CN105545257B - 一种海底浅层天然气水合物的开采方法及装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底浅层天然气水合物的开采方法及装备，在水面开采船上操作和控制海底开采装置来物理破碎含有天然气水合物的浅海地层，并将破碎的混合物输送到海底水合物分解装置，主要采用海底加热的方法，改变天然气水合物的固态存在条件，可控分解出混合物中蕴藏的天然气水合物，气化的天然气沿连续油管输送到甲板设备进行处理和储存的方法来实现的，整个开采装备具有自力行走功能，而且可以利用开采的能源进发电，并提供自动行走所需动力，而且水合物的分解采用局部密闭加热，所以该开采方法，对海底的生态无影响。

Description

一种海底浅层天然气水合物的开采方法及装备

技术领域

本发明属于海洋油气装备领域，特别涉及海底浅层天然气水合物的开采方法及装备。

背景技术

天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。天然气水合物甲烷含量高，燃烧污染小。

天然气水合物主要来源与海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。0℃时，在30个大气压即可生成，且压力越高，水合物越不容易分解。海底是温度、压力和气源三者同时具备的天然场所，在介质空隙中广泛分布，储量丰富，是现有天然气、石油储备的两倍，具有广阔的开发前景。

天然气水合物的开采通过破坏上述的几个存在条件来进行，包括传统开采法、CO2置换开采法和固体开采法等。但是天然气水合物开采过程中要防止水合物中的甲烷气体的不可控溢出及可能引发的地质结构崩塌，因此目前还未有大规模的天然气水合物商业开采实践。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种海底浅层天然气水合物的开采方法及装备，整个开采装备具有自力行走功能，而且可以利用开采的能源进发电，并提供自动行走所需动力，而且水合物的分解采用局部密闭加热，所以该开采方法，对海底的生态无影响。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种海底浅层天然气水合物的开采装备，包括浮动式水面开采船和海底开采装置，所述浮动式水面开采船包括：天然气发电机、天然气净化及储存装置、线缆收放装置和连续油管收放装置，所述线缆收放装置由动力线缆盘、控制线缆盘和线缆导向轮组成，所述连续油管收放装置由动力油管盘、控制油管盘和油管导向轮组成，所述动力线缆盘和动力油管盘的动力由电机提供，所述电机与天然气发电机相连接，所述线缆收放装置上缠绕有动力线缆，所述动力线缆与天然气发电机相连接，所述连续油管收放装置缠绕有油管，所述油管与天然气净化及储存装置相连接，所述油管和动力线缆通过线管耦合装置耦合成线管束，所述线管束与海底开采装置相连接，所述海底开采装置包括海底水合物分解装置，所述海底水合物分解装置上连接有电驱动履带式海底挖掘设备、电驱动履带式海底破碎抽吸设备和返排管，所述海底水合物分解装置内设有电加热装置。

本发明的一种海底浅层天然气水合物的开采装备，所述线管束上设有若干固定卡。

本发明的一种海底浅层天然气水合物的开采装备，所述海底水合物分解装置与电驱动履带式海底挖掘设备和电驱动履带式海底破碎抽吸设备之间的连接，采用柔性电缆和/或柔性管道连接。

本发明的一种海底浅层天然气水合物的开采装备，所述海底水合物分解装置上设有若干电缆接口和输入管道接口。

本发明的一种海底浅层天然气水合物的开采装备，所述海底水合物分解装置上还连接有水下摄像机。

本发明的一种海底浅层天然气水合物的开采装备，其特征在于，所述海底水合物分解装置离海底距离为2-3m。

本发明的一种海底浅层天然气水合物的开采装备的海底浅层天然气水合物的开采方法，包括以下步骤：

（1）开采定位

开采区域定位，所述浮动式水面开采船通过自力行走至待开采区域；

（2）开采准备

在待开采区域处，将各部件组装调试完成，将海底开采装置放入海底指定位置：

（3）开采过程

通过天然气发电机提供的电能驱动电驱动履带式海底挖掘设备将海底含有天然气水合物海底浅层结构破碎成块，而然后通过电驱动履带式海底破碎抽吸设备将成块结构进一步破碎成较小颗粒，同时将含有天然气水合物的多相流通过管道输送到海底水合物分解装置进行处理，所述海底水合物分解装置通过加热，使天然气水合物分解，分解天然气通过线管束中油管进入天然气净化及储存装置，在线管束中的运动过程，依靠动力线缆工作时发出的热量维持天然气不发生相变，然后通过返排管将分解完的天然气水合物杂质返排回已开采区域；

（4）开采地的更换

当局部开采完成后，在浮动式水面开采船的自力行走作用下，行走至下块待开采区域，继续进行开采。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：提出一种海底浅层天然气水合物的开采方法及装备，整个开采装备具有自力行走功能，而且可以利用开采的能源进行发电，并提供自动行走所需动力，而且水合物的分解采用局部密闭加热，所以该开采方法，对海底的生态无影响。

附图说明

图1是本发明一种海底浅层天然气水合物的开采装备的示意图；

附图标记：1-浮动式水面开采船、2-线管束、3-海底开采装置、4-连续油管收放装置、5-线缆收放装置、6-线管耦合装置、7-天然气发电机、8-天然气净化及储存装置、9-固定卡、10-海底水合物分解装置、11-电驱动履带式海底挖掘设备、12-电驱动履带式海底破碎抽吸设备、13-返排管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一种海底浅层天然气水合物的开采方法及装备的实施例，一种海底浅层天然气水合物的开采装备，包括浮动式水面开采船1和海底开采装置3，所述浮动式水面开采船1包括：天然气发电机7、天然气净化及储存装置8、线缆收放装置5和连续油管收放装置4，所述线缆收放装置5由动力线缆盘、控制线缆盘和线缆导向轮组成，所述连续油管收放装置4由动力油管盘、控制油管盘和油管导向轮组成，所述动力线缆盘和动力油管盘的动力由电机提供，所述电机与天然气发电机7相连接，所述线缆收放装置5上缠绕有动力线缆，所述动力线缆与天然气发电机7相连接，所述连续油管收放装置4缠绕有油管，所述油管与天然气净化及储存装置8相连接，所述油管和动力线缆通过线管耦合装置6耦合成线管束2，所述线管束2与海底开采装置3相连接，所述海底开采装置3包括海底水合物分解装置10，所述海底水合物分解装置10上连接有电驱动履带式海底挖掘设备11、电驱动履带式海底破碎抽吸设备12和返排管13，所述海底水合物分解装置10内设有电加热装置，所述线管束2上设有若干固定卡9，所述海底水合物分解装置10与电驱动履带式海底挖掘设备11 和电驱动履带式海底破碎抽吸设备12之间的连接，采用柔性电缆和/或柔性管道连接，所述海底水合物分解装置10上设有若干电缆接口和输入管道接口，所述海底水合物分解装置10上还连接有水下摄像机，所述海底水合物分解装置10离海底距离为2-3m。

一种浅层天然气水合物的开采方法，包括以下步骤：

（1）开采定位

开采区域定位，所述浮动式水面开采船1通过自力行走至待开采区域；

（2）开采准备

在待开采区域处，将各部件组装调试完成，将海底开采装置3放入海底指定位置：

（3）开采过程

通过天然气发电机7提供的电能驱动电驱动履带式海底挖掘设备11将海底含有天然气水合物海底浅层结构破碎成块，而然后通过电驱动履带式海底破碎抽吸设备12将成块结构进一步破碎成较小颗粒，同时将含有天然气水合物的多相流通过管道输送到海底水合物分解装置10进行处理，所述海底水合物分解装置10通过加热，使天然气水合物分解，分解天然气通过线管束2中油管进入天然气净化及储存装置8，在线管束中的运动过程，依靠动力线缆工作时发出的热量维持天然气不发生相变，然后通过返排管13将分解完的天然气水合物杂质返排回已开采区域；

（4）开采地的更换

当局部开采完成后，在浮动式水面开采船1的自力行走作用下，行走至下块待开采区域，继续进行开采。

工作原理：

结合图1，浮动式水面开采船1是本发明所述开采方法的水面设备，具有自行走和基本锚泊功能，是水合物开采的控制中心、动力中心及开采气体储存中心，同时还配有相关辅助设施及生活设施；海底开采装置3是本发明所述开采方法的核心部分，主要功能是完成含有浅层水合物晶体块地质结构的物理破碎、多相混合物抽吸、天然气水合物可控分解及杂物返排功能；海底开采装置3通过上端的线管束2连接浮动式水面开采船，其中连续油管是分解后的天然气流向开采船的通道，而电缆包括动力电缆和控制电缆，动力电缆为海底全部开采设备提供动力，控制电缆用于控制这些海底设备按照工作人员指令进行工作。

其中，浮动式水面开采船1为自行走式船舶，可以在开采前后直接从基地开赴开采区块，同时可以在开采期间可以根据海底开采情况在区块内自由移动，其上主要装置包括连续油管收放装置4、线缆收放装置5、连续管注入及线管耦合装置6、天然气发电机组7、天然气净化及储存装置8和辅助装置等。其中连续油管收放装置4含连续油管盘，导向轮及一定长度的连续油管等，导向轮半径大于连续油管最大允许曲率半径，保证连续油管圆滑过渡并且垂直进入连续管注入及线管耦合装置6；线缆收放装置5包括动力电缆盘、控制电缆盘和导向轮等，导向轮功能和连续油管导向轮一样，保证电缆有序垂直进入连续管注入及线管耦合装置6；天然气发电机组7是开采船及海底开采装置的动力核心，该发电机组可使用开采出来的天然气作为燃料，因此开采船上仅需储备少量燃料气足够初期开采用即可；天然气净化及储存装置8主要处理所开采天然气中的水分和滤除杂质，并且压缩后储存，后续通过运气船等辅助船舶或者管道输送到陆地气站基地；船上辅助装置主要是工作人员生活辅助设施、消防安全设施及吊机下放设施等。而且每一个开采船上可能配有多组上述装置，以提高开采效率。

海底开采装置3是本发明所述方法的核心部分，包括海底水合物分解装置10、电驱动海底挖掘设备11、电驱动的海底破碎抽吸设备12。其中海底水合物分解装置10悬挂在线管束底部离海底2m~3m高度位置，使其在海平面上的浮动式水面开采船1随波起伏的过程中，不至于碰触海底损坏设备，其主要功能是完成输入的水合物泥浆中的水合物气化分离，并将其他杂质通过返排管13排到已开采过的海底区域。海底水合物分解装置10提供有多条水下插入式电缆接口、输入管道接口以及集成了如水下摄像机等其他装置，海底开采装置3的所有设备通过柔性电缆及柔性管道连接，可以驱动和控制电驱动履带式海底挖掘设备11和电驱动履带式海底破碎抽吸设备12，电驱动履带式海底挖掘设备11用于将海底含有天然气水合物海底浅层结构破碎成块，而电驱动履带式海底破碎抽吸设备12用于将成块结构进一步破碎成较小颗粒，同时将含有天然气水合物的多相流通过管道输送到海底水合物分解装置10进行处理，这些电缆和管道有一定的悬垂长度，允许海底水合物分解装置10在海面的浮动式水面开采船1随波起伏的过程中跟随起伏，亦允许电驱动履带式海底挖掘设备11和电驱动履带式海底破碎抽吸设备12在海底水合物分解装置10一定范围内自由移动开采，同时允许这些设备跟随浮动式开采船1在开采区块内移动，而并不需要实时的跟随精度。

本发明所述方法和装备将破碎的海底浅层水合物混合物输入到海底水合物分解装置10，海底水合物分解装置10分解的主要原理是加热分解，其外层布有加热层和隔热层，将输入的含有水合物的混合物加热，使其中的天然气分解并且溢出，由于气体密度低于液体及固体密度，分解溢出的气体会自动上升，并一直沿着线管束2中的连续油管空腔上升到开采船，并由气体收集及处理装置收集。为防止气体上升过程中的再结晶，在线管束2中的连续油管外侧缠绕动力电缆，利用动力电缆使用过程中的发热维持连续油管内温度特别是近海底段的温度在10℃左右，本处亦可采用内穿电缆的连续油管，外侧缠绕的电缆外侧可能进一步残绕隔热层。分解完的混合物通过其上的返排管13返排到已开采区，恢复原始海底地貌和生态，通过控制分解装置中的加热温度和速率可以控制气体的溢出速度，使其安全可控，并且由于整个分解过程是在密闭的分解装置中进行，连续油管是其唯一溢出通道，避免整个海底加热法可能导致的生态风险。

本发明所述方法的实例流程是：首先根据勘探情况将浮动式水面开采船1开赴到待开采区块，然后通过开采船上吊机设备将海底开采装置3的电驱动海底挖掘设备11、电驱动的海底破碎抽吸设备12通过吊索分别下放到海底，然后通过连续管注入及线管耦合装置6将连续油管和电缆组耦合成，同时将悬吊的海底水合物分解装置10下放到海底平面上部2m－3m处，然后通过ROV设备将电缆和水合物泥浆输入管将电驱动海底挖掘设备11、电驱动的海底破碎抽吸设备12和海底水合物分解装置10上的电缆接口和泥浆接口连接，最后通过在浮动式水面开采船1的控制中心手动或自动操作水下开采设备进行开采。通过开采船上合理布局亦可在甲板将海底设备间电缆和管道连接后，通过连续管注入及线管耦合装置6及辅助吊机设备将所有海底开采装置3集中下放到海底。在开采过程中可以控制海底履带式设备在海底水合物分解装置10周边进行开采，小的局部区块开采结束后驱动开采船进入下一个局部区块，整个区块开采结束后回收海底开采装置3然后开赴下一个区块或者回到基地。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海底浅层天然气水合物的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）开采定位

开采区域定位，浮动式水面开采船（1）通过自力行走至待开采区域；

2）开采准备

在待开采区域处，将各部件组装调试完成，将海底开采装置（3）放入海底指定位置；

3）开采过程

通过天然气发电机（7）提供的电能驱动电驱动履带式海底挖掘设备（11）将海底含有天然气水合物海底浅层结构破碎成块，而然后通过电驱动履带式海底破碎抽吸设备（12）将成块结构进一步破碎成较小颗粒，同时将含有天然气水合物的多相流通过管道输送到海底水合物分解装置（10）进行处理，所述海底水合物分解装置（10）通过加热，使天然气水合物分解，分解天然气通过线管束（2）中油管进入天然气净化及储存装置（8），在线管束中的运动过程，依靠动力线缆工作时发出的热量维持天然气不发生相变，然后通过返排管（13）将分解完的天然气水合物杂质返排回已开采区域；

4)开采地的更换

当局部开采完成后，在浮动式水面开采船（1）的自力行走作用下，行走至下块待开采区域，继续进行开采；

开采装备：包括浮动式水面开采船（1）和海底开采装置（3），所述浮动式水面开采船（1）包括：天然气发电机（7）、天然气净化及储存装置（8）、线缆收放装置（5）和连续油管收放装置（4），所述线缆收放装置（5）由动力线缆盘、控制线缆盘和线缆导向轮组成，所述连续油管收放装置（4）由动力油管盘、控制油管盘和油管导向轮组成，所述动力线缆盘和动力油管盘的动力由电机提供，所述电机与天然气发电机（7）相连接，所述线缆收放装置（5）上缠绕有动力线缆，所述动力线缆与天然气发电机（7）相连接，所述连续油管收放装置（4）缠绕有油管，所述油管与天然气净化及储存装置（8）相连接，所述油管和动力线缆通过线管耦合装置（6）耦合成线管束（2），所述线管束（2）与海底开采装置（3）相连接，所述海底开采装置（3）包括海底水合物分解装置（10），所述海底水合物分解装置（10）上连接有电驱动履带式海底挖掘设备（11）、电驱动履带式海底破碎抽吸设备（12）和返排管（13），所述海底水合物分解装置（10）内设有电加热装置。

2.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物的开采方法，其特征在于，所述线管束（2）上设有若干固定卡（9）。

3.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物的开采方法，其特征在于，所述海底水合物分解装置（10）与电驱动履带式海底挖掘设备（11） 和电驱动履带式海底破碎抽吸设备（12）之间的连接，采用柔性电缆和/或柔性管道连接。

4.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物的开采方法，其特征在于，所述海底水合物分解装置（10）上设有若干电缆接口和输入管道接口。

5.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物的开采方法，其特征在于，所述海底水合物分解装置（10）上还连接有水下摄像机。

6.根据权利要求1所述的一种海底浅层天然气水合物的开采方法，其特征在于，所述海底水合物分解装置（10）离海底距离为2-3m。