CN113494274A - 海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采方案 - Google Patents

海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采方案，包括可燃冰采集物料输送软管，输送软管底端连接有海底沉积物破碎器，输送软管上装设有抽吸泵和初级粉碎输送泵，初级粉碎输送泵将被抽吸的可燃冰沉积物粉碎以免造成输送软管堵塞，输送软管上装设有中继增压输送泵，中继增压输送泵用于增强输送流量和扬程，输送软管顶端连接海底沉积物料劲磨器，劲磨器上端端口处设有砂浆流导流罩，海底沉积物料劲磨器置于可燃冰释压气化竖井内，可燃冰释压气化竖井倒插于海水中，竖井顶端密封连接甲烷气体储气罐；本发明同现有技术相比，不会发生甲烷泄漏，实现了固、液、气全流程封闭无泄漏操作，解决了海底可燃冰开采中甲烷泄漏的难题。

Description

海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采方案
[技术领域]
本发明涉及可燃冰开采技术领域，具体地说是一种海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采系统及其开采方法。
[背景技术]
可燃冰是天然气水化合物(Natural Gas Hydrate)的俗称，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，它是由甲烷分子和水分子在低温、高压条件下形成的结晶状笼形固态结合物，分子式为CH4·8H2O，可燃冰中甲烷的含量占80～90％，燃烧时能产生大量热能，并且比煤、石油、天然气所产生的污染小很多，它分布于南北两极水深大于100-250米或热带海域500米以下的海底沉积物中。
在有些海域，可燃冰直接裸露于海床表面，例如，在日本本州岛岸线30英里外，科学家发现了一条海沟，在海沟内可燃冰呈水晶状，他们就出现在海床表面，厚度达500米，估计储量达40万亿立方米。在我国南海，也发现了大面积裸露海床表面的可燃冰。根据初步勘探以及专家们的初步估计，世界可燃冰储量可提供人类使用1000年，是世界公认的21世纪替代能源和清洁能源。
自然状态的可燃冰呈固体状态，而且分布很分散，因此对可燃冰的开采不可能像开采石油和天然气那样自行喷出、或采用抽吸方式进行开采。可燃冰的分子结构非常不稳定，如果将一块可燃冰从海底取出拿至海表面，由于压力和温度变化，它将由固体变成气体，很容易泄漏到大气中。而甲烷进入大气所产生的温室效应是CO2的21倍，会造成严重的环境灾难。
目前世界上有不少国家进行可燃冰开采方法的研究，要求做到开采成本低，符合商业开发需要，又要做到在开采时不能有甲烷泄漏到海水及大气中，防止环境灾难。总结起来，正在研究和实验的可燃冰开采主要为以下五种方法：(1)热激发开采法、(2)减压开采法、(3)化学试剂注入开采法、(4)CO2置换开采法、(5)固体开采法。
通过分析以上几种开采方法都存在开采现场破坏了可燃冰原生态的固态状态的情况，这将不可避免地使部分甲烷泄漏至海水，并最终进入大气层。即使我国南海海域的试开采是在海床之下数百米处的沉积层中将可燃冰粉碎成砂浆，但是不能保证将这些含有可燃冰的砂浆抽取干净。由于它们原始的固体状态已经被破坏，已经从原始的附着物上剥离，成为游离状杰，这种处于游离状态的甲烷最终会通过渗透、扩散等各种途径进入海水，并进入大气层。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采系统，该系统不会发生甲烷泄漏，实现了固、液、气全流程封闭无泄漏操作，解决了海底可燃冰开采中甲烷泄漏的难题。
为实现上述目的设计一种海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采系统，包括可燃冰采集物料输送软管15，所述可燃冰采集物料输送软管15底端伸至海底，且底端连接有海底沉积物破碎器10，所述海底沉积物破碎器10插入海底地层并将沉积物进行破碎，所述可燃冰采集物料输送软管15上装设有抽吸泵8和初级粉碎输送泵12，所述抽吸泵8用于对破碎的可燃冰沉积物进行抽吸，所述抽吸泵8输出端连接初级粉碎输送泵12，所述抽吸泵8将被抽吸的可燃冰沉积物输送至初级粉碎输送泵12，所述初级粉碎输送泵12将被抽吸的可燃冰沉积物进行粉碎以免造成可燃冰采集物料输送软管15堵塞，所述可燃冰采集物料输送软管15上装设有中继增压输送泵13，所述中继增压输送泵13与初级粉碎输送泵12的输出端连接，所述中继增压输送泵13用于增强输送的流量和扬程，所述可燃冰采集物料输送软管15顶端连接有海底沉积物料劲磨器6，所述海底沉积物料劲磨器6上端端口处设有砂浆流导流罩7，所述海底沉积物料劲磨器6置于可燃冰释压气化竖井5内，所述可燃冰释压气化竖井5倒插于海水中，所述可燃冰释压气化竖井5顶端密封连接甲烷气体储气罐2，自海底取得的含可燃冰沉积物经海底沉积物料劲磨器6被充分粉碎而成为含甲烷气的砂浆，砂浆中的甲烷气被收集于甲烷气体储气罐2中。
进一步地，所述可燃冰采集物料输送软管15底端端口处设置有抽吸物料导流罩11，所述抽吸物料导流罩11设于海底沉积物破碎器10上方，并罩设于海底沉积物破碎器10外围，所述抽吸物料导流罩11用于增强对下方破碎物的抽吸力度，以保证被破碎的物料尽数吸走，不留残余。
进一步地，所述中继增压输送泵13上设置有浮子14，所述浮子14用于作为中继增压输送泵13和可燃冰采集物料输送软管15的浮力支撑体。
进一步地，所述中继增压输送泵13设置有至少两个，至少两个中继增压输送泵13用于保证在更大范围、更深的海底使得采集物输送畅通。
进一步地，所述海底沉积物料劲磨器6包括劲磨器管道，所述劲磨器管道内安装有一串高速旋转的刀片，所述刀片用于将进入劲磨器管道内的物料进行切割粉碎。
进一步地，所述可燃冰释压气化竖井5的下沉深度与甲烷气体储气罐2内的最大设计气压强度相适应，以保证甲烷气体储气罐2中的甲烷不会通过可燃冰释压气化竖井5的下端开口外溢。
进一步地，所述甲烷气体储气罐2通过管道连接至甲烷气净化液化加工厂3，所述甲烷气净化液化加工厂3通过管道连接液态甲烷储气罐4。
本发明还提供了一种海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采方法，包括以下步骤：
1)将潜水式可燃冰采集船9开到作业地点，将海底沉积物破碎器10插入海底地层，对沉积物进行破碎；
2)利用抽吸泵8对破碎的可燃冰沉积物进行抽吸，将被抽吸的可燃冰沉积物输送到初级粉碎输送泵12，进一步将被抽吸物中的大块物体粉碎为较小体积，以免造成可燃冰采集物料输送软管15堵塞；
3)可燃冰采集物料输送软管15另一端与海底沉积物料劲磨器6相连，海底沉积物料劲磨器6将进入管道内的物料进行切割粉碎，使得从海底取得的含可燃冰沉积物被彻底粉碎，其中的甲烷被彻底释压变成气体；
4)可燃冰被彻底释压而成为含甲烷气的砂浆，从海底沉积物料劲磨器6的上端被排出，并在砂浆流导流罩7的作用下，向可燃冰释压气化竖井5的井壁方向喷射；
5)在可燃冰释压气化竖井5中，砂浆中的甲烷气以气泡状态上浮，最终被收集于甲烷气体储气罐2中，砂浆中的沙、石成分由于比重较大下沉，并通过可燃冰释压气化竖井5的下端开口排入海中。
进一步地，所述甲烷气体储气罐2中的甲烷通过管道输送至甲烷气净化液化加工厂3，加工成液化甲烷后输入到液态甲烷储罐4，并通过液化甲烷运输管对外运输。
本发明同现有技术相比，适用于海底浅表层可燃冰的开采，由于是在开采物处于固态状态下进行破碎，并将其抽吸到运输管道中完成物料的输送，且可燃冰的释压气化及甲烷的收集是在倒插于海水的竖井中进行，从而不会发生甲烷泄漏，实现了固、液、气全流程封闭无泄漏操作，解决了海底可燃冰开采中甲烷泄漏的难题。
[附图说明]
图1是本发明的结构示意图；
图2是可燃冰固、液、气三态存在深度示意图；
图中：1、半潜式海上工作平台 2、甲烷气体储气罐 3、甲烷气净化液化加工厂 4、液态甲烷储气罐 5、可燃冰释压气化竖井 6、海底沉积物料劲磨器 7、劲磨器砂浆流导流罩8、抽吸泵 9、潜水式可燃冰采集船 10、海底沉积物破碎器 11、抽吸物料导流罩 12、初级粉碎输送泵 13、中继增压输送泵 14、浮子 15、可燃冰采集物料输送软管。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1所示，本发明提供了一种海底可燃冰开发物流中固、液、气三态全封闭无泄漏开采系统，包括可燃冰采集物料输送软管15，可燃冰采集物料输送软管15底端伸至海底，且底端连接有海底沉积物破碎器10，海底沉积物破碎器10插入海底地层并将沉积物进行破碎，可燃冰采集物料输送软管15上装设有抽吸泵8和初级粉碎输送泵12，抽吸泵8用于对破碎的可燃冰沉积物进行抽吸，抽吸泵8输出端连接初级粉碎输送泵12，抽吸泵8将被抽吸的可燃冰沉积物输送至初级粉碎输送泵12，初级粉碎输送泵12将被抽吸的可燃冰沉积物进行粉碎以免造成可燃冰采集物料输送软管15堵塞，可燃冰采集物料输送软管15上装设有中继增压输送泵13，中继增压输送泵13与初级粉碎输送泵12的输出端连接，中继增压输送泵13用于增强输送的流量和扬程，可燃冰采集物料输送软管15顶端连接有海底沉积物料劲磨器6，海底沉积物料劲磨器6上端端口处设有砂浆流导流罩7，海底沉积物料劲磨器6置于可燃冰释压气化竖井5内，可燃冰释压气化竖井5倒插于海水中，可燃冰释压气化竖井5顶端密封连接甲烷气体储气罐2，自海底取得的含可燃冰沉积物经海底沉积物料劲磨器6被彻底释压而成为含甲烷气的砂浆，砂浆中的甲烷气被收集于甲烷气体储气罐2中。
其中，可燃冰采集物料输送软管15底端端口处设置有抽吸物料导流罩11，抽吸物料导流罩11设于海底沉积物破碎器10上方，并罩设于海底沉积物破碎器10外围，抽吸物料导流罩11用于增强对下方破碎物的抽吸力度；中继增压输送泵13设置有至少两个，至少两个中继增压输送泵13用于保证在范围更大、更深的海底使得采集物输送畅通；中继增压输送泵13上设置有浮子14，浮子14用于作为中继增压输送泵13和可燃冰采集物料输送软管15的浮力支撑体。
海底沉积物料劲磨器6包括劲磨器管道，劲磨器管道内安装有一串高速旋转的刀片，刀片用于将进入劲磨器管道内的物料进行切割粉碎。可燃冰释压气化竖井5的下沉深度与甲烷气体储气罐2内的最大设计气压强度相适应，以保证甲烷气体储气罐2中的甲烷不会通过可燃冰释压气化竖井5的下端开口外溢。甲烷气体储气罐2通过管道连接至甲烷气净化液化加工厂3，甲烷气净化液化加工厂3通过管道连接液态甲烷储气罐4。
本发明所述的海底可燃冰开发物流中固、液、气三态全封闭无泄漏开采系统由海底沉积物采集系统、沉积物输送系统、可燃冰释压系统以及甲烷气体加工系统等四部分构成，其开采方法包括以下步骤：
1、将潜水式可燃冰采集船(9)，开到作业地点。
2、将海底沉积物破碎器(10)插入海底地层，将沉积物进行破碎。
3、抽吸泵(8)用于对破碎的可燃冰沉积物进行抽吸，抽吸管道端口的抽吸物料导流罩(11)是为了增强对下方破碎物的抽吸力度。
4、将被抽吸的可燃冰沉积物输送到初级粉碎输送泵(12)，进一步将被抽吸物中的大块物体粉碎为较小体积，以免大块物体在输送过程中，在可燃冰采集物料输送软管(15)中被卡住，造成输送管道堵塞。
5、可燃冰采集物料输送软管(15)途中的中继增压输送泵(13)是为了增强输送的流量和扬程，该种中继输送泵可以在管线中增设多个，以保证采集船能在更大的范围、更深的海底工作，并保证采集物的输送畅通；中继输送泵上的浮子(14)是为了使增压泵和管路有足够的浮力支撑。
6、可燃冰采集物料输送软管(15)与海底沉积物料劲磨器(6)相连。海底沉积物料劲磨器(6)根据九阳牌豆浆机工作原理而设计，九阳牌豆浆机使用劲磨器研磨的豆浆，由于研磨彻底，豆渣很细而无需过滤。具体地，该海底沉积物料劲磨器(6)是在一个管道内，安装一串高速旋转的刀片，将进入此管道内的物料进行切割粉碎，由于此管道比较狭窄，物料在此被切割的几率增大，粉碎比较彻底。从海底取得的含可燃冰沉积物在此必将被彻底粉碎，其中的甲烷被彻底释压变成气体。
7、可燃冰被彻底释压而成为含甲烷气的砂浆，从劲磨器的上端被排出，由于砂浆流导流罩(7)的作用，砂浆不是直接上喷，而是被导流罩引向释压坚井的井壁方向喷射。在可燃冰释压气化竖井(5)中，砂浆中的甲烷气以气泡状态上浮，最终被收集于甲烷气体储气罐(2)中，砂浆中的沙、石成分，由于比重较大下沉，通过竖井的下端开口，排入海中。从而，在该可燃冰释压气化竖井(5)内，完成了甲烷与矿渣的分离工序。
8、甲烷气体储气罐(2)中，由于储入气体的质量增大，罐内压强增大，这将造成竖井内的水位下降，因此竖井的下沉深度必须要与储气罐内的最大设计气压强度相适应，以保证储气罐中的甲烷不可能通过坚井的下端开口外溢。
9、甲烷气体储气罐(2)中的甲烷用管道输送至甲烷气净化液化加工厂(3)或加工成液化甲烷并输入到液态甲烷储气罐(4)并通过液化甲烷运输管对外运输。
本发明所述开采方法的基本思想为：在海洋的底部，由于存在巨大的水层压强及低温条件，可燃冰呈固体状态，由此它们才能结附在海底沉积物中，稳定地在海底存在上亿年之久，而未对人类的生存造成威胁。一旦这些可燃冰脱离了海床进入水体，由于它的密度为0.9克/立方厘米，必然会向上漂浮在上浮过程中压力逐渐减小，温度上升，可燃冰将经历固态一液态一气态的变化过程。相对于这种变化过程，海洋中存在着相应的三个深度区域，在每个深度范围内，可燃冰处于某一物态状况：如附图2所示，可燃冰在海床及在海床临近海水层内呈固态，在此之上依次变成液态区和气泡区。在固态区域内，可燃冰虽然脱离了海底附着物，但它仍然保持着固体状态，人们仍可以用各种采集手段进行收集一旦进入到液态区、气态区后，只能听任其在海水中四处流散，因此，对可燃冰的开采，必须要在其在固态的状态下将其开采并将其导入封闭容器中进行释压分解成甲烷气，对于开采时的残留物也必须在固态区内收集干净。以上即为本发明开采方法的基本思想。
本发明的设计原则是：一方面，可燃冰在未进入到人们可控制的密闭容器前，决不能改变可燃冰的原生固体状态。另一方面，可燃冰的释压气化过程必须在与外界海水和大气隔绝的封闭环境中进行。由于研究了可燃冰从海底开采，运输到海面，需要进行加工精取，排渣等各个物流环节中，由于压强、温度变化物流质发生固态→液态→气态的变化特点，将海洋分为固态深度区、液态深度区、气态深度区，对此三个深度区的物流采取不同的管理控制措施，实现了固、液、气全流程封闭无泄漏操作，从而解决了海底可燃冰开采中甲烷泄漏的难题。
本发明所述的可燃冰开采方法是将海底可燃冰沉积物在固体的状态下进行开采并导入封闭容器中进行释压分解成甲烷气体，解决了可燃冰沉积物在封闭管道输送的阻塞问题和甲烷泄漏问题。开采时还需注意以下：
(1)为了防止海底沉积物堵塞输送管道，必须保证运输物体足够小的尺度，因此在进入抽吸管前，必须使用海底沉积物破碎器进行破碎；破碎器刀具可参考日常生活中刨萝卜丝的那种刀具创刀的孔径要小于抽吸管口径一定的比例，防止大块沉积物进入输送软管，造成堵塞。
(2)需要控制单位时间内沉积物开采量、抽吸量，以确保抽吸的水流量和沉积物流量之比在合理的范围内，防止在输送软管中发生物料沉积堵塞。
(3)中继增压泵外的浮子可以参考海上石油勘探中的漂浮电缆原理，通过实验确定浮体体积大小，以将其中的增压泵系统调整成浮力与重力相平衡状态，保证整个输送软管在海中的悬浮状态不受影响。
(4)坚井的下沉深度，必须要与储气罐内的最大设计气压强度相话应，以保证储气罐中的甲烷不可能通过竖井的下端开口外溢；如，在储气罐为2大气压下，建议竖井内海平面深度大于20米(例如为25米)。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采系统，其特征在于：包括可燃冰采集物料输送软管(15)，所述可燃冰采集物料输送软管(15)底端伸至海底，且底端连接有海底沉积物破碎器(10)，所述海底沉积物破碎器(10)插入海底地层并将沉积物进行破碎，所述可燃冰采集物料输送软管(15)上装设有抽吸泵(8)和初级粉碎输送泵(12)，所述抽吸泵(8)用于对破碎的可燃冰沉积物进行抽吸，所述抽吸泵(8)输出端连接初级粉碎输送泵(12)，所述抽吸泵(8)将被抽吸的可燃冰沉积物输送至初级粉碎输送泵(12)，所述初级粉碎输送泵(12)将被抽吸的可燃冰沉积物进行粉碎以免造成可燃冰采集物料输送软管(15)堵塞，所述可燃冰采集物料输送软管(15)上装设有中继增压输送泵(13)，所述中继增压输送泵(13)与初级粉碎输送泵(12)的输出端连接，所述中继增压输送泵(13)用于增强输送的流量和扬程，所述可燃冰采集物料输送软管(15)顶端连接有海底沉积物料劲磨器(6)，所述海底沉积物料劲磨器(6)上端端口处设有砂浆流导流罩(7)，所述海底沉积物料劲磨器(6)置于可燃冰释压气化竖井(5)内，所述可燃冰释压气化竖井(5)倒插于海水中，所述可燃冰释压气化竖井(5)顶端密封连接甲烷气体储气罐(2)，自海底取得的含可燃冰沉积物经海底沉积物料劲磨器(6)被彻底释压而成为含甲烷气的砂浆，砂浆中的甲烷气被收集于甲烷气体储气罐(2)中。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可燃冰采集物料输送软管(15)底端端口处设置有抽吸物料导流罩(11)，所述抽吸物料导流罩(11)设于海底沉积物破碎器(10)上方，并罩设于海底沉积物破碎器(10)外围，所述抽吸物料导流罩(11)用于增强对下方破碎物的抽吸力度。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述中继增压输送泵(13)上设置有浮子(14)，所述浮子(14)用于作为中继增压输送泵(13)和可燃冰采集物料输送软管(15)的浮力支撑体。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述中继增压输送泵(13)设置有至少两个，至少两个中继增压输送泵(13)用于保证在更大、更深的海底使得采集物输送畅通。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述海底沉积物料劲磨器(6)包括劲磨器管道，所述劲磨器管道内安装有一串高速旋转的刀片，所述刀片用于将进入劲磨器管道内的物料进行切割粉碎。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可燃冰释压气化竖井(5)的下沉深度与甲烷气体储气罐(2)内的最大设计气压强度相适应，以保证甲烷气体储气罐(2)中的甲烷不会通过可燃冰释压气化竖井(5)的下端开口外溢。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述甲烷气体储气罐(2)通过管道连接至甲烷气净化液化加工厂(3)，所述甲烷气净化液化加工厂(3)通过管道连接液态甲烷储气罐(4)。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的海底可燃冰开发物流中固、液、气全封闭无泄漏开采系统的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将潜水式可燃冰采集船(9)开到作业地点，将海底沉积物破碎器(10)插入海底地层，对沉积物进行破碎；
2)利用抽吸泵(8)对破碎的可燃冰沉积物进行抽吸，将被抽吸的可燃冰沉积物输送到初级粉碎输送泵(12)，进一步将被抽吸物中的大块物体粉碎为较小体积，以免造成可燃冰采集物料输送软管(15)堵塞；
3)可燃冰采集物料输送软管(15)另一端与海底沉积物料劲磨器(6)相连，海底沉积物料劲磨器(6)将进入管道内的物料进行切割粉碎，使得从海底取得的含可燃冰沉积物被彻底粉碎，其中的甲烷被彻底释压变成气体；
4)可燃冰被彻底释压而成为含甲烷气的砂浆，从海底沉积物料劲磨器(6)的上端被排出，并在砂浆流导流罩(7)的作用下，向可燃冰释压气化竖井(5)的井壁方向喷射；
5)在可燃冰释压气化竖井(5)中，砂浆中的甲烷气以气泡状态上浮，最终被收集于甲烷气体储气罐(2)中，砂浆中的沙、石成分由于比重较大下沉，并通过可燃冰释压气化竖井(5)的下端开口排入海中。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述甲烷气体储气罐(2)中的甲烷通过管道输送至甲烷气净化液化加工厂(3)，加工成液化甲烷后输入到液态甲烷储气罐(4)，并通过液化甲烷运输管对外运输。
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