CN106522958A - 一种海底天然气水合物绞吸式开采方法 - Google Patents

Abstract

一种海底天然气水合物绞吸式开采方法,它由海底开采车、海面分解储存系统、以及连接海底开采车和海面分解储存系统的水力输送系统组成。海底开采车由绞刀、绞刀臂、履带式行走机构以及动力和控制系统等组成，用于将海底天然气水合物切割破碎。水力输送系统由辅助泥浆泵、输送软管、浮力球、主泥浆泵和输送硬管等组成，用于将开采车破碎后的天然气水合物输送到海面的分解储存系统内。分解储存系统由分解器、储存器和尾矿管等组成，用于将输送系统输送而来的然气水合物分解、分离并收集到储存容器内，将分离后的海底沉积物等废物排至海底。由于天然气水合物绞吸式开采方法具有生产效率高、开采过程可控、不需要构筑像“气囊”等特点，因此具有很好的应用前景。

Description

一种海底天然气水合物绞吸式开采方法

技术领域

本发明涉及一种海底天然气水合物绞吸式开采方法，具体涉及到一种首先通过海底绞吸式开采车将赋存于海底的天然气水合物切割绞碎，其次，通过水力输送系统将破碎后的天然气水合物从海底输送到海面分解储存系统中的分解器内，然后，通过分解器将天然气水合物分解成天然气并收集到储存器内的一种海底天然气水合物绞吸式开采方法。

背景技术

能源是维持经济持续发展的基础，而传统能源的日益枯竭时刻威胁着人类的发展，这迫使世界各国不得不寻找更高效、更清洁的替代能源。为了开辟新能源，近几十年来，越来越多的国家将目光投向一种鲜为人知的新型能源──天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)。

天然气水合物是天然气在0℃和30个大气压作用下结晶而成的“冰块”。因其外观象冰且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。天然气水合物分布广、能量密度高，被各国科学家公认为是21世纪最具前景、最理想的清洁能源和替代能源。

天然气水合物可用M·nH₂O来表示，M代表气体分子，n为水分子数。组成气体分子的成分有烃类(CH₄、C₂H₆等)及非烃类(CO₂、H₂S等)，这些气体赋存于水分子笼形格架内。因其中气体分子以甲烷为主，故也被称为甲烷水合物，1立方米天然气水合物可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。

据估计，全球海底天然气水合物中甲烷资源量约为2.1×10¹⁶m³，甲烷中碳的总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。

目前，已经发现的天然气水合物矿藏主要分布在地球上两类地区：一是水深为400～4000m的海底沉积物中，二是高纬度大陆地区永久冻土带及水深为100～250m以下的极地大陆架。海底天然气水合物资源量占所有天然气水合物资源量的90％以上，因此，未来天然气水合物开采的主要场地是海底。

天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳定态矿物,存在于特定的温压条件下。一旦赋存条件发生变化,天然气水合物矿藏的相平衡就会被破坏,引起天然气水合物分解，因此其开采方法必须根据这种特殊性质而设计。最初，研究人员对降压开采法、热激发开采法和化学试剂注入开采法进行了探索性研究，随着对天然气水合物基础理论研究的不断深入,近些年又涌现出一些新的开采方法,如CO₂置换法与固态开采法等。

(1)降压开采法。降压开采法是通过降低天然气水合物储存层的压力来促使天然气水合物分解。具体手段通常是通过降低天然气水合物层下游离气聚集层的压力，当游离气层压力小于相(LW-H-V)平衡值时，与游离气接触的天然气水合物将出现不稳定而分解。降压法是一种弱化的被动式开采方案，开采速度很慢，天然气水合物通过降压而分解的时间周期较长，并且只有当天然气水合物矿藏位于温压平衡边界附近时，降压开采法才具有经济可行性。

(2)热激发开采法。热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，促使天然气水合物分解为水与天然气，再用导管将析出的天然气收集。热激发开采法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。由于该方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此尚有待进一步完善。

(3)注入化学试剂开采法。注入化学试剂开采法是通过向天然气水合物层注入化学试剂(盐水、甲醇、乙醇、乙二醇等)来改变天然气水合物的相平衡条件，以降低天然气水合物稳定所需的温度，达到分解天然气水合物的目的。该种方法虽然可降低初期能量输入，但所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以，目前对该方法投入的研究相对较少。

(4)CO₂置换开采法。CO₂置换法的原理是甲烷水合物所需的稳定压力较CO₂水合物高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而CO₂水合物却是稳定的,CO₂进入到天然气水合物中,与水形成水合物,所释放的热量可用于分解天然气水合物。CO₂置换法相变过程复杂、实施困难，目前还处于探索阶段。

(5)固态开采法。固态开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物，然后将其拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是：首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，进而获取天然气。

降压开采法、热激发开采法、注入化学试剂法和CO₂置换法只能对部分存在密实覆盖层的天然气水合物进行开采，而且降压法、热激发法、注入化学试剂法和CO₂置换法都存在短期内无法克服的困难，如：降压开采法作用缓慢、开采过程无法控制；热激发开采法能量效率低；化学试剂注入法效果慢、成本大；CO₂置换法相变过程复杂、实施困难，而且上述开采方法都有可能产生海底滑坡、海洋化学和生物环境污染等事故。

根据研究，沉积物中的天然气水合物主要以四种形式存在：(l)伴随少量沉积物的大块天然气水合物；(2)以球粒状分散于细粒沉积物中；(3)分布在大的沙石间孔隙中；(4)填充在岩层裂缝中。

海底天然气水合物主要以第一和第二种形式存在，一般没有密实的覆盖层，特别是品位高、易于开采的大块天然气水合物，它们或裸露于海底，或只有很浅的沉积物覆盖层(与露天煤矿极为相似)，在此情况下无法构筑像“气囊”一样的封闭环境，降压开采法、热激发开采法、注入化学试剂法和CO₂置换法都很难实施，因此只能采用固态开采法。

发明内容

海底天然气水合物绞吸式开采方法是一种固态开采方法，它由海底绞吸式开采车、水力输送系统和海面天然气分解收集系统等设备组成。其工作步骤为：首先，海底开采车将赋存于海底的天然气水合物破碎，其次，水力输送系统将开采车破碎后的天然气水合物输送到海面分解储存系统中的分解器内，然后，分解储存系统将天然气水合物分解成天然气并收集到储存器内，分离后的海底沉积物等废物通过尾矿管排至海底。

本发明所采用的技术方案是：

(1)海底开采车将赋存于海底的天然气水合物破碎。海底开采车主要由绞刀、绞刀驱动机构、吸泥管、绞刀臂、履带式行走机构以及动力和控制系统组成，其工作原理为：履带式行走机构在动力和控制系统的驱动下在海底运动，绞刀臂在动力和控制系统的驱动下可作左右和上下运动,绞刀在绞刀驱动机构作用下将海底天然气水合物切割破碎。

(2)水力输送系统将开采车破碎后天然气水合物输送到海面的分解器内。水力输送系统主要由辅助泥浆泵、输送软管、浮力球、主泥浆泵和硬管组成，其工作原理为：通过辅助泥浆泵和主泥浆泵将绞刀破碎后的天然气水合物与海水的混合流体吸入水力输送管道内并输送到海面的分解器内。

水力输送系统中浮力球的作用是保持软管在工作过程中具有良好的空间形状，辅助泥浆泵安装在开采车上，主泥浆泵置于硬管下端，具有保持硬管在工作过程相对稳定的作用。

由于天然气水合物的密度为930kg/m³，天然气水合物与海底沉积物以及海水形成的混合流体密度为1062.5～1077.5kg/m³，将天然气水合物从海深为4000m的海底输送到海面所需的扬程为86～145m，因此，水力输送系统只需由一台大功率、高扬程的单级主泥浆泵和一台小功率、低扬程的单级辅泥浆泵组成即可。

天然气水合物在输送过程中压力不断降低，因此，当管道内的压力下降到低于天然气水合物的分解临界压力时，管道内的天然气水合物部分会分解成天然气，形成气、固、液三相流体，并且距离海平面越近，天然气水合物分解速度越快，气相在流体中的体积浓度就越高，该现象能提高水力输送系统的输送能力，降低输送系统所需要的扬程。

(3)分解储存系统将天然气水合物分解成天然气并收集到储存器内。分解储存系统由分解器、储存器和尾矿管组成，其工作原理为：分解器将输送系统输送而来的天然气水合物分解成天然气，并将天然气分离收集到储存容器内，分离后的海底沉积物等废物通过尾矿管排至海底，以减轻对环境的污染。为了加速天然气水合物的分解，可将海面温度较高的海水注入分解器内。

海底天然气水合物绞吸式开采方法具有以下特点：

(1)不需要构筑像“气囊”一样的封闭环境，适合于大块水合物(第一种存在形式)和以球粒状分散于细粒沉积物中(第二种存在形式)的天然气水合物的开采。

(2)在绞吸式开采过程中，破碎后的水合物被迅速抽离破碎区，未开采的天然气水合物的赋存条件不会被破坏，天然气不会逸出，开采过程可以控制。

(3)绞吸式开采方法可实现对天然气水合物的连续自动化开采，生产效率高。

(4)分解后的沉积物排放至海底，对环境影响较小，不会产生海底滑坡、海洋化学和生物环境污染等事故。

下面结合附图和实施例对发明专利进一步说明。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为绞刀的结构示意图；

图3为绞刀安装示意图。

具体实施方式

图1中，1、水合物开采车，1.1、绞刀，1.2、绞刀驱动机构，1.3、吸泥管，1.4、绞刀臂，1.5、行走机构，1.6、动力和控制系统，2、水力输送系统，2.1、辅助泥浆泵，2.2、软管，2.3、浮力球，2.4、主泥浆泵，2.5、硬管，3、分解储存系统，3.1、分解器，3.2、储存器，3.3、尾矿管，4、天然气，5、天然气运输船，6、天然气水合物，7、海底沉积物。

在图1中，水合物开采车(1)由绞刀(1.1)、绞刀驱动机构(1.2)、吸泥管(1.3)、绞刀臂(1.4)、行走机构(1.5)和动力和控制系统(1.6)组成，绞刀(1.1)安装于绞刀臂(1.4)的前端，在绞刀驱动机构(1.2)驱动轴的驱动下用于切割海底天然气水合物(6)，并与动力和控制系统(1.6)一同安装在履带式行走机构(1.5)上，绞刀(1.1)、绞刀臂(1.4)和行走机构(1.5)在动力和控制系统(1.6)的驱动下工作。

在图1中，水力输送系统(2)由辅助泥浆泵(2.1)、软管(2.2)、浮力球(2.3)、主泥浆泵(2.4)和硬管(2.5)组成，安装于浮于海面的分解储存系统(3)之下。主泥浆泵(2.4)安装于垂直深入海底的硬管(2.5)的下端并通过软管(2.2)与安装于开采车(1)上的辅助泥浆泵(2.1)相连接，辅助泥浆泵通过深入球形绞刀(1.1)内的吸泥管(1.2)吸入破碎后的天然气水合物(6)，浮力球(2.3)安装于软管上(2.2)。

在图1中，分解储存系统(3)由分解器(3.1)、储存器(3.2)和尾矿管(3.3)组成，分解器(3.1)内分离出的天然气(4)储存于与之相连接的储存器(3.2)内，当储存器(3.2)内天然气(4)达到一定量时，通过天然气运输船(5)运走，尾矿管(3.3)安装于分解器(3.1)之下深入海底，将分解器(3.1)分离后的海底沉积物(7)等废物排送至海底。

在图2中，绞刀为球锥形，由大环(1.1.1)、轮毂(1.1.2)、刀臂(1.1.3)和刀齿(1.1.4)组成，刀臂(1.1.3)为螺旋形状，一端固定在圆环形大环(1.1.1)，另一端固定在圆筒形轮毂(1.1.2)上，刀齿(1.1.4)安装在刀臂(1.1.3)的齿座上。

在图3中，绞刀轮毂(1.1.2)通过螺纹与驱动轴(1.1.6)连接，将绞刀(1.1)安装于绞刀臂(1.4)的前端，吸泥管(1.3)深入绞刀(1.1)内。

Claims (5)

1.一种海底天然气水合物绞吸式开采方法，它由海底绞吸式开采车、水力输送系统和海面天然气分解收集系统等设备组成，海底开采车在海底将天然气水合物破碎，水力输送系统连接海底开采车和海面分解收集系统，将开采车破碎后的天然气水合物输送到海面分解储存系统中的分解收集系统内，海面分解储存系统将输送系统输送而来的天然气水合物分解成天然气并收集到储存器内，并将分离后的海底沉积物等废物通过尾矿管排至海底。

2.根据权利要求1所述的海底天然气水合物绞吸式开采方法，其特征在于海底开采车由绞刀、绞刀驱动机构、吸泥管、绞刀臂、履带式行走机构以及动力和控制系统等机构组成，绞刀安装于绞刀臂的前端用于切割海底天然气水合物，并与动力和控制系统一同安装在履带式行走机构上，绞刀臂和绞刀在动力和控制系统驱动下将海底天然气水合物切割破碎。

3.根据权利要求1所述的海底天然气水合物绞吸式开采方法，其特征在于水力输送系统由辅助泥浆泵、输送软管、浮力球、主泥浆泵和硬管等组成，主泥浆泵安装于垂直深入海底的硬管的下端，并通过软管与安装于开采车上的辅助泥浆泵相连接，辅助泥浆泵的吸入管道深入球形绞刀内吸入破碎后的天然气水合物，浮力球安装于软管上，用于保持软管在工作过程中具有良好的空间形状，通过辅助泥浆泵和主泥浆泵将绞刀破碎后的天然气水合物与海水的混合流体吸入水力输送管道内并输送到海面的分解器内。

4.根据权利要求1所述的海底天然气水合物绞吸式开采方法，其特征在于分解储存系统由分解器、储存器和尾矿管等组成，分解器将输送系统输送而来的然气水合物分解成天然气，并储存于与之相连接的储存器内，尾矿管安装于分解器之下深入海底，将分解器分离后的海底沉积物等废物排送至海底。为了加速天然气水合物的分解，可将海面温度较高的海水注入分解器内。

5.根据权利要求2所述的球形绞刀，其特征在于绞刀安装于绞刀臂的前端，吸泥管深入绞刀内，绞刀由大环、轮毂、刀臂和刀齿组成，刀臂为螺旋形状，一端固定在圆环形大环，另一端固定在圆筒形轮毂上，刀齿安装在刀臂的齿座上。