一种海底天然气水合物原位开采智能机器人

1.本发明涉及天然气水合物开采领域，更具体地，涉及实现海底天然气水合物原位开采的智能机器人。


背景技术：

2.天然气水合物是一种由甲烷等烃类气体与水在一定条件下(高压低温)生成的冰状笼形晶体化合物，俗称“可燃冰”，自然界中天然气水合物主要生成于各类多孔介质中，集中分布于海底和永久冻土层。随着常规能源的日益消耗，人们对新型能源的诉求日益增强，作为一种非常规能源的天然气水合物因其储量大、分布广、清洁等特点得到了广泛关注。据估计，全球天然气水合物的总储量高达20000
×
10
12
m3，蕴含18～21
×
10
16
m3的天然气资源，其能源总量相当于煤、石油、天然气等常规能源总量的2倍，被誉为21世纪最具潜力的未来能源，具有广阔的发展前景。我国天然气水合物储量丰富，有望成为常规化石能源(煤、石油、天然气)的接替能源，可见开采天然气水合物资源具有重要意义。
3.现有天然气水合物开采技术主要有降压法、热激发法、抑制剂法、co2置换法等，但这些方法都存在一定的局限性。降压法作为目前最常采用的开采方法具有经济有效、简单、可大面积开采的特点，但却存在易结冰堵塞管道的缺点，严重影响长期的生产效率；热激发法可以有效避免结冰堵塞管道，生产效率高，但其热利用率很低，能耗大，成本高；抑制剂法开采天然气水合物需要注入大量化学抑制剂，极易对环境造成严重污染；co2置换法可有效解决开采天然气水合物时的地质结构失稳问题，但是其置换效率低，不能很好的投入到现实应用中。
4.综上所述，现有的天然气水合物开采技术在某种程度上仍存在一定的缺陷，例如：结冰堵塞管道、能耗大、成本高、效率低等，难以实现长期稳定的开采。同时，对于除置换法以外的其它水合物开采方法，由于其均为区域集中式纵向开采，在开采过程中很容易打破地层原有的力学平衡，使地质结构失稳从而引发地质灾害。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种实现海底天然气水合物原位开采的智能机器人，包括：承载体；履带式移动轮，位于所述智能机器人的两侧，所述履带式移动轮之间以及所述履带式移动轮与所述承载体之间通过金属梁刚性连接；铲刀，位于所述智能机器人的前端，所述铲刀通过连接销与第一连杆和液压杆铰链接，所述液压杆与所述连杆刚性连接，所述第一连杆与所述金属梁刚性连接；滚筒式破碎锯齿、矿物导向板、矿物聚拢仓，位于所述智能机器人的后端；富集分解仓，所述富集分解仓的内部空间与其上方的离心泵通过管道和第一电子阀实现连通或隔离；气液分离器，通过l形输送管与第二电子阀实现与所述富集分解仓的连通与隔离，通过输气管路与大气连通，通过l形排水管与单向阀实现与海底环境的连通和隔离。
6.在一些实施例中，所述滚筒式破碎锯齿、所述矿物导向板、所述矿物聚拢仓均与第
二连杆和第三连杆刚性连接，第一l形连杆与第二连杆和承载体刚性连接，第二l形连杆与第一连杆和承载体刚性连接。
7.在一些实施例中，所述矿物聚拢仓通过输矿管道与离心泵相连。
8.在一些实施例中，所述富集分解仓通过短管和第三电子阀与第四电子阀实现与海底环境的连通或隔离。
9.在一些实施例中，所述富集分解仓通过l形排渣管及第五电子阀实现与海底环境的连通或隔离。
10.在一些实施例中，所述l形排水管与离心泵相连。
11.在一些实施例中，智能机器人还包括光源、图像采集器和数据采集传输器，所述数据采集传输器通过线缆与海平面的浮标相连形成浮标天线。
12.在一些实施例中，所述矿物聚拢仓内的底板上沿中心线对称分布有拨矿轮，所述拨矿轮位于输矿管道入口处下方。
13.在一些实施例中，所述富集分解仓内沿中心轴线设有单轴多层破碎刀，所述气液分离器内装有折返板及l形排水管，l形排水管的最低处略高于气液分离器底板，l形排水管的最高处低于折返板下端。
14.在一些实施例中，所述l形排渣管内设有螺旋板以构成阿基米德螺旋泵，所述l形排渣管的较短的一边与富集分解仓通过第五电子阀实现连通与隔离。
15.本技术的水合物开采智能机器人能够实现深海天然气水合物无人化智能开采，实现深海开采过程可控、可视，能够在开采过程中进行实时通讯，并且能够同时实现原位开采、原位分解、原为气液分离以及原位排渣，提高开采效率。另外，通过气液分离可有效避免天然气在长距离输送过程中发生结冰或二次生成水合物而堵塞管道。此外，本技术的水合物开采智能机器人实现了天然气水合物储层揭露和开采的一体化，可以采用大范围横向片式开采，大幅降低了开采对地质结构的扰动从而避免地质灾害的发生。
附图说明
16.图1示出了本技术的一些实施例的水合物开采智能机器人的立体图。
17.图2示出了本技术的一些实施例的水合物开采智能机器人的立体图。
18.图3示出了本技术的一些实施例的富集分解仓下方的l形排渣管的示意图。
19.图4示出了本技术的一些实施例的矿物聚拢仓的示意图。
20.图5示出了本技术的一些实施例的富集分解仓的示意图。
21.图6示出了本技术的一些实施例的滚筒式破碎锯齿的示意图。
22.图7示出了本技术的一些实施例的气液分离器的示意图。
23.图8示出了本技术的一些实施例的水合物开采智能机器人的部分部件的立体示意图。
24.1-连接销、2-履带式移动轮、3-连接销、4-连杆、5-连接销、6-驱动电机7-连接销、8-l形连杆、9-铲刀、10-螺旋板、11-强光源、12-强光源、13-图像采集器、14-图像采集器、15-单向阀、16-电子阀、17-电子阀、18-电子阀、19-电子阀、20-电子阀、21-强光源、22-强光源、23-驱动电机、24-连接销、25-连接销、26-连接销、27-履带式移动轮、28-l形连杆、29-连接销、30-离心泵、31-输矿管道、32-离心泵、33-l形输送管、34-输气管、35-线缆、36-矿物聚
拢仓、37-矿物导向板、38-滚筒式破碎锯齿、39-拨矿轮、40-l形连杆、41-气液分离器、42-富集分解仓、43-数据采集传输器、44-l形排渣管、45-短管、46-短管、47-折返板、48-l形排水管、49-拨矿轮、50-单轴多层破碎刀、51-承载体、52-连杆、53-金属梁、54-连接销、55-液压杆、56-连杆。
具体实施方式
25.下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
26.本技术提供了一种间歇式深海天然气水合物开采智能机器人，该水合物开采智能机器人可实现天然气水合物的原位开采、原位分解、原位气液分离以及原位排渣。在水合物储层破碎开采的过程中，该水合物开采智能机器人采用的是大范围横向片式开采，可有效减小对地层的扰动，从而降低天然气水合物开采引发地质灾害的可能性。本发明采用了效率较高的降压法进行水合物分解，并通过气液分离干燥分解后产生的气体，可有效避免气体在长距离输送过程中发生结冰或二次生成水合物从而堵塞管道。该智能机器人与地面或海平面能够进行信息实时传输，整个开采过程可视、可控，提供了一套从水合物储层揭露到气体输送的完整工艺流程。
27.下面结合图1至图8对本技术的水合物开采智能机器人进行说明，以更好地理解本技术的发明构思。图1示出了本技术的一些实施例的水合物开采智能机器人的立体图，图2示出了本技术的一些实施例的水合物开采智能机器人的立体图，图3示出了本技术的一些实施例的富集分解仓下方的l形排渣管的示意图，图4示出了本技术的一些实施例的矿物聚拢仓的示意图，图5示出了本技术的一些实施例的富集分解仓的示意图，图6示出了本技术的一些实施例的滚筒式破碎锯齿的示意图，图7示出了本技术的一些实施例的气液分离器的示意图，图8示出了本技术的一些实施例的水合物开采智能机器人的部分部件的立体示意图。
28.参考图1至图8，本技术提供了一种深海天然气水合物间歇式开采智能机器人，该水合物开采智能机器人包括承载体51，整个水合物开采智能机器人依托于承载体51，承载体51具有足够的机械强度，为其余部件提供支撑。在一些实施例中，承载体51由耐海水腐蚀的金属或金属合金制成，例如，不锈钢等。在一些实施例中，水合物开采智能机器人的其余部件也可以由不锈钢、高强度聚合物等制成。
29.在一些实施例中，水合物开采智能机器人的左右两侧为履带式移动轮2、27，两侧的履带轮之间以及履带轮与承载体之间通过金属梁53相连并形成相对固定的结构。在一些实施例中，水合物开采智能机器人前端为水合物揭露铲刀9，铲刀通过连接销54与连杆56和液压杆55铰链接，液压杆55与连杆56刚性连接，连杆与金属梁53刚性连接。
30.在一些实施例中，水合物开采智能机器人后端为水合物破碎机构、导向机构以及聚拢机构，其中滚筒式破碎锯齿38、矿物导向板37、矿物聚拢仓36均通过连接销1、5、24、26与连杆4、52刚性连接，l形连杆8通过连接销3、7分别与连杆4和承载体51刚性连接，l形连杆28通过连接销25、29分别与连杆52和承载体51刚性连接。
31.在一些实施例中，水合物开采智能机器人后半部分上方为富集分解仓42，富集分解仓42内部空间与其上方的离心泵30通过管道及电子阀18实现连通或隔离。在一些实施例
中，矿物聚拢仓36通过输矿管道31与离心泵相连。在一些实施例中，富集分解仓42通过短管45、46及电子阀10、20实现与海底环境的连通或隔离。在一些实施例中，富集分解仓42通过下方l形排渣管44及电子阀17实现与海底环境的连通或隔离。
32.在一些实施例中，水合物开采智能机器人前半部分上方为气液分离器41，其通过l形输送管33及电子阀16实现与富集分解仓的连通与隔离，通过输气管路34与大气连通，通过l形排水管48及单向阀15实现与海底环境的连通和隔离，同时l形排水管48与离心泵32相连。
33.在一些实施例中，水合物开采智能机器人在承载体51的上方四周均匀布置了强光源11、12、21、22和图像采集器13、14。在一些实施例中，水合物开采智能机器人承载体上方安有数据采集传输器43，并通过线缆35与海平面的浮标相连形成浮标天线。
34.在一些实施例中，矿物聚拢仓36内的底板上沿中心线对称分布有两个拨矿轮39、49，拨矿轮位于输矿管道31入口处下方。在一些实施例中，富集分解仓42内沿中心轴线设有水合物二次破碎装置—单轴多层破碎刀50。在一些实施例中，气液分离器41内装有折返板47及l形排水管48，l形排水管的最低处略高于气液分离器底板，最高处低于折返板下端。在一些实施例中，l形排渣管44内设有螺旋板10以构成阿基米德螺旋泵，其较短的一边与富集分解仓42通过电子阀17实现连通与隔离。
35.在一些实施例中，水合物开采智能机器人工作过程包括以下步骤：
36.1)将该水合物开采智能机器人投放至海底指定位置。此时各电子阀的初始状态分别为：电子阀18、19、20开启，电子阀16、17关闭。
37.2)确定行进方向，通过浮标天线发送指令。由于连接销54的连接方式为铰链接，可通过伸缩液压杆55对铲刀9的倾斜角度进行调整从而确定其初始揭露深度。
38.3)调整好角度后开启电动机，驱使履带式移动轮2、27运转。此时，在该水合物开采智能机器人前进的同时，水合物储层上方的盖层被铲刀9推至两旁。
39.4)根据实际情况确定横向开采范围及行进路线，重复作业步骤2～3直至水合物储层露出。此过程中，水合物开采智能机器人通过履带式移动轮2、27的非同步差速运转灵活变更前进方向。
40.5)水合物储层揭露完成后，调整该水合物开采智能机器人的运行方向，开始进行水合物原位开采作业。
41.6)发送指令开启滚筒式破碎锯齿38的驱动电机6、23。在智能机器人行进的同时进行水合物储层破碎，各部件之间为刚性连接，始终保持水平破碎，齿深即为切削深度，破碎形成的水合物小碎块通过矿物导向板37流入矿物聚拢仓36中。
42.7)开启离心泵30以及拨矿轮39、49，含水合物的沉积物碎块通过输矿管道31被收集至富集分解仓42内。拨矿轮有助于将含水合物的沉积物碎块聚拢至输矿管道31入口下方，提高收集效率，由于电子阀19、20处于开启状态，富集分解仓42与海底环境处于连通的状态，因此被采集到仓内的水合物不会很快发生分解，同时在采集过程中，随着固体水合物的不断填充，仓内的部分海水可通过短管45、46被挤入海底环境中。
43.8)当采集到一定量的水合物后，水合物开采智能机器人停止破碎和前进，关闭拨矿轮和离心泵30，关闭电子阀18、19、20，富集分解仓内部空间与海底环境隔离。
44.9)打开电子阀16，此时富集分解仓与大气相通，实现降压，水合物开始分解，同时
开启单轴多层破碎刀50进行二次破碎，加强对水合物块的扰动从而提高分解效率。
45.10)分解后的含水承压天然气通过l形输送管33进入气液分离器41，含水天然气进入气液分离器后撞击折返板47，此时液体在折返板上凝聚并流向气液分离器底部，而天然气则通过折返板下端的入口流入输气管路34并送至海平面或地面。在此过程中气液分离器始终与海底环境隔离，海底高压和单向阀15使得天然气不会发生泄露，同时当气液分离器内的液位没过l形排水管48下端后能够进一步起到液封作用。
46.11)由于经过气液分离，在分解过程中可通过地面或海平面真空泵进行辅助抽压，提高天然气运输效率。
47.12)打开离心泵32，将气液分离器内分离得到的水排至海底环境中。排水过程通过液位监测器自动控制，下液位略高于l形排水管下端以保持液封状态，上液位低于折返板下端。当液位达到上液位时，才进行排水作业，当液位达到下液位时则自动停止排水。
48.13)分解完成后，关闭电子阀16，打开电子阀17、18、19、20，开启阿基米德螺旋泵，富集分解仓内的沉积物残渣通过螺旋板10被排入海底环境中。
49.14)由此完成了一次完整的开采流程，将水合物开采智能机器人所有构件恢复至步骤1的状态。
50.15)调整水合物开采智能机器人姿态，循环进行步骤2～14从而实现间歇式开采。
51.在整个开采过程中，通过强光源11、12、21、22和图像采集器13、14实现宏观可视和图像收集，包括图像在内的所有数据均由数据采集传输器43进行收集并通过浮标天发送至地面或海平面。
52.本技术的水合物开采智能机器人能够实现深海天然气水合物无人化智能开采，实现深海开采过程可控、可视，能够在开采过程中进行实时通讯，并且能够同时实现原位开采、原位分解、原为气液分离以及原位排渣，提高开采效率。另外，通过气液分离可有效避免天然气在长距离输送过程中发生结冰或二次生成水合物而堵塞管道。此外，本技术的水合物开采智能机器人实现了天然气水合物储层揭露和开采的一体化，可以采用大范围横向片式开采，大幅降低了开采对地质结构的扰动从而避免地质灾害的发生。
53.具体地，本技术能够实现水合物储层大范围横向揭露，以及水合物大范围横向片式开采，减少开采后对地层的扰动；通过一端的前置铲刀机构对水合物储层进行揭露，通过另一端的前置滚筒式破碎锯齿机构对水合物层进行破碎开采。本技术采用浮标天线装置将开采过程中的各项数据传输至地面或海平面控制终端，以此对处于海底的水合物开采智能机器人进行调控，通过照明装置及图像采集装置观察实现对天然气水合物开采过程的观察。
54.本技术的水合物开采智能机器人能够实现天然气水合物矿物的富集与分解，可实现原位气液分离，可有效避免天然气在长距离运输过程中发生结冰或二次生成水合物从而堵塞管道。本技术可以采用富集分解仓收集前端破碎的天然气水合物块，通过富集分解仓内的二次破碎机构(单轴多层破碎刀)加强降压分解时对水合物的扰动从而提高分解效率；采用气液分离仓进行气液分离使分解产生天然气干燥，再经由上接管道输送至海平面或地面。本技术的水合物开采智能机器人包括矿物导向板及带有拨矿轮的矿物聚拢仓以便于矿物收集。
55.本技术采用了履带式移动轮，能较好的适应海底床层地形，两侧履带轮的反向及
差速运转可实现采矿车的方向调整，增加装置行走的灵活性。本技术的水合物开采智能机器人能够实现原位排渣，间歇式开采水合物。本技术通过利用阿基米德螺旋泵进行分解完成后的排渣作业，通过各电子阀的开与闭，实现各流程之间的相互隔离和逐步作业，即水合物储层破碎—矿物收集—分解—气液分离—气体输送—排渣—(排液)，由此完成间歇式开采作业。
56.本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本技术的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。