CN105822266A - 海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，它包括海底采掘机器人、海底分解分离与除泥沙集输处理站、海上开采作业平台和海底泥沙回填机器人，海底分解分离与除泥沙集输处理站分别与海底采掘机器人、海上开采作业平台和海底泥沙回填机器人通过集成通道和快速插头实现快速连接，集输站内的装置通过其快速插头与密闭舱内壁上的快速插座相连接，进行水合物浆体的储存、分解、分离，分离后水合物浆体向海上平台输送，分离后的泥沙用海底泥沙回填机器人原位回填。本发明的有益效果是：解决了直接举升含泥沙浆体输送过程中耗能巨大，管道输送过程中容易出现沙堵和管道内压力突变爆管等难题，便于模块之间快速连接、操作和维修。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气资源开发技术领域，特别是海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统。
背景技术
煤、石油、天然气是当今世界各国的主要矿物能源。然而据估计，再有40余年，人类就要面临这些矿物能源枯竭的局面。于是，一种储量极大被称为“可燃冰”的能源——天然气水合物的开发和利用，开始进入众多国家的视线。近年来，我国能源供需矛盾日益突出，传统化石燃料已不能满足我国经济发展、环境保护的要求，仅2014年进口原油3.1亿吨，对外依存度60%；进口天然气620亿立方米，对外依存度32%。我国今后对能源的需求将随着经济的快速发展而急剧增加，对国外石油、天然气资源的依赖程度不断加大，如何保证我国能源安全和后续能源供应，直接关系到我国经济、社会的可持续发展，战略意义重大。
天然气水合物俗称“可燃冰”，是近20年来在海洋和冻土带发现的新型洁净能源，是天然气和水在一定的温度、压力条件下相互作用而形成的貌似冰状的可燃固体。天然气水合物是一种主-客体化合物，水分子形成一种点阵结构，天然气分子则填充于点阵间的空穴，形成点阵的水分子之间以较强的氢键结合，天然气分子与水分子之间则以较弱的范德华力相互吸引。从能源的角度看，“可燃冰”可视为被高度压缩的天然气资源，每立方米能分解释放出160～180m3(标准)的天然气。据估算，全球天然气水合物中蕴藏的天然气总量约为1.8×1016～2.1×1016m3，相当于全球已探明传统化石燃料总碳量的2倍。
天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。目前探测的水合物资源主要储存在极地沙岩、海洋沙岩以及泥岩、粉质沙岩中。对具有良好封闭的储存在沙岩中的水合物资源可以通过常规的开采方式，如降压法、注热法、注剂法和注二氧化碳气体置换法等方式进行开发。然而，对于储存在海底表层百米之内亚稳态的天然气水合物藏，由于没有封闭的盖层，上述常规开采方法都不能直接使用。
因此，人们提出了“深海海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法”，CN103628844A，该发明以固态形式采掘所述天然气水合物藏，将含所述天然气水合物的固体物质进行收集并粉碎为颗粒物，将海水与所述颗粒物通过引射混合形成气液固多相混合物流；将所述气液固多相混合物流，通过具有增压系统的密闭管道将所述气液固多相混合物流提升至海上；对通过密闭管道提升至海上的所述气液固多相混合物进行分离和处理，得到天然气。
由于该发明需要将海底天然气水合物藏通过固态流化方式直接输送到海面进行分离处理，所以在举升大量泥沙和海水过程中需要消耗巨大能量，同时还存在泥沙堵塞输送管道，存在水合物冰堵和管道内压力剧变爆管等风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，解决了目前直接采用管道输送水合物浆体的缺陷，即直接举升含泥沙浆体输送过程中耗能巨大，管道输送过程中容易出现沙堵和管道内压力突变爆管等难题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，它包括海底采掘机器人、海底分解分离与除泥沙集输处理站、海上开采作业平台和海底泥沙回填机器人。海底分解分离与除泥沙集输处理站分别与海底采掘机器人、海上开采作业平台和海底泥沙回填机器人通过集成通道连接，所述的海底分解分离与除泥沙集输处理站包括密闭舱夹层、表层热海水储罐、天然气水合物浆体储罐、分解装置和多相分离装置，密闭舱夹层内铺设有集成管路，密闭舱夹层的外壁上设置有多个外壁快速插座，内壁上设置有多个内壁快速插座，外壁快速插座和内壁快速插座分别与集成管路连接，表层热海水储罐、天然气水合物浆体储罐、集输站泵送装置、分解装置和多相分离装置均设置于密闭舱夹层内，表层热海水储罐的入口与表层热海水输送管道连通，表层热海水储罐的出口与分解装置的第一入口之间通过集输站泵送管线连通，天然气水合物浆体储罐的出口与分解装置的第一入口之间通过集输站泵送管线连通，分解装置的第一出口与多相分离装置的入口连通，多相分离装置的第一出口与分解装置的第二入口连通，分解装置和多相分离装置分别与内壁快速插座连接；所述的海底采掘机器人包括识别与监测装置、机器人泵送装置、采掘装置、二次破碎装置、行走锚定机构和机身架，识别与监测装置设置于机身架的顶部，采掘装置设置于机身架的前端，机器人泵送装置和二次破碎装置设置于机身架内部，行走锚定机构设置于机身架的底部，采掘装置与机器人泵送装置之间还设置有二次破碎装置，机器人泵送装置与天然气水合物浆体储罐连通；所述的海上开采作业平台包括水合物处理装置、储存装置、动力系统和平台操作监测控制系统，水合物处理装置的入口与分解装置的第二出口连通，水合物处理装置的出口与储存装置的入口连通，动力系统为开采系统提供所需电力，平台操作监测控制系统对整个开采过程进行监测和控制，水合物处理装置的入口还与多相分离装置第二出口之间通过集输站泵送管线连通；所述的海底泥沙回填机器人包括回填机器人行走机构、回填装置、回填监控装置和回填机器人本体，回填机器人行走机构设置于回填机器人本体的底部，回填监控装置设置于回填机器人本体的顶部，回填装置设置于回填机器人本体外侧，回填装置与多相分离装置的第三出口之间通过集输站泵送管线连通。
所述的表层热海水储罐与分解装置之间的集输站泵送管线上、天然气水合物浆体储罐与分解装置之间的集输站泵送管线上和多相分离装置与回填装置之间的集输站泵送管线上分别设置有集输站泵送装置。
所述的表层热海水储罐内还设置有加热装置，所述的天然气水合物浆体储罐内还设置有搅拌装置，加热装置和搅拌装置分别与内壁快速插座连接。
所述的密闭舱夹层的侧壁上还设置有双层检修舱门。
所述的海上开采作业平台还包括升降装置。
本发明具有以下优点：
1、将天然气水合物的混合物在海底进行分解、分离与除泥沙处理，只将天然气水合物浆体继续向海上开采作业平台输送，泥沙送至海底回填机器人进行原位回填，避免向海上输送含泥沙的天然气水合物浆体而出现管堵风险，同时节约举升泥沙所需的能量。海底泥沙回填机器人将泥沙原位回填，可尽量保持海底开采前的原貌，尽量避免破坏海底地质环境。
2、在海底采掘机器人上设置识别与监测装置，用于识别天然气水合物和海底地质构造形貌，只针对有天然气水合物的区域进行采掘，以提高开采效率与经济性。
3、海底分解分离与除泥沙集成处理站可以同时连接多个工作的海底采掘机器人和海底回填机器人，对于天然气水合物藏丰富区域，可多个机器人并行工作，提高开采效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1-海底采掘机器人，2-海底分解分离与除泥沙集输处理站，3-海上开采作业平台，4-海底泥沙回填机器人，5-表层热海水输送管道，6-集成通道，101-识别与监测装置，102-机器人泵送装置，103-采掘装置，104-二次破碎装置，105-行走锚定机构，106-机身架，200-密闭舱夹层，201-表层热海水储罐，202-天然气水合物浆体储罐，203-集输站泵送装置，204-集输站泵送管线，205-分解装置，206-多相分离装置，207-集成管路，208-外壁快速插座，209-双层检修舱门，210-内壁快速插座，301-水合物处理装置，302-储存装置，303-升降装置，304-动力系统，305-平台操作监测控制系统，401-回填机器人行走机构，402-回填装置，403-回填监控装置，404-回填机器人本体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明系统将海底表层天然气水合物藏当作一种海底矿藏资源，利用其在海底温度和压力下稳定存在的特点，利用海底采掘机器人1中的内旋吸钻头破碎，并加入适量海水将海底天然气水合物藏变成浆体，然后输送至海底分解分离与除泥沙集输处理站2，经过分解、分离与除泥沙处理，将得到的天然气水合物浆体输送至海上开采作业平台3，分离后的泥沙由海底回填机器人4进行原位回填。
如图1所示，海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，它包括海底采掘机器人1、海底分解分离与除泥沙集输处理站2、海上开采作业平台3和海底泥沙回填机器人4，海底分解分离与除泥沙集输处理站2分别与海底采掘机器人1、海上开采作业平台3和海底泥沙回填机器人4通过集成通道6连接，海底分解分离与除泥沙集输处理站2是安装在离开天然气水合物藏的区域一段距离，与海底采掘机器人1通过集成通道6连接在一起，所述的海底分解分离与除泥沙集输处理站2包括密闭舱夹层200、表层热海水储罐201、天然气水合物浆体储罐202、分解装置205和多相分离装置206，密闭舱夹层200所用材料具有足够的抗压能力，并在密闭舱外设置保温层与防腐层，用于隔绝海水的低温与腐蚀，密闭舱夹层200内铺设有集成管路207，集成管路207内包括各种管线、电缆线和数据线，密闭舱夹层200的外壁上设置有多个外壁快速插座208，内壁上设置有多个内壁快速插座210，外壁快速插座208和内壁快速插座210分别与集成管路207连接，表层热海水储罐201、天然气水合物浆体储罐202、集输站泵送装置203、分解装置205和多相分离装置206均设置于密闭舱夹层200内，表层热海水储罐201的入口与表层热海水输送管道5连通，表层热海水储罐201的出口与分解装置205的第一入口之间通过集输站泵送管线204连通，天然气水合物浆体储罐202的出口与分解装置205的第一入口之间通过集输站泵送管线204连通，分解装置205的第一出口与多相分离装置206的入口连通，多相分离装置206的第一出口与分解装置205的第二入口连通，分解装置205和多相分离装置206分别与内壁快速插座210连接；海底采掘机器人1是在海底表层天然气水合物的储藏区域，利用其内旋吸钻头将天然气水合物藏破碎成较小的固体颗粒，并加入适量的海水将天然气水合物藏变成浆体，然后浆体输送至海底分解分离与除泥沙集输处理站2，所述的海底采掘机器人1包括识别与监测装置101、机器人泵送装置102、采掘装置103、二次破碎装置104、行走锚定机构105和机身架106，识别与监测装置101设置于机身架106的顶部，用于识别天然气水合物和海底地质构造形貌，只针对有天然气水合物的区域进行采掘，以提高开采效率与经济性，采掘装置103设置于机身架106的前端，机器人泵送装置102设置于机身架106内部，行走锚定机构105设置于机身架106的底部，采掘装置103与机器人泵送装置102之间还设置有二次破碎装置104，机器人泵送装置102与天然气水合物浆体储罐202连通；所述的海上开采作业平台3包括水合物处理装置301、储存装置302、动力系统304和平台操作监测控制系统305，水合物处理装置301的入口与分解装置205的第二出口连通，水合物处理装置301的出口与储存装置302的入口连通，动力系统304为开采系统提供所需电力，平台操作监测控制系统305对整个开采设备和开采过程进行监测和控制，水合物处理装置301的入口还与多相分离装置206第二出口之间通过集输站泵送管线204连通；所述的海底泥沙回填机器人4包括回填机器人行走机构401、回填装置402、回填监控装置403和回填机器人本体404，回填机器人行走机构401设置于回填机器人本体404的底部，回填监控装置403设置于回填机器人本体404的顶部，回填装置402设置于回填机器人本体404外侧，回填装置402与多相分离装置206的第三出口之间通过集输站泵送管线204连通。
进一步地，所述的表层热海水储罐201与分解装置205之间的集输站泵送管线204上、天然气水合物浆体储罐202与分解装置205之间的集输站泵送管线204上和多相分离装置206与回填装置402之间的集输站泵送管线204上分别设置有集输站泵送装置203。
进一步地，所述的表层热海水储罐201内还设置有加热装置，可以根据需要加热所用海水的温度，所述的天然气水合物浆体储罐202内还设置有搅拌装置，保证输出浆体的均匀性，加热装置和搅拌装置分别与内壁快速插座210连接。
进一步地，所述的密闭舱夹层200的侧壁上还设置有双层检修舱门209，以便为设备的检修与更换提供通道，可以使检修人员从高压海水环境进入密闭舱内的低压环境，从事检修工作。
进一步地，所述的海上开采作业平台3还包括升降装置303，方便对海底工作设备的起放，同时，还有生活设施、航海装备等常规船用设备。
海底分解分离与除泥沙集成处理站2可以同时连接多个工作的海底采掘机器人1和海底回填机器人4，对于天然气水合物藏丰富区域，可多个机器人并行工作，提高开采效率。
本发明的工作过程如下：整个开采系统准备完毕后，通过行走锚定机构105将海底采掘机器人1移动至天然气水合物藏丰富区域，然后锚定，识别与监测装置101识别天然气水合物和海底地质构造形貌，针对有天然气水合物的区域进行采掘，采掘装置103天然气水合物进行采集，通过二次破碎装置104破碎成较小的固体颗粒，并加入适量的海水将天然气水合物藏变成浆体，然后浆体输送至天然气水合物浆体储罐202，再通过集输站泵送装置203和集输站泵送管线204输送至分解装置205内，表层热海水输送管道5将表层热海水输送至表层热海水储罐201内，再通过集输站泵送装置203和集输站泵送管线204输送至分解装置205内，表层热海水与天然气水合物浆体在分解装置205内分解，分离出来的天然气水合物经集成管线6输送至海上开采作业平台3，未分解的浆体进入多相分离装置206，分离得到的天然气水合物浆体向海上开采作业平台3输送，未完全分解的天然气水合物胶结浆体返回至分解装置205再次分解，分离出来的泥沙经集成通道6输送至海底回填机器人4进行原位回填。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，其特征在于：它包括海底采掘机器人（1）、海底分解分离与除泥沙集输处理站（2）、海上开采作业平台（3）和海底泥沙回填机器人（4），海底分解分离与除泥沙集输处理站（2）分别与海底采掘机器人（1）、海上开采作业平台（3）和海底泥沙回填机器人（4）通过集成通道（6）连接，
所述的海底分解分离与除泥沙集输处理站（2）包括密闭舱夹层（200）、表层热海水储罐（201）、天然气水合物浆体储罐（202）、分解装置（205）和多相分离装置（206），密闭舱夹层（200）内铺设有集成管路（207），密闭舱夹层（200）的外壁上设置有多个外壁快速插座（208），内壁上设置有多个内壁快速插座（210），外壁快速插座（208）和内壁快速插座（210）分别与集成管路（207）连接，表层热海水储罐（201）、天然气水合物浆体储罐（202）、集输站泵送装置（203）、分解装置（205）和多相分离装置（206）均设置于密闭舱夹层（200）内，表层热海水储罐（201）的入口与表层热海水输送管道（5）连通，表层热海水储罐（201）的出口与分解装置（205）的第一入口之间通过集输站泵送管线（204）连通，天然气水合物浆体储罐（202）的出口与分解装置（205）的第一入口之间通过集输站泵送管线（204）连通，分解装置（205）的第一出口与多相分离装置（206）的入口连通，多相分离装置（206）的第一出口与分解装置（205）的第二入口连通，分解装置（205）和多相分离装置（206）分别与内壁快速插座（210）连接；
所述的海底采掘机器人（1）包括识别与监测装置（101）、机器人泵送装置（102）、采掘装置（103）、二次破碎装置（104）、行走锚定机构（105）和机身架（106），识别与监测装置（101）设置于机身架（106）的顶部，采掘装置（103）设置于机身架（106）的前端，机器人泵送装置（102）和二次破碎装置（104）设置于机身架（106）内部，行走锚定机构（105）设置于机身架（106）的底部，机器人泵送装置（102）与天然气水合物浆体储罐（202）连通；
所述的海上开采作业平台（3）包括水合物处理装置（301）、储存装置（302）、动力系统（304）和平台操作监测控制系统（305），水合物处理装置（301）的入口与分解装置（205）的第二出口连通，水合物处理装置（301）的出口与储存装置（302）的入口连通，动力系统（304）为开采系统提供所需电力，平台操作监测控制系统（305）对整个开采过程进行监测和控制，水合物处理装置（301）的入口还与多相分离装置（206）第二出口之间通过集输站泵送管线（204）连通；
所述的海底泥沙回填机器人（4）包括回填机器人行走机构（401）、回填装置（402）、回填监控装置（403）和回填机器人本体（404），回填机器人行走机构（401）设置于回填机器人本体（404）的底部，回填监控装置（403）设置于回填机器人本体（404）的顶部，回填装置（402）设置于回填机器人本体（404）外侧，回填装置（402）与多相分离装置（206）的第三出口之间通过集输站泵送管线（204）连通。
2.根据权利要求1所述的海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，其特征在于：所述的表层热海水储罐（201）与分解装置（205）之间的集输站泵送管线（204）上、天然气水合物浆体储罐（202）与分解装置（205）之间的集输站泵送管线（204）上和多相分离装置（206）与回填装置（402）之间的集输站泵送管线（204）上分别设置有集输站泵送装置（203）。
3.根据权利要求1所述的海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，其特征在于：所述的表层热海水储罐（201）内还设置有加热装置，所述的天然气水合物浆体储罐（202）内还设置有搅拌装置，加热装置和搅拌装置分别与内壁快速插座（210）连接。
4.根据权利要求1所述的海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，其特征在于：所述的密闭舱夹层（200）的侧壁上还设置有双层检修舱门（209）。
5.根据权利要求1所述的海底天然气水合物浆体分解分离与除泥沙模块化开采系统，其特征在于：所述的海上开采作业平台（3）还包括升降装置（303）。
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