一種海底天然氣水合物絞吸式開采方法與流程
本發明涉及一種海底天然氣水合物絞吸式開采方法，具體涉及到一種首先通過海底絞吸式開采車將賦存于海底的天然氣水合物切割絞碎，其次，通過水力輸送系統將破碎后的天然氣水合物從海底輸送到海面分解儲存系統中的分解器內，然后，通過分解器將天然氣水合物分解成天然氣并收集到儲存器內的一種海底天然氣水合物絞吸式開采方法。
背景技術：
能源是維持經濟持續發展的基礎，而傳統能源的日益枯竭時刻威脅著人類的發展，這迫使世界各國不得不尋找更高效、更清潔的替代能源。為了開辟新能源，近幾十年來，越來越多的國家將目光投向一種鮮為人知的新型能源──天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，簡稱Gas Hydrate)。
天然氣水合物是天然氣在0℃和30個大氣壓作用下結晶而成的“冰塊”。因其外觀象冰且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣冰”。天然氣水合物分布廣、能量密度高，被各國科學家公認為是21世紀最具前景、最理想的清潔能源和替代能源。
天然氣水合物可用M·nH2O來表示，M代表氣體分子，n為水分子數。組成氣體分子的成分有烴類(CH4、C2H6等)及非烴類(CO2、H2S等)，這些氣體賦存于水分子籠形格架內。因其中氣體分子以甲烷為主，故也被稱為甲烷水合物，1立方米天然氣水合物可轉化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水。
據估計，全球海底天然氣水合物中甲烷資源量約為2.1×1016m3，甲烷中碳的總量相當于當前已知煤、石油和天然氣等化石燃料總資源量的兩倍。
目前，已經發現的天然氣水合物礦藏主要分布在地球上兩類地區：一是水深為400～4000m的海底沉積物中，二是高緯度大陸地區永久凍土帶及水深為100～250m以下的極地大陸架。海底天然氣水合物資源量占所有天然氣水合物資源量的90％以上，因此，未來天然氣水合物開采的主要場地是海底。
天然氣水合物是一種由天然氣和水組成的亞穩定態礦物,存在于特定的溫壓條件下。一旦賦存條件發生變化,天然氣水合物礦藏的相平衡就會被破壞,引起天然氣水合物分解，因此其開采方法必須根據這種特殊性質而設計。最初，研究人員對降壓開采法、熱激發開采法和化學試劑注入開采法進行了探索性研究，隨著對天然氣水合物基礎理論研究的不斷深入,近些年又涌現出一些新的開采方法,如CO2置換法與固態開采法等。
(1)降壓開采法。降壓開采法是通過降低天然氣水合物儲存層的壓力來促使天然氣水合物分解。具體手段通常是通過降低天然氣水合物層下游離氣聚集層的壓力，當游離氣層壓力小于相(LW-H-V)平衡值時，與游離氣接觸的天然氣水合物將出現不穩定而分解。降壓法是一種弱化的被動式開采方案，開采速度很慢，天然氣水合物通過降壓而分解的時間周期較長，并且只有當天然氣水合物礦藏位于溫壓平衡邊界附近時，降壓開采法才具有經濟可行性。
(2)熱激發開采法。熱激發開采法是直接對天然氣水合物層進行加熱，使天然氣水合物 層的溫度超過其平衡溫度，促使天然氣水合物分解為水與天然氣，再用導管將析出的天然氣收集。熱激發開采法經歷了直接向天然氣水合物層中注入熱流體加熱、火驅法加熱、井下電磁加熱以及微波加熱等發展歷程。由于該方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題，而且只能進行局部加熱，因此尚有待進一步完善。
(3)注入化學試劑開采法。注入化學試劑開采法是通過向天然氣水合物層注入化學試劑(鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇等)來改變天然氣水合物的相平衡條件，以降低天然氣水合物穩定所需的溫度，達到分解天然氣水合物的目的。該種方法雖然可降低初期能量輸入，但所需的化學試劑費用昂貴，對天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會帶來一些環境問題，所以，目前對該方法投入的研究相對較少。
(4)CO2置換開采法。CO2置換法的原理是甲烷水合物所需的穩定壓力較CO2水合物高,在某一壓力條件下,甲烷水合物不穩定,而CO2水合物卻是穩定的,CO2進入到天然氣水合物中,與水形成水合物,所釋放的熱量可用于分解天然氣水合物。CO2置換法相變過程復雜、實施困難，目前還處于探索階段。
(5)固態開采法。固態開采法最初是直接采集海底固態天然氣水合物，然后將其拖至淺水區進行控制性分解。這種方法進而演化為混合開采法或稱礦泥漿開采法。該方法的具體步驟是：首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然后將這種混合泥漿導入海面作業船或生產平臺進行處理，促使天然氣水合物徹底分解，進而獲取天然氣。
降壓開采法、熱激發開采法、注入化學試劑法和CO2置換法只能對部分存在密實覆蓋層的天然氣水合物進行開采，而且降壓法、熱激發法、注入化學試劑法和CO2置換法都存在短期內無法克服的困難，如：降壓開采法作用緩慢、開采過程無法控制；熱激發開采法能量效率低；化學試劑注入法效果慢、成本大；CO2置換法相變過程復雜、實施困難，而且上述開采方法都有可能產生海底滑坡、海洋化學和生物環境污染等事故。
根據研究，沉積物中的天然氣水合物主要以四種形式存在：(l)伴隨少量沉積物的大塊天然氣水合物；(2)以球粒狀分散于細粒沉積物中；(3)分布在大的沙石間孔隙中；(4)填充在巖層裂縫中。
海底天然氣水合物主要以第一和第二種形式存在，一般沒有密實的覆蓋層，特別是品位高、易于開采的大塊天然氣水合物，它們或裸露于海底，或只有很淺的沉積物覆蓋層(與露天煤礦極為相似)，在此情況下無法構筑像“氣囊”一樣的封閉環境，降壓開采法、熱激發開采法、注入化學試劑法和CO2置換法都很難實施，因此只能采用固態開采法。
技術實現要素：
海底天然氣水合物絞吸式開采方法是一種固態開采方法，它由海底絞吸式開采車、水力輸送系統和海面天然氣分解收集系統等設備組成。其工作步驟為：首先，海底開采車將賦存于海底的天然氣水合物破碎，其次，水力輸送系統將開采車破碎后的天然氣水合物輸送到海面分解儲存系統中的分解器內，然后，分解儲存系統將天然氣水合物分解成天然氣并收集到儲存器內，分離后的海底沉積物等廢物通過尾礦管排至海底。
本發明所采用的技術方案是：
(1)海底開采車將賦存于海底的天然氣水合物破碎。海底開采車主要由絞刀、絞刀驅動機構、吸泥管、絞刀臂、履帶式行走機構以及動力和控制系統組成，其工作原理為：履帶式行走機構在動力和控制系統的驅動下在海底運動，絞刀臂在動力和控制系統的驅動下可作左右和上下運動,絞刀在絞刀驅動機構作用下將海底天然氣水合物切割破碎。
(2)水力輸送系統將開采車破碎后天然氣水合物輸送到海面的分解器內。水力輸送系統主要由輔助泥漿泵、輸送軟管、浮力球、主泥漿泵和硬管組成，其工作原理為：通過輔助泥漿泵和主泥漿泵將絞刀破碎后的天然氣水合物與海水的混合流體吸入水力輸送管道內并輸送到海面的分解器內。
水力輸送系統中浮力球的作用是保持軟管在工作過程中具有良好的空間形狀，輔助泥漿泵安裝在開采車上，主泥漿泵置于硬管下端，具有保持硬管在工作過程相對穩定的作用。
由于天然氣水合物的密度為930kg/m3，天然氣水合物與海底沉積物以及海水形成的混合流體密度為1062.5～1077.5kg/m3，將天然氣水合物從海深為4000m的海底輸送到海面所需的揚程為86～145m，因此，水力輸送系統只需由一臺大功率、高揚程的單級主泥漿泵和一臺小功率、低揚程的單級輔泥漿泵組成即可。
天然氣水合物在輸送過程中壓力不斷降低，因此，當管道內的壓力下降到低于天然氣水合物的分解臨界壓力時，管道內的天然氣水合物部分會分解成天然氣，形成氣、固、液三相流體，并且距離海平面越近，天然氣水合物分解速度越快，氣相在流體中的體積濃度就越高，該現象能提高水力輸送系統的輸送能力，降低輸送系統所需要的揚程。
(3)分解儲存系統將天然氣水合物分解成天然氣并收集到儲存器內。分解儲存系統由分解器、儲存器和尾礦管組成，其工作原理為：分解器將輸送系統輸送而來的天然氣水合物分解成天然氣，并將天然氣分離收集到儲存容器內，分離后的海底沉積物等廢物通過尾礦管排至海底，以減輕對環境的污染。為了加速天然氣水合物的分解，可將海面溫度較高的海水注入分解器內。
海底天然氣水合物絞吸式開采方法具有以下特點：
(1)不需要構筑像“氣囊”一樣的封閉環境，適合于大塊水合物(第一種存在形式)和以球粒狀分散于細粒沉積物中(第二種存在形式)的天然氣水合物的開采。
(2)在絞吸式開采過程中，破碎后的水合物被迅速抽離破碎區，未開采的天然氣水合物的賦存條件不會被破壞，天然氣不會逸出，開采過程可以控制。
(3)絞吸式開采方法可實現對天然氣水合物的連續自動化開采，生產效率高。
(4)分解后的沉積物排放至海底，對環境影響較小，不會產生海底滑坡、海洋化學和生物環境污染等事故。
下面結合附圖和實施例對發明專利進一步說明。
附圖說明
圖1為本發明的原理結構示意圖；
圖2為絞刀的結構示意圖；
圖3為絞刀安裝示意圖。
具體實施方式
圖1中，1、水合物開采車，1.1、絞刀，1.2、絞刀驅動機構，1.3、吸泥管，1.4、絞刀臂，1.5、行走機構，1.6、動力和控制系統，2、水力輸送系統，2.1、輔助泥漿泵，2.2、軟管，2.3、浮力球，2.4、主泥漿泵，2.5、硬管，3、分解儲存系統，3.1、分解器，3.2、儲存器，3.3、尾礦管，4、天然氣，5、天然氣運輸船，6、天然氣水合物，7、海底沉積物。
在圖1中，水合物開采車(1)由絞刀(1.1)、絞刀驅動機構(1.2)、吸泥管(1.3)、絞刀臂(1.4)、行走機構(1.5)和動力和控制系統(1.6)組成，絞刀(1.1)安裝于絞刀臂(1.4)的前端，在絞刀驅動機構(1.2)驅動軸的驅動下用于切割海底天然氣水合物(6)，并與動力和控制系統(1.6)一同安裝在履帶式行走機構(1.5)上，絞刀(1.1)、絞刀臂(1.4)和行走機構(1.5)在動力和控制系統(1.6)的驅動下工作。
在圖1中，水力輸送系統(2)由輔助泥漿泵(2.1)、軟管(2.2)、浮力球(2.3)、主泥漿泵(2.4)和硬管(2.5)組成，安裝于浮于海面的分解儲存系統(3)之下。主泥漿泵(2.4)安裝于垂直深入海底的硬管(2.5)的下端并通過軟管(2.2)與安裝于開采車(1)上的輔助泥漿泵(2.1)相連接，輔助泥漿泵通過深入球形絞刀(1.1)內的吸泥管(1.2)吸入破碎后的天然氣水合物(6)，浮力球(2.3)安裝于軟管上(2.2)。
在圖1中，分解儲存系統(3)由分解器(3.1)、儲存器(3.2)和尾礦管(3.3)組成，分解器(3.1)內分離出的天然氣(4)儲存于與之相連接的儲存器(3.2)內，當儲存器(3.2)內天然氣(4)達到一定量時，通過天然氣運輸船(5)運走，尾礦管(3.3)安裝于分解器(3.1)之下深入海底，將分解器(3.1)分離后的海底沉積物(7)等廢物排送至海底。
在圖2中，絞刀為球錐形，由大環(1.1.1)、輪轂(1.1.2)、刀臂(1.1.3)和刀齒(1.1.4)組成，刀臂(1.1.3)為螺旋形狀，一端固定在圓環形大環(1.1.1)，另一端固定在圓筒形輪轂(1.1.2)上，刀齒(1.1.4)安裝在刀臂(1.1.3)的齒座上。
在圖3中，絞刀輪轂(1.1.2)通過螺紋與驅動軸(1.1.6)連接，將絞刀(1.1)安裝于絞刀臂(1.4)的前端，吸泥管(1.3)深入絞刀(1.1)內。
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