集，由斜向射流孔a中噴射出的水流帶動固體顆粒水合物向后運動，經(jīng)輸送管上的左側(cè)開口進入輸送管道，沿輸送管運動，由輸送管道右側(cè)開口流出并順次經(jīng)直通道、管道最后進入中轉(zhuǎn)站內(nèi)，最后由中轉(zhuǎn)站輸送到水合物收集船上收集，實現(xiàn)了破碎后的固體顆粒水合物的大量、高效采集。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：（1）本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約了能源、降低天然氣的開采成本、采集效率高。（2）本發(fā)明不改變海底水合物礦層溫度和壓力，避免了水合物發(fā)生分解，以及由此引起的環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害，而是直接將天然氣水合物破碎成固體顆粒。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為水力射流噴嘴組合的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的右視圖；

圖4為套筒ii上過流通道的分布示意圖；

圖中，1-水力射流噴嘴組合，2-連續(xù)軟管，3-水合物收集船，4-中轉(zhuǎn)站，5-隔水導(dǎo)管，6-導(dǎo)向座，7-噴嘴本體，8-套筒i，9-套筒ii，10-噴頭，11-流道，12-斜向射流孔a，13-大軸，14-小軸，15-石棉過濾網(wǎng)，16-型腔，17-軸向射流孔，18-斜向射流孔b，19-過流通道，20-海底表面層，21-水合物礦層，22-輸送管，23-海水，24-l形通道，25-管道。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述，本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述：

如圖1~4所示，一種海底淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采裝置，它包括水力射流噴嘴組合1、連續(xù)軟管2、設(shè)置于海面上的水合物收集船3、設(shè)置于海水中的中轉(zhuǎn)站4、設(shè)置于海底表面層20內(nèi)的隔水導(dǎo)管5，所述的隔水導(dǎo)管5內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)向座6，導(dǎo)向座6內(nèi)設(shè)置有水力射流噴嘴組合1，導(dǎo)向座6能夠精確的控制水力射流噴嘴組合1識別并進入水合物礦層21，確保鉆具組合形成橫向水平鉆進，水力射流噴嘴組合1包括噴嘴本體7、套筒i8、套筒ii9和噴頭10，噴嘴本體7的右端部與套筒i8的左端部連接，噴嘴本體7內(nèi)開設(shè)有與套筒i8連通的流道11，噴嘴本體7的柱面上且沿其圓周方向均勻分布有多個與流道11連通的斜向射流孔a12，斜向射流孔a12向左傾斜且與噴嘴本體7偏心設(shè)置，套筒ii9由順次連接的大軸13和小軸14連接組成，大軸13設(shè)置于套筒i8內(nèi)且與其之間形成有間隙，大軸13與噴嘴本體7之間抵壓有石棉過濾網(wǎng)15，所述的石棉過濾網(wǎng)15用于過濾高壓海水中的大顆粒雜質(zhì)。

如圖1~4所示，小軸14沿套筒i8的軸線貫穿套筒i8設(shè)置，小軸14與噴頭10連接，噴頭10的左端部開設(shè)有與套筒ii9連通的型腔16，噴頭10的右端部設(shè)置有與型腔連通的軸向射流孔17，噴頭10的柱面上且沿其圓周方向均勻分布有多個與型腔16連通的斜向射流孔b18，斜向射流孔b18向右傾斜且與噴頭10偏心設(shè)置；所述的導(dǎo)向座6內(nèi)由上往下開設(shè)有直通道和l形通道24，直通道與中轉(zhuǎn)站4之間通過管道25連接，l形通道24內(nèi)設(shè)置有輸送管22，連續(xù)軟管2的一端連接在水合物收集船3上，另一端自上而下貫穿管道25且連通噴嘴本體7的流道11，輸送管22一端套在連續(xù)軟管2上，輸送管22的另一端套在噴嘴本體7的外部，輸送管22的兩端均設(shè)置有開口，所述的中轉(zhuǎn)站4與水合物收集船3連接。

所述的噴嘴本體7的右端部設(shè)置有外螺紋，套筒i8的左端面上開設(shè)有螺紋孔，套筒i8的螺紋孔與噴嘴本體7的外螺紋連接，形成一個連接件。所述的小軸14的右端部設(shè)置有外螺紋，所述的型腔16內(nèi)設(shè)置有螺紋孔。所述的噴頭10經(jīng)螺紋孔與小軸14的外螺紋連接固定于套筒ii9上，形成另一個連接件。

所述的大軸13的左右端面上均設(shè)置有過流通道19，過流通道19沿大軸13的周向方向均勻分布，當(dāng)向連續(xù)軟管2內(nèi)注入流體后，一小部分流體會通過石棉過濾網(wǎng)15到達大軸13左端面上的過流通道19上，當(dāng)套筒ii9旋轉(zhuǎn)到一定角度后，大軸13右端面上的過流通道19與大軸13左端面上的過流通道19由縫隙連通，從而在大軸13的左右端面上形成水膜，起到了潤滑和減小摩擦的效果，延長使用壽命。

如圖1和圖2所示，所述的裝置固態(tài)流化開采海底淺層非成巖天然氣水合物的方法，它包括以下步驟：

s1、下放隔水導(dǎo)管，利用噴射鉆進的方法由海底表面層20鉆至水合物礦層21，在鉆好的井眼內(nèi)下放隔水導(dǎo)管5，隔水導(dǎo)管5連接海底表面層和水合物礦層，形成鉆井液循環(huán)通道同時隔絕海水，實現(xiàn)了隔水導(dǎo)管5的下方；

s2、下入導(dǎo)向座，利用導(dǎo)向座6控制鉆進的方向，將井眼軌跡調(diào)整到水平模式；

s3、水力射流噴嘴組合1的下放和安裝，先將水力射流噴嘴組合1下入導(dǎo)向座6的l形通道24的水平通道內(nèi)，使水力射流噴嘴組合1位于水合物礦層21內(nèi)，再利用連續(xù)軟管2將噴嘴本體7的流道11與水合物收集船3連接，然后將輸送管22的一端套在噴嘴本體7上，最后將管道25與導(dǎo)向座6的直道與中轉(zhuǎn)站4連接，從而實現(xiàn)了水力射流噴嘴組合1的下方和安裝；

s4、水合物的破碎，由水合物收集船3向連續(xù)軟管2內(nèi)通入高壓海水，一部分高壓海水順次經(jīng)流道11、套筒i8、套筒ii9、型腔16內(nèi)最后由軸向射流孔17和斜向射流孔b18噴射出，由軸向射流孔17噴射出的高壓射流水破碎水平方向的水合物，破碎后形成固體顆粒水合物，同時開辟前進的通道，而斜向射流孔b18噴出的高壓海水具有反向作用力，從而形成一個扭矩，進一步帶動噴頭10及套筒ii9做旋轉(zhuǎn)周向旋轉(zhuǎn)運動，高壓射流水掃過一個圓周或螺旋線，以破碎周向方向的水合物，形成固體顆粒水合物，在水合物礦層21內(nèi)形成圓柱狀的破碎礦腔；而另一部分高壓海水則從斜向射流孔a12中噴射出，為整個水力射流噴嘴組合1和連續(xù)軟管2提供前進的動力，節(jié)約了能源且避免對海洋造成污染，也降低了天然氣的開采成本，同時向后射出的水流有助于前方破碎的固體顆粒水合物隨著水流向后運動，有利于顆粒的收集；

s5、破碎后的固體顆粒水合物的采集，由斜向射流孔a12中噴射出的水流帶動固體顆粒水合物向后運動，經(jīng)輸送管22上的左側(cè)開口進入輸送管道22，沿輸送管22運動，由輸送管道22右側(cè)開口流出并順次經(jīng)直通道、管道25最后進入中轉(zhuǎn)站4內(nèi)，最后由中轉(zhuǎn)站4輸送到水合物收集船3上收集，實現(xiàn)了破碎后的固體顆粒水合物的大量、高效采集；通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向座6即可調(diào)整水力射流噴嘴組合1在平面內(nèi)做圓周運動，在水合物礦層21中形成大范圍的腔體，實現(xiàn)大范圍的開采水合物，提高了固體顆粒水合物的開采量。

此外，本發(fā)明不改變海底水合物礦層溫度和壓力，避免了水合物發(fā)生分解，以及由此引起的環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害，而是直接將天然氣水合物破碎成固體顆粒，再通過密閉管道將天然氣水合物顆粒與海水的混合物泵送至海面，而后再進行分離、分解氣化等處理。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進行改動。而本領(lǐng)域人員所進行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。