CN107100627B - 深海热液金属硫化物矿床原位种植系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，包括热液金属硫化物丘体、钻井套管、井口控制导流装置和流体混合控制罩，钻井套管穿入热液金属硫化物丘体，热液金属硫化物丘体由外向内依次为隔水层、热液流体富集层和丘体基岩，钻井套管在位于热液流体富集层位置的管壁开设有射孔，钻井套管的顶端设置井口控制导流装置，流体混合控制罩的底端开设有下开口，下开口套在钻井套管的顶端的四周，流体混合控制罩的顶端开设有上开口，流体混合控制罩的侧壁开设有若干个流体孔，流体混合控制罩的内壁设置有硫化物矿物涂层。本发明的有益效果：充分利用自然因素，培育深海热液金属硫化物矿床，以降低开采成本，避免污染环境。
Description
技术领域
本发明涉及深海金属硫化物勘探开采技术领域，特别是涉及一种深海热液金属硫化物矿床原位种植系统。
背景技术
现代深海热液金属硫化物矿床是具有战略意义的金属矿产资源，富含铁、铜、铅、锌、镍、钴、金、银、铂等金属元素，在全球大洋水深数百米到4000米处均有分布，主要赋存于大洋中脊、弧后盆地和地层断裂活动带。据初步估算，全球大洋海底共孕育着约900个独立的热液金属硫化物矿床，到目前为止，已经发现了约160余处，对数个洋中脊矿床的初步估计显示，其规模通常在100万到1亿吨之间，显示了热液矿床具有可观的资源保有量。与深海多金属结核或富钴结壳相比，海底热液硫化物具有水深小、品位高、易开采和选冶等优势。因此，其调查研究和开发活动对资源日渐匮乏的人类社会具有重大意义。
上世纪60年代，兴起了海底金属资源的开发，包括多金属结核、富钴结壳和热液金属硫化物矿床。经过几十年的研究与发展，取得了长足的进步。即便如此，当前深海金属硫化物的开采仍存在一定困难，主要有：1)开采成本高：海底硫化物的品味虽高，但如达不到一定的开采规模，成本必然要高过陆地，而且矿石的运输，银、铜、锌、铅等金属的回收、冶炼成本也相对高；2)思路过于传统，技术上仍欠成熟：深海多金属结核、富钴结壳以及深海油气的开采技术和经验只能有限地为热液硫化物的开采提供借鉴意义，尚需另辟蹊径，针对海底矿床的成矿特点，创新思维，设计更加合理和有针对性的勘探和开采方案；3)环境风险：海底采矿一旦进入实施阶段，就会不可避免地对海洋环境带来风险，包括水体污染、海底滑坡，特别是可能破坏热液区独特的生物生态群落，造成生态灾难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，充分利用自然因素，培育深海热液金属硫化物矿床，以降低开采成本，避免污染环境。
本发明提供一种深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，包括热液金属硫化物丘体、钻井套管、井口控制导流装置和流体混合控制罩，钻井套管穿入热液金属硫化物丘体，热液金属硫化物丘体由外向内依次为隔水层、热液流体富集层和丘体基岩，钻井套管在位于热液流体富集层位置的管壁开设有射孔，钻井套管的顶端设置井口控制导流装置，流体混合控制罩的底端开设有下开口，下开口套在钻井套管的顶端的四周，流体混合控制罩的顶端开设有上开口，流体混合控制罩的侧壁开设有若干个流体孔，流体混合控制罩的内壁设置有硫化物矿物涂层。
进一步的，井口控制导流装置包括气压流量控制阀和流体温度计，气压流量控制阀设置于钻井套管上，流体温度计的温度感测端设置于钻井套管的顶端出口处。
进一步的，流体混合控制罩为圆台结构，圆台结构的流体混合控制罩的圆形底面的中央开设圆形下开口，圆台结构的流体混合控制罩的顶端开设圆形上开口。
进一步的，圆台结构的流体混合控制罩的圆形底面的直径为16m、高为20m，圆形下开口的直径为6m，圆形上开口的直径为4m。
进一步的，流体混合控制罩的外壁设置有不锈钢外层。
进一步的，钻井套管的顶端出口设置有大颗粒过滤网。
进一步的，钻井套管的顶端设置有架设于海底上的井口支架。
进一步的，钻井套管的外侧填充有水泥井壁。
进一步的，深海热液金属硫化物矿床原位种植系统还包括移动钻井平台，移动钻井平台经钻杆钻探热液金属硫化物丘体形成自然井，钻井套管插入自然井中以穿入热液金属硫化物丘体。
进一步的，移动钻井平台包括钻井工程船舶和设置于钻井工程船舶上的钻井平台。
与现有技术相比，本发明的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统具有以下特点和优点：
1、本发明的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，通过控制混合流体的温度、流量、压力等因素以诱导成核，可有效提高矿石品味，提高经济收益；
2、本发明的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，充分利用自然因素，培育深海热液金属硫化物矿床，生长过程中不需要任何养护成本；
3、本发明的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，不需要大规模海底采掘，大大降低了环境风险，避免污染环境。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中深海热液金属硫化物矿床原位种植系统的示意图；
图2为本发明实施例中深海热液金属硫化物矿床原位种植系统部分结构的示意图；
图3为本发明实施例中流体混合控制罩的示意图；
其中，1、钻井工程船舶，2、钻井平台，3、流体混合控制罩，4、上开口，5、硫化物矿物涂层，6、流体孔，7、海水，8、热液流体，9、井口控制导流装置，91、热液流体喷嘴，92、阀门仪表控制台，93、气压流量控制阀，94、流体温度计，95、井口支架，96、大颗粒过滤网，97、水泥井壁，98、自然井，99、海底，10、钻井套管，11、射孔，12、热液金属硫化物丘体，13、隔水层，14、热液流体富集层，15、丘体基岩。
具体实施方式
海底金属硫化物矿床的热液黑烟囱，是富含铁、铜、锌等金属元素的高温、还原性热液流体8从热液金属硫化物丘体12的热液喷口中喷出后与周围冷的、氧化性海水7混合沉淀的结果。由于下部反应区中发生的“相分离”作用，高温热液流体8与海水7相比具有很大的浮力，因此能迅速喷出海底。当热液流体8的温度≥350℃时，主要形成由富铜硫化物和硫酸盐组成的黑烟囱体，当热液流体8的温度在100-350℃之间时，主要形成由硅质、硫酸盐及少量富Zn硫化物和白铁矿组成的白烟囱体。
通过对21°N EPR地区的黑烟囱体研究后建立的模式，一直沿用至今。该模式表明，烟囱体的形成明显分为两个阶段：首先，当偏酸性富含金属、硫化物以及Ca的热液流体8以每秒数米的速度与周围偏碱性的贫金属、硫酸盐以及富Ca的较冷(约2℃)海水7混合时，硬石膏(CaSO4)和细粒的Fe、Zn以及Cu-Fe金属硫化物就会产生沉淀。围绕喷口附近产生的环状硬石膏沉淀将会阻滞热液与海水7的直接混合，并且为其它矿物的沉淀提供基底；第二阶段，在环状硬石膏形成通道内，黄铜矿(CuFeS2)开始沉淀，热液流体8与海水7通过新形成的且疏松多孔的烟囱体壁进行扩散或对流。这些过程导致了硫化物和硫酸盐的达到饱和，并在烟囱体壁的孔隙中沉淀下来，使烟囱体壁渗透性降低。在烟囱体通道继续保持畅通的条件下，大部分流体会通过其顶部进入海水7，形成规模较大的热液羽流并导致大量矿物沉淀的发生。这样，一个完整的热液烟囱体就形成了。
根据以上成矿原理，为达到控制烟囱体生长，并且有利于开采的目标，本实施例提供一种深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，模拟早期形成的低温石膏和硫酸盐外壁，达到控制烟囱体内部流体温度和矿物生长速率的目的。本实施例的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统包括移动钻井平台、钻井套管10、井口控制导流装置9和流体混合控制罩3等功能单元。
如如图1至图3所示，移动钻井平台包括钻井工程船舶1和设置于钻井工程船舶1上的钻井平台2，钻井平台2经钻杆钻探热液金属硫化物丘体12形成自然井98，钻井套管10插入自然井98中以穿入热液金属硫化物丘体12。热液金属硫化物丘体12由外向内依次为隔水层13、热液流体富集层14和丘体基岩15，钻井套管10在位于热液流体富集层14位置的管壁开设有射孔11。钻井套管10的顶端设置井口控制导流装置9，井口控制导流装置9包括气压流量控制阀93和流体温度计94，气压流量控制阀93设置于钻井套管10上并装配于阀门仪表控制台92上，流体温度计94的温度感测端设置于钻井套管10的顶端出口处。钻井套管10的顶端出口设置有大颗粒过滤网96，热液流体喷嘴91连接钻井套管10，钻井套管10的顶端设置有架设于海底99上的井口支架95，钻井套管10的外侧与自然井98之间填充有水泥井壁97。流体混合控制罩3为圆台结构，圆台结构的流体混合控制罩3的圆形底面的中央开设圆形下开口，圆台结构的流体混合控制罩3的顶端开设圆形上开口4，流体混合控制罩3的外壁设置有不锈钢外层，厚度为2cm。本实施例中，圆台结构的流体混合控制罩3的圆形底面的直径为16m、高为20m，圆形下开口的直径为6m，圆形上开口4的直径为4m。流体混合控制罩3的下开口套在钻井套管10的顶端的四周，流体混合控制罩3的顶端开设有上开口4，流体混合控制罩3的侧壁开设有若干个流体孔6，流体孔6的大小和数量可根据热液流体8的流量和温度调节，热液流体8的温度越高，流体孔6开口越大，个数越多，反之，开口越小，个数越少。流体孔6的存在可供周围冷的海水7进入，与高温热液流体8在流体混合控制罩3内混合。流体混合控制罩3的内壁设置有硫化物矿物涂层5，如黄铁矿、黄铜矿、铅锌矿和闪锌矿，以诱导成核的原理控制生成矿物成分，厚度为1cm。流体混合控制罩3整体可减少高温热液流体8向周围海水7散失的速度，保持相对较高的温度，以供热液流体8在硫化物矿物涂层5迅速成核成矿，同时有效降低矿体内经济意义较差的低温矿物(如石膏和蛋白石)占比，剩余的流体或气体在浮力的作用下通过上开口4向上自由散失，以确保成矿早期在中心形成高温流体的通道，保证下部流体自钻井套管10源源不断地向上供应。
本实施例的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，按如下流程进行生产：在钻井工程船舶1的支持下，利用钻井平台2在热液金属硫化物丘体12上钻井，钻穿隔水层13，进入热液流体富集层14，一般最终需在丘体基岩15终孔形成自然井98。钻完之后，钻杆回撤，图1中的钻杆仅起到示意作用，并不包括在后期的系统中。钻井套管10插入自然井98中以穿入热液金属硫化物丘体12，在热液流体富集层14处的射孔11引导下，热液流体8进入钻井套管10内。大颗粒过滤网96过滤掉有可能堵塞钻井套管10的大颗粒物后，热液流体8经井口控制导流装置9进入流体混合控制罩3内。通过井口控制导流装置9中的气压流量控制阀93，可以调节热液流体8的流量和压力，获得最适宜的热液流体8，另外，流体温度计94可用来原位测量热液流体8的温度，以便选择具有合适流体孔6大小和设置密度的流体混合控制罩3，以确保有效控制周围冷海水7和热液流体8的混合过程，保持流体混合控制罩3内具有一定的温度，在内层硫化物矿物涂层5上迅速成核成矿。本实施例中的圆台结构的流体混合控制罩3的圆形底面的直径为16m、高为20m，圆形下开口的直径为6m，圆形上开口4的直径为4m。在高温流体温度达到300度以上的条件下，预计流体混合控制罩3内完全填满金属硫化物需要6-12个月左右。钻井完成后，可利用海底工程机器人进行流体混合控制罩3的布放，一个种植周期完成后，可利用工程机器人自控制流体混合控制罩3的罩底切割，然后利用工程船舶平台将将圆台形硫化物矿体吊装到海面，这样就完成了一个种植周期。
本实施例的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，除了投放和收割需要一部分投入外，生长过程中不需要任何养护成本，由于不需要大规模海底采掘，也大大降低了环境风险。另外，通过控制混合流体的温度、流量、压力等因素以诱导成核，可有效提高矿石品味，提高包括Cu、Zn、Fe等元素的含量，提高经济收益。如果在一个普通的热液场(约数百平方米至数平方公里)同时种植数十至数百个深海热液金属硫化物矿床，则会有非常可观的收益。深海热液金属硫化物矿床原位种植系统的提出和应用，标志着人类深海矿产勘探和开采自盲目程度较高的游牧式阶段进入了一个可施加更多控制作用的集约化种植阶段。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：包括热液金属硫化物丘体、钻井套管、井口控制导流装置和流体混合控制罩，钻井套管穿入热液金属硫化物丘体，热液金属硫化物丘体由外向内依次为隔水层、热液流体富集层和丘体基岩，钻井套管在位于热液流体富集层位置的管壁开设有射孔，钻井套管的顶端设置井口控制导流装置，流体混合控制罩的底端开设有下开口，下开口套在钻井套管的顶端的四周，流体混合控制罩的顶端开设有上开口，流体混合控制罩的侧壁开设有若干个流体孔，流体混合控制罩的内壁设置有硫化物矿物涂层。
2.根据权利要求1所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：井口控制导流装置包括气压流量控制阀和流体温度计，气压流量控制阀设置于钻井套管上，流体温度计的温度感测端设置于钻井套管的顶端出口处。
3.根据权利要求1所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：流体混合控制罩为圆台结构，圆台结构的流体混合控制罩的圆形底面的中央开设圆形下开口，圆台结构的流体混合控制罩的顶端开设圆形上开口。
4.根据权利要求3所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：圆台结构的流体混合控制罩的圆形底面的直径为16m、高为20m，圆形下开口的直径为6m，圆形上开口的直径为4m。
5.根据权利要求1所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：流体混合控制罩的外壁设置有不锈钢外层。
6.根据权利要求1所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：钻井套管的顶端出口设置有大颗粒过滤网。
7.根据权利要求1所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：钻井套管的顶端设置有架设于海底上的井口支架。
8.根据权利要求1所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：钻井套管的外侧填充有水泥井壁。
9.根据权利要求1至8任一项所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：深海热液金属硫化物矿床原位种植系统还包括移动钻井平台，移动钻井平台经钻杆钻探热液金属硫化物丘体形成自然井，钻井套管插入自然井中以穿入热液金属硫化物丘体。
10.根据权利要求9所述的深海热液金属硫化物矿床原位种植系统，其特征在于：移动钻井平台包括钻井工程船舶和设置于钻井工程船舶上的钻井平台。
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