1.一种用于天然气水合物井下开采中的钻采系统,包括钻头模块(1),其特征在于:所述钻采系统还包括水射流模块(2)、前液压模块(3)、伸缩模块(4)、后液压模块(5)以及混合液举升模块(6);
所述钻头模块(1)包括钻头(101)、金刚石(102)、钻头电机(103)、钻头传动杆(104)、钻头密封轴承(105)以及钻头电机固定支座(106);金刚石(102)嵌在钻头(101)表面,用于破碎天然气水合物和岩石杂质;钻头传动杆(104)右端与钻头(101)连接,左端与电机(103)连接;钻头密封轴承(105)位于钻头传动杆(104)与钻采系统套管(11)之间,用于密封和支撑;
钻头电机固定支座(106)用于将钻头电机(103)固定在钻采系统套管(11)的内部;
所述水射流模块(2),位于钻头模块(1)的左端,包括射流电机(201)、射流泵(202)、射流喷头(203)、射流电机支座(204)以及射流泵支座(205);射流喷头(203)嵌在钻采系统套管(11)内,射流电机支座(204)和射流泵支座(205)分别用于将射流电机(201)和射流泵(202)固定在钻采系统套管(11)内部;
所述前液压模块(3),位于水射流模块(2)的左端,包括前液压电机(301)、前液压传动杆(302)、前液压缸(303)、前液压活塞(304)、前液压负载(305)、前液压缸固定支座(306)以及前液压电机固定支座(307);前液压缸(303)上端嵌在钻采系统套管(11)内部,前液压传动杆(302)由两根螺纹杆组成,通过螺旋与螺纹牙面旋合将回转运动转化为直线运动,其右端与前液压活塞(304)连接,左端与前液压电机(301)连接;前液压电机固定支座(307)和前液压缸固定支座(306)分别将前液压电机(301)和前液压缸(303)固定在钻采系统套管(11)内部;
所述伸缩模块(4),位于所述前液压模块左端,包括伸缩模块电机(401)、伸缩模块传动杆(402)、伸缩模块活塞(403)、伸缩模块液压缸(404)、伸缩模块负载(405)、伸缩模块液压缸固定支座(406)以及伸缩模块电机固定支座(407);伸缩模块负载(404)前端与前液压模块(3)左端相连;伸缩模块传动杆(402)由两根螺纹杆组成,通过螺旋与螺纹牙面旋合将回转运动转化为直线运动,其右端与伸缩模块活塞(403)连接,左端与伸缩模块电机(401)连接;伸缩模块液压缸固定支座(406)和伸缩模块电机固定支座(407)分别用于将伸缩模块液压缸(404)和伸缩模块电机(401)固定在钻采系统套管(11)内部;
所述后液压模块(5),位于伸缩模块(4)的左端,包括后液压电机(501)、后液压传动杆(502)、后液压缸(503)、后液压活塞(504)、后液压负载(505)、后液压缸固定支座(506)以及后液压电机固定支座(507);后液压缸(503)上端嵌在钻采系统套管(11)内部,后液压传动杆(502)是由两根螺纹杆组成,通过螺旋与螺纹牙面旋合将回转运动转化为直线运动,其右端与后液压活塞(504)连接,左端与后液压电机(501)连接;后液压电机固定支座(507)和后液压缸固定支座(506)分别用于将后液压电机(501)和后液压缸(503)固定在钻采系统套管(11)内部;
所述混合液举升模块(6),位于后液压模块(5)的左端,包括混合液举升电机(601)、混合液举升泵(602)、混合液举升管线(603)、混合液举升泵固定支座(604)、混合液举升电机固定支座(605)以及混合液入口(606);混合液入口(606)与混合液举升泵(602)上端联通,混合液举升管线(603)与混合液举升泵(602)右端联通,混合液举升管线(603)用于经过底流模块(9)和旋流器模块(7)与轴向入口联通;混合液举升泵固定支座(604)和混合液举升电机固定支座分别用于将混合液举升泵(602)和混合液举升电机(601)固定在钻采系统套管(11)内部。
2.一种用于天然气水合物井下开采中的分离系统,包括旋流器模块(7),其特征在于:
所述分离系统还包括溢流举升模块(8)、底流回注模块(9)以及海水注入模块(10);
所述旋流器模块(7),包括轴向入口(701)、入口稳流器(702)、螺旋流道(703)、旋流腔(904)、锥段(705)、尾管(706)、底流口(707)、底流稳流器(708)、底流管线(709)、溢流口(710)、溢流通道(711)以及溢流管线(712);轴向入口(701)用于和混合液举升管线(603)连接,入口稳流器(702)与底流稳流器(708)均包含固定底座、弹簧和滑块,入口稳流器(702)套在溢流通道(711)上;尾管(706)两侧开有两个溢流口(710),旋流器固定支座(713)用于将所述旋流器模块固定在分离系统套管(12)内壁上;
所述溢流举升模块(8),包括溢流举升电机(801)、溢流螺杆泵(802)、溢流举升管线(803)、溢流举升电机固定支座(804)以及溢流螺杆泵固定支座(805);溢流举升管线(803)用于经过海水注入模块(10)延伸至地面;溢流管线(712)连接在溢流螺杆泵(802)右下端,溢流举升管线(803)连接溢流螺杆泵(802)左上端;溢流举升电机固定支座(804)和溢流螺杆泵固定支座(805)分别用于将溢流举升电机(801)和溢流螺杆泵(802)固定在分离系统套管(12)内壁上;
所述底流回注模块(9),包括底流回注电机(901)、底流螺杆泵(902)、底流回注管线(903)、底流螺杆泵固定支座(904)以及底流回注电机固定支座(905);底流管线(709)与底流回注泵(902)左上端联通,底流回注管线(903)与底流回注泵(902)右上端联通;底流回注电机固定支座(905)和底流螺杆泵固定支座(904)分别用于将底流回注电机(901)和底流螺杆泵(902)固定在分离系统套管(12)内壁上;
所述海水注入模块(10),包括海水注入电机(1001)、海水注入泵(1002)、海水注入管线(1003)、海水注入电机固定支座(1004)、海水注入泵固定支座(1005)和海水注入口(1006);
海水注入口(1006)与海水注入泵(1002)上端联通,海水注入管线(1003)与海水注入泵(1002)右端联通;海水注入电机固定支座(1004)和海水注入泵固定支座(1005)分别用于将海水注入电机(1001)和海水注入泵(1002)固定在分离系统套管(12)内壁上。
3.一种天然气水合物井下开采装置,其特征在于:包含权利要求1所述的钻采系统和权利要求2所述的分离系统;其中,所述的钻采系统位于钻采系统套管(11)内,所述分离系统位于分离系统套管(12)内,混合液举升管线(603)与所述旋流器模块内的轴向入口(701)相连接;
钻采系统套管(11)与分离系统套管(12)通过弯管连接,所述弯管的上端开有供海水注入管线(1003)引出的引出口,海水注入管线(1003)经过所述引出口引出。
4.一种天然气水合物井下开采方法,其特征在于:
利用权利要求3所述装置,把所述装置中的钻采系统置于水合物开采层(13)中,把所述装置中的分离系统置于泥沙层(14)中,使所述装置中的海水注入模块位于海水层(15)中;
使海水流向水合物开采层,并将海水增压后射向水合物,由钻头电机驱使钻头旋转,将天然气水合物和岩石杂质被碎成颗粒状,混合海水后成为固态流化状;经由混合液举升电机驱使混合液举升泵将混合液举升至旋流器模块的轴向入口,在旋流器模块的作用下被分离;天然气水合物颗粒混合着部分海水从溢流口经过举升螺杆泵流向地面,泥沙混合着部分海水从底流口经过底流螺杆泵注回水合物开采层。