CN112228075B - 开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法，包括船体，其特征在于，所述船体包括水合物矿藏开采模块、中继站海水注入及泵送模块、太阳能发电模块、浆体分离模块，泥沙回填模块，所述太阳能发电模块和浆体分离模块为电性连接，所述浆体分离模块分别与泥沙回填模块和中继站海水泵送模块为电性连接，所述中继站海水泵送模块和水合物矿藏开采模块电性连接。本发明所提供的开采方法就地利用了海水实现密闭输送，管线内的水合物可实现可控分解，管线内水合物在提升过程中因温度压力的变化分解，产生的天然气使混合物密度降低、压力增大，从而实现水合物浆体的部分气自举，减轻输送功耗。

Description

开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法

技术领域

本发明涉及海底采矿技术领域，尤其是涉及一种开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法。

背景技术

众所周知，天然气水合物又称“可燃冰”，是天然气和水在高压低温的条件下组成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物，其能量密度、热值较的常规能源更高，每立方米的天然气水合物可释放出164m3甲烷。大多存在于深海沉积物或者陆域永久冻土层下面，被认为是最为清洁的能源。目前已探明的天然气水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油、天然气等的二倍，能极大地满足人类的能源需求。天然气水合物特别是海洋天然气水合物有可能成为页岩气、煤层气之后又一储量巨大的接替能源，海洋也随之成为未来天然气水合物资源开发的主要区域，但大部分天然气水合物储存在深水浅层未胶结的泥岩中，渗透性差，饱和度低，开采难度大。

世界各国天然气水合物的开采方法主要有注热法、降压法、注化学试剂法、气体置换法、联合开采等多种开采方法，我国工程院院士周守为首次提出天然气水合物固体流化绿色开采的方法。注热法是通过注入加热流体(蒸汽和热水等)或直接加热储层来提高水合物稳定区内的温度，从而引起水合物的溶解，但该方法存在热损失大、效率低、能耗高的缺点。降压法是在水合物储层下覆游离气区建立水平井，随着游离气的移除和随后的压力降低，上覆稳定区底部的水合物将分解为游离气并向下流入低压气层，由此可不断采获甲烷气体，该法的缺点是适合水合物储层以下圈闭有大量气体的矿床的开采，且降压开采速度慢，效率低。化学试剂法是向水合物储层注入盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等抑制剂，改变水合物相平衡温度和压力，促使水合物分解，这种开采方法存在试剂费用较昂贵、成本高，作用缓慢，且易引起海洋环境的污染的缺点。气体置换法通过二氧化碳、氮气等客体分子的注入来置换天然气水合物中的甲烷，使甲烷释放到孔隙流体中，同时能起到封存二氧化碳的作用，减少温室效应，气体置换法的主要制约因素是水合物储层的低渗透性，它会阻止注入气体的扩散。此外，注入的客气分子与游离相水溶液的结合会形成另外的水合物(如二氧化碳水合物)，不但会进一步降低渗透率，还会阻止从目标区获得被置换出的甲烷。我国工程院院士周守为首次提出天然气水合物固体流化绿色开采的方法，其原理为将深水浅层弱胶结的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的稳定性，实现天然气水合物的原位固态开发，避免了水合物分解带来的工程地质灾害和温室效应。

尽管许多国家对冻土区域和近海的天然气水合物进行了短期的试开采技术测试并取得诸多成果，但制约天然气水合物开发的技术瓶颈“环境安全和高效开发”还没有真正解决，天然气水合物的商业化开采仍然面临一系列安全问题和诸多技术难题，如潜在的工程地质风险，天然气水合物分解过程中将产生大量的水，面临地层出砂风险以及地层和井筒内水合物二次生成、砂堵等问题，日本的两次试开采均因砂堵问题而停止。因此，天然气水合物的高效开采是摆在各国科技工作者眼前的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决天然气水合物的商业化开采仍然面临一系列安全问题和诸多技术难题，如潜在的工程地质风险，天然气水合物分解过程中将产生大量的水，面临地层出砂风险以及地层和井筒内水合物二次生成、砂堵等问题，日本的两次试开采均因砂堵问题而停止的问题，现提供了一种开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，包括船体，所述船体包含有水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、太阳能发电模块、浆体分离模块和泥沙回填模块，所述太阳能发电模块分别与水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、浆体分离模块之间电连接，所述水合物矿藏开采模块用于开采弱天然气水合物并破碎输送至中继站海水泵送模块，所述中继站海水泵送模块将破碎的天然气水合物与海底沉积物进行分离并将分离出来的天然气水合物输送至浆体分离模块，所述浆体分离模块将天然气水合物再次破碎并加热分解处理，然后再将分解出来的天然气进行收集，所述泥沙回填模块将浆体分离模块分解后的碎石再次脱除回收天然气并回填至海底。

进一步地，所述水合物矿藏开采模块包含多孔钻头、海底自行采矿车、破岩机械和电动直驱泵，所述多孔钻头和破岩机械均设置在海底自行采矿车上，所述电动直驱泵一端与破岩机械连通，所述中继站海水泵送模块包含矿石中继仓、旋流除砂器、矿浆泵和注水泵，所述电动直驱泵另一端与矿石中继仓连通，所述矿石中继仓与旋流除砂器之间连通，所述旋流除砂器与矿浆泵的输入端连通，所述注水泵的输出端与矿石中继仓连通，所述浆体分离模块包含研磨机、抽水泵、分解器、大体积反应容器、甲烷集气瓶、二氧化碳进气瓶和增压泵，所述矿浆泵的输出端与研磨机连通，所述研磨机与分解器连通，所述抽水泵的输入端与分解器连通，所述分解器与大体积反应容器连通，所述大体积反应容器分别与增压泵的输入端和甲烷集气瓶连通，所述二氧化碳进气瓶与增压泵的输出端连通，所述泥沙回填模块包含除气器和气体回收装置，所述除气器与大体积反应容器连通，所述除气器与气体回收装置连通。

进一步地，所述浆体分离模块还包含缓冲器和干燥器，所述大体积反应容器、缓冲器、干燥器和甲烷集气瓶之间依次连通。

进一步地，所述大体积反应容器设置有压力表。

进一步地，所述矿石中继仓整体为锥形结构，所述矿石中继仓的顶端包含有固定接头，所述固定接头的底端设置有料仓，所述料仓的底端安装有液压模块，所述料仓的外侧设置有内壁，所述内壁的表面安装有弹簧杆，所述弹簧杆的外侧安装有用于减少矿石中继仓的轻微晃动的外挡板，所述外挡板为六边形结构设置，且外挡板和内壁通过弹簧杆弹性连接，所述外挡板之间为搭接设置，所述外挡板表面为三浦折叠结构设置。

一种使用开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置的开采方法，具体步骤如下：

S1：供电准备，船体到达指定海洋天然气水合物储层上方后，通过船体上的太阳能发电模块向浆体分离模块供电，浆体分离模块再分别向泥沙回填模块、中继站海水泵送模块和水合物矿藏开采模块供电；

S2：模块下放，将水合物矿藏开采模块首先下放入海底，再将中继站海水泵送模块和泥沙回填模块下放至海底中层处，并对矿石中继仓内注入海水，其中采矿的流程结构包括多孔钻头、海底自行采矿车、破岩机械、带浮体材料的软管、电动直驱泵、矿石中继仓和矿浆泵，并在船体上同时打开平台监控系统对流程监控，开始采掘海底天然气水合物，因水合物的开采在海底一定的温度压力下，水合物在此不会发生分解；

S3：海底采矿运作，水合物矿藏开采模块的海底自行采矿车采出弱胶结的天然气水合物后，经过破岩机械将采得的固体状天然气水合物进行破岩磨碎到一定尺寸，经过电动直驱泵及软管运送到矿石中继仓内；

S4：海面底侧处理，中继站海水泵送模块中经过破岩机械破岩磨碎至一定尺寸的天然气水合物固体颗粒，及海底沉积物在矿石中继站与中继站海水泵送模块的注水泵输送来的海洋表面海水充分混合，固体水合物颗粒及海底沉积物与水混合后由旋流除砂器进行初步脱除海底砂，后经矿浆泵增压后向采矿平台输送，当海洋天然气水合物储层较深时，设置有矿浆泵以便将水合物混合物顺利输送到平台，在水合物混合物向上提升的过程中，因混入了海洋表面海水及向上提升的压力逐步降低，部分水合物在管线内发生分解，这使得管线内的压力变大从而使得分解后得到的天然气能实现自举升，减轻了泵送的压力；

S5：船体模块处理，水合物混合物到达船体的平台后，由浆体分离模块的研磨机再次磨碎以便充分分解，经过再次磨碎的水合物混合物流入到分解器，分解器为双层容器，可以将船体上发动机的尾气从容器上部输入到容器的中间夹层，加热容器以加快水合物浆体的分解，经过充分分解后的水合物混合物流入到大体积反应容器，打开二氧化碳进气瓶，通过增压泵向反应容器中注入一定量的二氧化碳，使置换反应充分进行后，关闭二氧化碳进气瓶，结束二氧化碳置换天然气水合物反应，打开采气管一侧的单向阀，采出混合物气体从反应容器上部流出，通过缓冲器过滤分离出混合气体中的二氧化碳，甲烷气体进入甲烷集气瓶；

S6：残余物料处理，将步骤S5所分解得到的水，砂石等在大体积反应容器下部流出，经过泥沙回填模块的除气器再次脱除其中的天然气后经排污口排放至海底采空区域，脱除的气体经管线进入气体回收装置。

进一步地，将步骤S4中矿石中继仓内的天然气水合物固体颗粒与海洋表面海水充分混合，混合物中水的体积分数大于0.85。

本发明的有益效果是：

1、本发明开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法在使用时，开采方法就地利用了海水实现密闭输送，管线内的水合物可实现可控分解，保证了生产安全，达到绿色开采的目的，另外，管线内水合物在提升过程中因温度压力的变化分解，产生的天然气使混合物密度降低、压力增大，从而实现水合物浆体的部分气自举，减轻输送功耗。

2、本发明矿石中继仓的旋流除砂器可以将混合后的水合物混合物进行预除砂，将部分砂分离出来，降低了海底举升泵送系统的功耗，提高了有效输送效率。

3、本发明充分利用了深海地区充沛的太阳能，实现绿色开采，增加了船体蓄电池在白天的续航性，并且将固态流化开采与置换开采配合使用，较大提高了水合物的开采效率。

4、本发明在常规所使用的中继仓结构表面设置外挡板，经由外挡板的特殊结构以及内外筒的抗震结构，能够在海中避免因海水流动导致的中继仓晃动，避免中继仓内部的传感器以及电路构件由于整体晃动碰撞，降低使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的模块结构示意图；

图3是本发明的矿石中继仓结构剖面图；

图4是本发明的矿石中继仓结构俯视图；

图5是本发明的外挡板结构示意图。

图中：1、船体；2、多孔钻头；3、海底自行采矿车；4、破岩机械；5、电动直驱泵；6、矿石中继仓；601、固定接头；602、料仓；603、液压模块；604、内壁；605、弹簧杆；606、外挡板；7、旋流除砂器；8、矿浆泵；9、抽水泵；10、太阳能板；11、蓄电池；12、设备柜；13、研磨机；14、注水泵；15、分解器；16、大体积反应容器；17、压力表；18、缓冲器；19、干燥器；20、甲烷集气瓶；21、二氧化碳进气瓶；22、增压泵；23、除气器；24、气体回收装置。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，一种开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，包括船体1，所述船体1包含有水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、太阳能发电模块、浆体分离模块和泥沙回填模块，所述太阳能发电模块分别与水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、浆体分离模块之间电连接，所述太阳能发电模块包含太阳能板10、蓄电池11和设备柜12，所述太阳能板10与蓄电池11电性连接，所述蓄电池11与设备柜12电性连接，所述设备柜12包含有稳压器、接触器和继电器，所述水合物矿藏开采模块用于开采弱天然气水合物并破碎输送至中继站海水泵送模块，所述中继站海水泵送模块将破碎的天然气水合物与海底沉积物进行分离并将分离出来的天然气水合物输送至浆体分离模块，所述浆体分离模块将天然气水合物再次破碎并加热分解处理，然后再将分解出来的天然气进行收集，所述泥沙回填模块将浆体分离模块分解后的碎石再次脱除回收天然气并回填至海底。

所述水合物矿藏开采模块包含多孔钻头2、海底自行采矿车3、破岩机械4和电动直驱泵5，所述多孔钻头2和破岩机械4均设置在海底自行采矿车3上，所述电动直驱泵5一端与破岩机械4连通，所述中继站海水泵送模块包含矿石中继仓6、旋流除砂器7、矿浆泵8和注水泵14，所述电动直驱泵5另一端与矿石中继仓6连通，所述矿石中继仓6与旋流除砂器7之间连通，所述旋流除砂器7与矿浆泵8的输入端连通，所述注水泵14的输出端与矿石中继仓6连通，所述浆体分离模块包含研磨机13、抽水泵9、分解器15、大体积反应容器16、甲烷集气瓶20、二氧化碳进气瓶21和增压泵22，所述矿浆泵8的输出端与研磨机13连通，所述研磨机13与分解器15连通，所述抽水泵9的输入端与分解器15连通，所述分解器15与大体积反应容器16连通，所述大体积反应容器16分别与增压泵22的输入端和甲烷集气瓶20连通，所述二氧化碳进气瓶21与增压泵22的输出端连通，所述泥沙回填模块包含除气器23和气体回收装置24，所述除气器23与大体积反应容器16连通，所述除气器23与气体回收装置24连通。

所述浆体分离模块还包含缓冲器18和干燥器19，所述大体积反应容器16、缓冲器18、干燥器19和甲烷集气瓶20之间依次连通。

所述大体积反应容器16设置有压力表17。

所述矿石中继仓6整体为锥形结构，所述矿石中继仓6的顶端包含有固定接头601，所述固定接头601的底端设置有料仓602，所述料仓602的底端安装有液压模块603，所述料仓602的外侧设置有内壁604，所述内壁604的表面安装有弹簧杆605，所述弹簧杆605的外侧安装有外挡板606，所述外挡板606为六边形结构设置，且外挡板606和内壁604通过弹簧杆605弹性连接，所述外挡板606之间为搭接设置，所述外挡板606表面为三浦折叠结构设置。使矿石中继仓6整体在采用常规结构的同时，于料仓602底端设置带有液压模块603对料仓602内部进行加压，而加压过程将导致整体装置将产生一定程度的抖动，特别是在海中，在外部环境的海水流动影响下以及船体1和顶端固定接头601所固定的结构传导晃动，均会导致矿石中继仓6内部的各类传感器和电子监控设备受到碰撞晃动影响，因此在内壁604表面加装有外挡板606结构，外挡板606表面呈特殊的折叠结构，用于在海底阻挡和分隔海水所形成的波动，内侧则设置有弹簧杆605结构并连接至矿石中继仓6的内壁，形成内外的筒型抗震结构，在外部环境形成海底周期性的内部波辐射范围时，由于固定接头601和船体1连接固定内壁604，因此主要经由外挡板606和弹簧杆605吸收动能，减少整体晃动，在内壁604本身形成轻微晃动时，由于海底一般为静定情况下外挡板606为静定结构，于震动或船体1或海底自行采矿车3所传导的晃动在使矿石中继仓6具有摆动倾向时，外挡板606和弹簧杆605可将点阻力形成面阻力，进一步结合海水的流动阻力特性增加阻力面积，减少矿石中继仓6的轻微晃动幅度，避免形成钟摆运动，弹簧杆605结构则主要采用多个不锈钢伸缩杆和伸缩弹簧组成，且每个外挡板606所安装的弹簧杆605个数不少于三个，因此能够满足外挡板606的固定要求。

一种使用开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置的开采方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1：供电准备，船体1到达指定海洋天然气水合物储层上方后，通过船体1上的太阳能发电模块向浆体分离模块供电，浆体分离模块再分别向泥沙回填模块、中继站海水泵送模块和水合物矿藏开采模块供电；

S2：模块下放，将水合物矿藏开采模块首先下放入海底，再将中继站海水泵送模块和泥沙回填模块下放至海底中层处，并对矿石中继仓6内注入海水，其中采矿的流程结构包括多孔钻头2、海底自行采矿车3、破岩机械4、带浮体材料的软管、电动直驱泵5、矿石中继仓6和矿浆泵8，并在船体1上同时打开平台监控系统对流程监控，开始采掘海底天然气水合物，因水合物的开采在海底一定的温度压力下，水合物在此不会发生分解；

S3：海底采矿运作，水合物矿藏开采模块的海底自行采矿车3采出弱胶结的天然气水合物后，经过破岩机械4将采得的固体状天然气水合物进行破岩磨碎到一定尺寸，经过电动直驱泵5及软管运送到矿石中继仓6内；

S4：海面底侧处理，中继站海水泵送模块中经过破岩机械4破岩磨碎至一定尺寸的天然气水合物固体颗粒，及海底沉积物在矿石中继仓6与中继站海水泵送模块的注水泵14输送来的海洋表面海水充分混合，固体水合物颗粒及海底沉积物与水混合后由旋流除砂器7进行初步脱除海底砂，后经矿浆泵8增压后向采矿平台输送，当海洋天然气水合物储层较深时，仍设置有矿浆泵8以便将水合物混合物顺利输送到平台，在水合物混合物向上提升的过程中，因混入了海洋表面海水及向上提升的压力逐步降低，部分水合物在管线内发生分解，这使得管线内的压力变大从而使得分解后得到的天然气能实现自举升，减轻了泵送的压力；

S5：船体模块处理，水合物混合物到达船体1的平台后，由浆体分离模块的研磨机13再次磨碎以便充分分解，经过再次磨碎的水合物混合物流入到分解器15，分解器15为双层容器，可以将船体上发动机的尾气从容器上部输入到容器的中间夹层，加热容器以加快水合物浆体的分解，经过充分分解后的水合物混合物流入到大体积反应容器16，打开二氧化碳进气瓶21，通过增压泵22向反应容器中注入一定量的二氧化碳，使置换反应充分进行后，关闭二氧化碳进气瓶21，结束二氧化碳置换天然气水合物反应，打开采气管一侧的单向阀，采出混合物气体从反应容器上部流出，通过缓冲器18过滤分离出混合气体中的二氧化碳，甲烷气体进入甲烷集气瓶20；

S6：残余物料处理，将步骤S5所分解得到的水，砂石等在大体积反应容器下部流出，经过泥沙回填模块的除气器23再次脱除其中的天然气后经排污口排放至海底采空区域，脱除的气体经管线进入气体回收装置24。

将步骤S4中矿石中继仓6内的天然气水合物固体颗粒与海洋表面海水充分混合，混合物中水的体积分数大于0.85。

上述开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置及其开采方法在使用时，抽水泵9抽取海洋表面海水的速度根据海底自行采矿车3的开采量决定,一方面定时往大体积反应容器16中输送一定量的海水(温度一般在20℃左右,能促进水合物快速发生分解)；另一方面,在海水的冲刷作用下,将天然气水合物分解后剩下的沙石冲到大容器的底部，并从大体积反应容器16底部的管道将沙石排入海底，注水泵14向矿石中继仓6引射注入海水的温度为30摄氏度左右，水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流，温度过低又导致水合物二次生成或结冰，当海水注入到下部水合物层时与破碎后的水合物混合时，还有十几摄氏度的温差，这样可以充分利用海水的巨大热量，提高开采效率。另外，引射海水的速度根据海底采矿船的开采速度和破岩机械4的研磨速度决定，混合物中水的体积分数大于0.85为宜，减轻泵送的压力。

具体的，该装置由水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、太阳能发电模块、浆体分离模块和泥沙回填模块组成，操作人员在平台甲板控制室可以实时看到并监测海底采矿车的工作情况，船体1上的太阳能发电模块装有所组成的太阳能电力供应系统为整个系统提供电力，太阳能板10经由光能持续向蓄电池11充电，蓄电池11则延长整体的电能续航时间，增加能够持续工作的时间。

随后海底弱胶结天然气水合物经海底自行采矿车3采掘，原位水合物地层粉碎的颗粒直径设定在0.1～1.0cm之间，并将其通过电动直驱泵5泵入矿石中继仓6中。

其中旋流除砂器7设置在矿石中继仓6前端，根据天然气水合物沉积物中砂含量和密度，在海水与粉碎后的原位地层水合物混合后，泵送前端采用旋流除砂器7将部分砂分离出来，在降低海底举升系统功耗的同时，提高有效输送效率，增加举升过程中水合物的自然分解量。

注水泵14向矿石中继仓6引射注入海水的温度为30摄氏度左右，水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流，温度过低又导致水合物二次生成或结冰，当海水注入到下部水合物层时与破碎后的水合物混合时，还有十几摄氏度的温差，这样可以充分利用海水的巨大热量，提高开采效率。另外，引射海水的速度根据海底采矿船的开采速度和破岩机械的研磨速度决定，混合物中水的体积分数大于0.85为宜，减轻泵送的压力。

海洋水合物储层深度较大，为保证混合后的水合物浆体顺利运输至采矿平台，为避免矿石中继仓6矿浆泵的扬程不够，设置矿浆泵8，此矿浆泵8的具体位置也依据海底采矿船的开采量，混合后水合物浆体的流量等参数计算得到，矿浆泵8所输出的矿浆则主要来到研磨机13，经研磨后输出至分解器15中。

船体1上的分解器15为双层容器，可以将船体1上发动机的尾气从容器上部输入到容器的中间夹层，加热容器以加快水合物浆体的分解，变冷的气体从容器的下部排出，容器的中间夹层中亦可注入热蒸汽，具体根据采矿船或海洋平台的现场条件制定。

抽水泵9将海洋表面海水抽送至分解器15，一方面可以利用海洋表面海水的温度加热分解器15内的水合物浆体，同时，海水含有诸多盐类物质，亦可促进并辅助弱胶结天然气水合物的分解。

研磨机13设置在船体1的采矿平台，主要作用是破碎水合物矿石,利于水合物浆体分解进行，因为水合物从海底输送到海面时,由于温度升高、压力降低而发生分解,但由于水合物的分解是吸热反应,持续的开采将导致周围环境的温度降低,进而影响后续水合物的分解。

大体反应积容器16所自带的水泵抽取海洋表面海水的速度根据海底自行采矿车3的开采量决定,一方面定时往大体反应积容器16中输送一定量的海水(温度一般在20℃左右,能促进水合物快速发生分解)；另一方面,在海水的冲刷作用下,将天然气水合物分解后剩下的沙石冲到大体反应积容器16的底部，并从大体反应积容器16底部的管道将沙石排入海底，大体积反应容器16上还设有压力表17，甲板操作人员可以根据压力大小控制采矿车的开采量。

而大体积反应容器15所储存分解的气体、沙石和水，能够在缓冲器18、干燥器19、甲烷集气瓶20和二氧化碳进气瓶21处的设备进行二氧化碳置换反应，最后将余料排入除气器23中，除气器23能将含在沙石和水中的天然气再次分离并输到气体回收装置24脱水后进一步处理，气体回收装置24则作为脱水器，能够避免天然气排入海水并进入大气环境，对大气环境造成影响。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，包括船体(1)，其特征在于：所述船体(1)包含有水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、太阳能发电模块、浆体分离模块和泥沙回填模块，所述太阳能发电模块分别与水合物矿藏开采模块、中继站海水泵送模块、浆体分离模块之间电连接，所述水合物矿藏开采模块用于开采弱天然气水合物并破碎输送至中继站海水泵送模块，所述中继站海水泵送模块将破碎的天然气水合物与海底沉积物进行分离并将分离出来的天然气水合物输送至浆体分离模块，所述浆体分离模块将天然气水合物再次破碎并加热分解处理，然后再将分解出来的天然气进行收集，所述泥沙回填模块将浆体分离模块分解后的碎石再次脱除回收天然气并回填至海底；

所述水合物矿藏开采模块包含多孔钻头(2)、海底自行采矿车(3)、破岩机械(4)和电动直驱泵(5)，所述多孔钻头(2)和破岩机械(4)均设置在海底自行采矿车(3)上，所述电动直驱泵(5)一端与破岩机械(4)连通，所述中继站海水泵送模块包含矿石中继仓(6)、旋流除砂器(7)、矿浆泵(8)和注水泵(14)，所述电动直驱泵(5)另一端与矿石中继仓(6)连通，所述矿石中继仓(6)与旋流除砂器(7)之间连通，所述旋流除砂器(7)与矿浆泵(8)的输入端连通，所述注水泵(14)的输出端与矿石中继仓(6)连通；

所述矿石中继仓(6)的顶端包含有固定接头(601)，所述固定接头(601)的底端设置有料仓(602)，所述料仓(602)的底端安装有液压模块(603)，所述料仓(602)的外侧设置有内壁(604)，所述内壁(604)的表面安装有弹簧杆(605)，所述弹簧杆(605)的外侧安装有用于减少矿石中继仓(6)的轻微晃动的外挡板(606)，且外挡板(606)和内壁(604)通过弹簧杆(605)弹性连接，所述外挡板(606)之间为搭接设置，所述外挡板(606)表面为三浦折叠结构设置。

2.根据权利要求1所述的开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，其特征在于：所述浆体分离模块包含研磨机(13)、抽水泵(9)、分解器(15)、大体积反应容器(16)、甲烷集气瓶(20)、二氧化碳进气瓶(21)和增压泵(22)，所述矿浆泵(8)的输出端与研磨机(13)连通，所述研磨机(13)与分解器(15)连通，所述抽水泵(9)的输入端与分解器(15)连通，所述分解器(15)与大体积反应容器(16)连通，所述大体积反应容器(16)分别与增压泵(22)的输入端和甲烷集气瓶(20)连通，所述二氧化碳进气瓶(21)与增压泵(22)的输出端连通，所述泥沙回填模块包含除气器(23)和气体回收装置(24)，所述除气器(23)与大体积反应容器(16)连通，所述除气器(23)与气体回收装置(24)连通。

3.根据权利要求2所述的开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，其特征在于：所述浆体分离模块还包含缓冲器(18)和干燥器(19)，所述大体积反应容器(16)、缓冲器(18)、干燥器(19)和甲烷集气瓶(20)之间依次连通。

4.根据权利要求2所述的开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，其特征在于：所述大体积反应容器(16)设置有压力表(17)。

5.根据权利要求2所述的开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置，其特征在于：所述矿石中继仓(6)整体为锥形结构，所述外挡板(606)为六边形结构设置。

6.一种使用如权利要求3所述的开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置的开采方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1：供电准备，船体(1)到达指定海洋天然气水合物储层上方后，通过船体(1)上的太阳能发电模块向浆体分离模块供电，浆体分离模块再分别向泥沙回填模块、中继站海水泵送模块和水合物矿藏开采模块供电；

S2：模块下放，将水合物矿藏开采模块首先下放入海底，再将中继站海水泵送模块和泥沙回填模块下放至海底中层处，并对矿石中继仓(6)内注入海水，其中采矿的流程结构包括多孔钻头(2)、海底自行采矿车(3)、破岩机械(4)、带浮体材料的软管、电动直驱泵(5)、矿石中继仓(6)和矿浆泵(8)，并在船体(1)上同时打开平台监控系统对流程监控，开始采掘海底天然气水合物，因水合物的开采在海底一定的温度压力下，水合物在此不会发生分解；

S3：海底采矿运作，水合物矿藏开采模块的海底自行采矿车(3)采出弱胶结的天然气水合物后，经过破岩机械(4)将采得的固体状天然气水合物进行破岩磨碎到一定尺寸，经过电动直驱泵(5)及软管运送到矿石中继仓(6)内；

S4：海面底侧处理，中继站海水泵送模块中经过破岩机械(4)破岩磨碎至一定尺寸的天然气水合物固体颗粒，及海底沉积物在矿石中继仓(6)与中继站海水泵送模块的注水泵(14)输送来的海洋表面海水充分混合，固体水合物颗粒及海底沉积物与水混合后由旋流除砂器(7)进行初步脱除海底砂，后经矿浆泵(8)增压后向采矿平台输送，当海洋天然气水合物储层较深时，设置有矿浆泵(8)以便将水合物混合物顺利输送到平台，在水合物混合物向上提升的过程中，因混入了海洋表面海水及向上提升的压力逐步降低，部分水合物在管线内发生分解，这使得管线内的压力变大从而使得分解后得到的天然气能实现自举升，减轻了泵送的压力；

S5：船体模块处理，水合物混合物到达船体(1)的平台后，由浆体分离模块的研磨机(13)再次磨碎以便充分分解，经过再次磨碎的水合物混合物流入到分解器(15)，分解器(15)为双层容器，可以将船体上发动机的尾气从容器上部输入到容器的中间夹层，加热容器以加快水合物浆体的分解，经过充分分解后的水合物混合物流入到大体积反应容器(16)，打开二氧化碳进气瓶(21)，通过增压泵(22)向大体积反应容器(16)中注入一定量的二氧化碳，使置换反应充分进行后，关闭二氧化碳进气瓶(21)，结束二氧化碳置换天然气水合物反应，打开采气管一侧的单向阀，采出混合物气体从反应容器上部流出，通过缓冲器(18)过滤分离出混合气体中的二氧化碳，甲烷气体进入甲烷集气瓶(20)；

S6：残余物料处理，将步骤S5所分解得到的水和砂石，在大体积反应容器(16)下部流出，经过泥沙回填模块的除气器(23)再次脱除其中的天然气后经排污口排放至海底采空区域，脱除的气体经管线进入气体回收装置(24)。

7.根据权利要求6所述的使用开采海洋弱胶结非成岩天然气水合物装置的开采方法，其特征在于：将步骤S4中矿石中继仓(6)内的天然气水合物固体颗粒与海洋表面海水充分混合，混合物中水的体积分数大于0.85。

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