一种深海天然气水合物开采控制方法与流程

本发明涉及一种深海天然气水合物开采方法，属于天然气水合物开采领域。

背景技术：

从1810年英国Davy在实验室首次发现气水合物和1888年Villard人工合成天然气水合物后，人类就再也没有停止对天然气水合物的研究和探索。在这近200年的时间内，全世界对天然气水合物的研究大致经历了3个阶段。第一阶段是从1810年Davy合成氯气水合物和此年对气水合物正式命名并著书立说到20世纪30年代初。在这120年中，对气水合物的研究仅停留在实验室，且争议颇多。自1934年美国的Hammerschmidt发表了关于水合物造成输气管带堵塞的有关数据后，人们注意到气水合物的工业重要性，从负面加深了对气水合物及其性质的研究。这就是起水合物研究室上的第二个阶段。在这个阶段，研究主题是工业条件下水合物的预报和清除、水合物生成阻化剂的研究和应用。20世纪60年代特洛费姆克等发现了天然气具有这样一个特性，即他可以以固态形式存在于地壳中。特洛费姆克等的研究工作作为世界上第一座天然气水合物矿田——麦锁亚哈气田的发现、勘探与开发前期的准备工作提供了重要的理论依据，大大拓宽了天然气地质学的研究领域。1971年前后，美国学者开始重视其水合物研究。1972年在阿拉斯加获得世界上首次确认的冰胶结永冻层中的气水合物实物。对气水合物藏成功的理论预测、气水合物形成带内样品的成功检出和测试，被认为是20世纪最重大发现之一。可以说，从20世纪60年代至今，全球气水合物研究跨入了一个崭新的第三阶段——把气水合物作为一种能源进行全面研究和实践开发。世界各地科学家对气水合物的类型和物化性质、自然赋存和成藏条、资源评价、勘探开发手段，以及气水合物与全球变化和海洋地质灾害的关系等进行了广泛而卓有成效的研究。

在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中，目前已发现的水深3000m以内沉积物中天然气水合物中甲烷资源量为2.1×10¹⁶km³。水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的2倍，可满足人类1000年的需求，其储量之大，分布面积广，是人类未来不可多得的能源。以上储量的估算尚不包括天然气水合物层之下的游离气体。

我国南海路坡和陆隆区可能含有丰富的天然气水合物矿藏，估算其总资源量达(643.5～772.2)×10⁸t油当量，大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的1/2。

尽管对天然气水合物的研究已经取得了一定的效果；但是就目前的情况而言，天然气水合物资源尚处于普查阶段，侧重于调查天然气水合物的身材更哼地区和水合物稳定层的形成、成因，以及地球物理化学性质、资源量及工业上经济开采的可能性等。开采水合物的基本原理是现将水合物分为气和水，然后收集天然气。目前开采天然气有3种方法可用，即降压开采法，注入化学剂开采法和热力开采法。天然气水合物的降压开采法就是利用钻井经验的压力降来干扰水合物的稳定性，如果天然气水合物气藏与常规天然气藏相邻，降压开采水合物物气的效果特别好。开采水合物气藏的化学剂是那些能降低水合物储藏温度的“水合物阻化剂”，主要由甲醇、乙二醇和氯化钙等。室内试验表明，天然气水合物的溶解速率与阻化剂浓度、注入排量、压力、阻化剂的界面面积有关。热力开采法是研究最多、最深入的天然气水合物开采方法。现已提出的热力开采法有蒸汽注入、火驱、热盐水注入和电磁加热法。

除了以上常见的开发思路，根据有关研究结果，可能还有另一种利用天然气水合物声场能源的方法。科学家们指出，对于在深海中的传统气体矿床通过钻井手段获取应该是可行的，但是想因为大陆斜坡的不稳定和需要铺设的管道又很长的那个原因所产生的技术和经济方面的问题，有可能使得人们难以利用这种手段来开采天然气水合物资源。所以，试图在不使天然气水合物分解的情况下即不用长距离管道，又能把天然气水合物运送到陆地上来。一个新的天然气水合物开发方法是在深海中使天然气水合物颗粒化，或将天然气水合物输送到一种可测控压力温度的管道中，使其内部保持天然气水合物稳定所需的温压条件，再把天然气水合物提升至海平面的分解平台上，在那里天然气水合物能够缓慢分解，产出燃料和水。或许今后能研制出一种添加剂，使天然气水合物在天然气水合物在较低的压力和较高的温度下能够稳定。如果能做到这些，天然气水合物在传统的船舶上运输起来可能比液化的天然气还要安全。

技术实现要素：

针对现有的技术存在的问题，本发明的目的是提供于深海天然气水合物矿藏开采的一种控制开采系统，以避免天然气水合物在开采管道分解在管道中造成的潜在危险发生。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：将海底表面的天然气水合物矿藏通过采矿车铰刀铰碎；将铰碎的天然气水合物颗粒与引射的海水通过二级破碎装置形成天然气水合物浆液进行水力提升；将天然气水合物浆液水利输送至软管，将从软管输出的天然气水合物浆液通过主泵运送至垂直硬管，所述垂直硬管在预定位置还设置有保温保压装置，所述保温保压装置控制垂直硬管内天然气水合物浆液在提升过程中的压力和温度变化以使天然气水合物浆液保持固液两相流动，以保持天然气水合物的稳定状态；从垂直硬管输出的天然气水合物浆液输送至海上分离装置，分离装置对天然气水合物浆液进行分离和处理，所述分离装置为二级分离装置；从分离装置分离的天然气通过输气管线输送至天然气储罐中。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中涉及的装置包括铰刀(1)，铰头(2)，伸缩杆(3)，铰吸管(4)，行走装置(5)，辅泵(6)，二级破碎器(7)，往复泵(8)，过滤器(9)，过滤管(10)，电机(11)，软管(12)，伸缩管(13)，浮力球(14)，主泵(15)，硬管(16)，保温保压装置(17)，电缆(18)，应急泵(19)，温压监控模块(20)，温压调节模块(21)，水泵(22)，蒸馏器(23)，止回阀(24)，盘管(25)，带温分离器(26)，调节阀(27)，一号放空阀(28)，一号单向阀(29)，气液分离器(30)，回填管路(31)，储气罐(32)，二号放空阀(33)，LNG处理装置(34)，电路板(35)，基板(36)，导流条(37)，元件(38)，第一充气接头(39)，活塞(40)，第二充气接头(41)，壳体(42)，压力表(43)，接头(44)，二号单向阀(45)，高压气瓶(46)。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中二级破碎装置(7)与铰刀(1)通过密闭集输管线连接，以保持天然气水合物浆液的稳定状态。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中引射的海水通过海水过滤装置(9)连接二级破碎装置(7)，为避免二级破碎装置中的天然气水合物浆液掺入其他杂质。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中在软管(12)预定位置上设置了固定软管的浮力球(14)。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中在软管预定位置上设置了使采矿车在天然气水合物矿藏地区可以长距离操作的伸缩装置(13)。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中保温保压装置(17)包括制冷片和加压控制装置。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中垂直硬管与所述海上平台一级分离器的连接管线上设置有应急系统(19)。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中分离装置包括带温分离器(26)和气液分离器(30)。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中带温分离器(26)还包括用于提供热量的蒸馏装置(23)，蒸馏装置(23)的出口与带温分离器(26)连接，蒸馏装置(23)的入口与水泵(22)连接。

所述的一种深海天然气水合物开采控制方法，方法中天然气储存罐(32)输出的天然气输送至LNG处理系统(34)将天然气进行液化后可直接向外输送。

发明优点

本发明的天然气水合物开采控制方法，利用深海成岩地层的天然气水合物在海底温度和压力下的稳定性，采用固态开采系统，由于垂直管道是主要开采管道，并且在垂直管道设置保温保压装置，因此水合物不会分解，从而实现了原位固态开发，既保护了海底环境，又使得整个开采系统安全可行。

附图说明

图1为本发明实施例的深海天然气水合物开采控制方法装置连接示意图。

图2为本发明实施例的保温装置示意图。

图3为本发明实施例的保压装置示意图。

具体实施方式

本发明实施例的一种深海天然气水合物的开采控制方法，其所实现的思路和原理：将深海天然气水合物矿藏当作一种海底矿藏资源，利用其在海底的自然环境的温度和压力下的稳定性，采用固态开采系统，将海底表面的天然气水合物矿藏通过采矿车铰刀(1)铰碎；将铰碎的天然气水合物颗粒与引射的海水通过二级破碎装置(7)形成天然气水合物浆液进行水力提升；将天然气水合物浆液水利输送至软管(12)，将从软管输出的天然气水合物浆液通过主泵(15)运送至垂直硬管(16)，所述垂直硬管在预定位置还设置有保温保压装置(17)，所述保温保压装置控制垂直硬管内天然气水合物浆液在提升过程中的压力和温度变化以使天然气水合物浆液保持固液两相流动，以保持天然气水合物的稳定状态；从垂直硬管输出的天然气水合物浆液输送至海上分离装置，分离装置对天然气水合物浆液进行分离和处理，所述分离装置为二级分离装置；从分离装置分离的天然气通过输气管线输送至天然气储罐中(32)。

下面具体介绍本发明实施例的天然气水合物开采控制方法

如图1-图3所示，本发明实施例的天然气水合物开采控制方法分为海底采矿区、管道水力提升区、海上平台分离处理区。

海底采矿区是将深海天然气水合物矿藏区域以固态形式采掘所述天然气水合物，并将所述天然气水合物粉碎为颗粒后，与海水混合成固液两相的水合物浆液。

如图1所示，海底采矿车包括铰头(2)、铰刀(1)、拉伸杆(3)、铰吸管(4)、辅泵(6)、二级破碎装置(7)、往复泵(8)、过滤器(9)、电路装置(11)。

其中，铰刀固定在铰头上，用于固定区域的破碎水合物矿藏，一定体积的天然气水合物经过铰刀的初次破碎成天然气水合物大颗粒，利用辅泵将所述天然气水合物大颗粒泵入二级破碎装置，将所述大颗粒破碎成利于管道输送的小颗粒。将海水经过过滤器过滤去除杂质的少杂质海水引射进二级破碎装置与天然气水合物小颗粒混合成固液两相浆液。海水过滤器、二级破碎装置和辅泵设置于采矿车身中，与采矿收集管相连。

过滤器下方装有杂质输送管，采矿车的电力系统由电路板提供电量，采矿车行走装置为履带式行走机构。

由于整个采矿过程是海底的天然气水合物的矿藏区进行的，未改变水合物的温度压力条件，因此可以保证天然气水合物保持固态而不分解，从而实现原位固态开采。

本实施案例的海底铰吸装置，其利用高效破碎海床刀具，能适应海底高压高腐蚀环境，能有效将海床的淤泥、石块破碎成相当程度的碎片，以适应后期的管道输送。而二级破碎装置，是在采矿车内设置的破碎铰碎天然气水合物颗粒的装置，进一步收集起来的可燃冰混合物处理成均匀的密度，以便将其泵入集输管道。

破碎后的天然气含沙水合物颗粒与海水一起经过二级破碎装置流入管道提升区。

管道提升区包括软管(12)提升和硬管(16)提升两大部分，为了能够使采矿车在海底行走距离加长，在软管下端指定位置设置成可拉伸软管，可使采矿车牵引住软管在深海进行长距离作业。在软管指定位置安装有数量较多的浮力球，可使在软管拉伸时有足够的浮力，避免软管过于晃动。在软管内的天然气水合物浆液利用主泵泵入垂直硬管，由于垂直硬管是本装置输送最长的管道，为避免天然气水合物的分解，在指定位置设置了保温保压装置。

如图1所示，保温装置是由运行过程非常稳定、安全的半导体制冷片的热电制冷方式实现自身的主动保温，半导体制冷片包括电路板(35)、基板(36)、导流条(37)、元件(38)，半导体制冷的原理也成为“帕尔帖效应”，其物理机理为：电载荷体在导体中运动形成电流，由于电载荷体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量，反之，就需要从外界吸收热量即表现为制冷。

其中，电路系统为海上供电装置通过绝缘电缆连接到半导体制冷片的电路板上，为半导体制冷片提供直流电源。

如图2所示，压力补偿系统主要由接头体(44)、充气接头体(41)、壳体(42)和活塞(40)组成，是用来对保压装置在检测到垂直管道压力损失较大时进行补充压力的。当补偿系统内的压力降低，直到补偿系统内和保温保压内的压力达到平衡。

从垂直硬管输送出的浆液直接进入带温分离器，所述带温分离器利用蒸馏装置向盘管输送的蒸汽进行加热分离，所述蒸馏装置由水泵泵入海水到蒸馏装置。带温分离器使天然气水合物分离出的天然气流向气液分离器，分离出的泥沙或砂矿从回填管路回填至海底。由于高温分离出的天然气带有水滴，在进行气液分离器时，将液滴落入分离器底部，天然气气相则通过吸附垫上升至分离器出口输送至LNG处理装置，从气液分离器分离的液体杂质通过回填管路输送至海底，带温分离器与气液分离器的回填管路相连接，分离后的矿砂和泥沙经处理后回填大海，避免地质次生灾害。

上述经过LNG处理过的液化天然气可以直接向外输送。

本发明实例的天然气水合物开采控制系统，利用深海成岩地层的天然气水合物在海底温度和压力下的稳定性，采用固态开采系统，由于垂直管道是主要开采管道，并且在垂直管道设置保温保压装置，因此水合物不会分解，从而实现了原位固态开发，既保护了海底环境，又使得整个开采系统安全可行。