专利名称：一种机械-热开采水合物的方法
技术领域：
本发明涉及开采水合物的方法，尤其涉及一种机械-热开采水合物的方法。
背景技术：
天然气水合物是天然气和水在高压和低温条件下形成的类冰固体化合物。水合物沉积物广泛分布于陆地冻土环境与海洋、湖泊等深水地层环境。据估算，水合物的含碳量为全球已知化石燃料含量碳的二倍以上。我国在南海北部陆坡和祁连山冻土区分别取得了水合物沉积物样品，证实了我国水合物的开采潜力很大，并将水合物开采研究归入战略发展规划。目前，国际上提出的水合物开采方法主要有注热法、降压法、注入抑制剂法和置换法等，并在加拿大Mallik和美国Alaska的水合物地层分别进行注热法、降压法联合和置换法、降压法联合的试验性开采。由于水合物分解需要吸收大量的热，且地层消耗90%以上注入的热量，因此，开采井筒周围的水合物分解范围受到限制，开采效率不高，难以达到商业性开采的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的水合物开采效率不高，提出一种机械-热开采水合物的方法，以满足商业性开采的要求。为了解决上述问题，本发明提供一种机械-热开采水合物的方法，包括如下步骤步骤1，挖掘水合物地层，将水合物沉积物粉碎成水合物沉积物颗粒，传送到分解仓；步骤2，在分解仓中将较热海水与所述水合物沉积物颗粒进行搅拌混合，使水合物沉积物颗粒中的部分分解，并对得到的混合物进行分离，去掉分离得到的沉积物；步骤3，将剩下的混合物沿着开采井筒向上输送，在输送过程中混合物中的水合物继续分解，剩余水合物以及产生的气体与混合物中的沉积物分离；步骤4，在开采平台上收集得到的气体。优选地，上述方法还具有以下特点在所述步骤I中，采用煤矿和深海挖掘设备挖掘水合物地层，所述煤矿和深海挖掘设备为如下设备中的一种或多种组合滚筒式采煤机、液压牵引采煤机、电牵引采煤机、深海海床金属矿挖掘机等。优选地，上述方法还具有以下特点在所述步骤I中，采用颗粒破碎设备将水合物沉积物粉粉碎成水合物沉积物颗粒，所述颗粒破碎设备为如下设备中的一种或多种组合颚式破碎机、圆锥破碎机等。优选地，上述方法还具有以下特点所述较热海水为25°C左右的表层海水。
优选地，上述方法还具有以下特点
在所述步骤2中，利用离心分离或者流态化等方式对得到的混合物进行分离。
优选地，上述方法还具有以下特点
所述步骤2还包括将分离得到的沉积物通过分解仓回填到挖掘后的地层中。
优选地，上述方法还具有以下特点
所述步骤4还包括利用气体膨胀转化成注海水和机械所需能量。
优选地，上述方法还具有以下特点
所述步骤4还包括将沉积物回填到挖掘后的地层中。
本发明的方法将水合物沉积物粉碎成能够随流体流动的小颗粒，借助海水这个巨 大的热源供给水合物分解的热量，对流传热效率高；充分利用分解产生甲烷气体的膨胀功， 转变成开采水合物所需要的机械能；将沉积物的回填，能够保证开采后地层具有足够的强 度；水合物在分解仓内分解可避免气体从覆盖层的泄漏。本方法不受水合物分解范围的影 响，开采效率高，适合大规模商业开采。
图1是本发明实施例的机械-热开采水合物的示意图。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的 情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
机械-热开采水合物是鉴于现有开采方法传热效率慢、开采效率低的问题提出的 一种新型的开采方法，它的基本思路是像采煤采矿一样通过机械设备挖掘水合物地层并将 水合物粉碎成颗粒；然后在预先设计的水合物分解仓内实现较热海水的供给、小颗粒与海 水的配比掺混，并进行沉积物与水合物、水、气的部分分离与回填；接着水合物沉积物、水、 气沿着开采井筒向上部输送，并且水合物分解产气和沉积物分离下沉；最后，气体在开采平 台上收集，气体膨胀功转化成机械能，下沉的沉积物回填，如图1所示。
下面对本发明进行详细说明
本发明实施例的一种机械-热开采水合物的方法包括如下步骤
步骤1，挖掘水合物地层，将水合物沉积物粉碎成水合物沉积物颗粒，传送到分解 仓；
目前，可以借鉴进行机械-热开采水合物的机械设备有1)煤矿和深海挖掘设备， 包括滚筒式采煤机、液压牵引采煤机、电牵引采煤机、深海海床金属矿挖掘机等；2)颗粒破 碎设备，包括颚式破碎机、圆锥破碎机等；3)传送设备，包括轨道机械传送、传送带等。目前， 这些设备能够满足无水巷道中岩石/岩土的挖掘、粉碎、传送的需求。
步骤2，在分解仓中将较热海水与所述水合物沉积物颗粒(有效直径15_以下)进 行搅拌混合，使水合物沉积物颗粒中的部分分解，对得到的混合物进行分离，去掉分离得到 的沉积物；
这一步骤在分解仓内进行。分解仓是一个高压腔体，能够在深水静压下稳定且承 受水合物分解及其扰动的内部压力的波动。通过管道将具有巨大热能的温度较高(25 °C左右)的表层海水输送到下部水合物层，在分解仓内与粉碎成的水合物沉积物颗粒进行搅拌掺混，在此过程中，沉积物中的部分水合物分解，形成沉积物、水、气、水合物的多相态-多组分但具有不同密度的混合物，利用离心分离或者流态化等方式使得多组分的部分分离，分离出的沉积物通过分解仓回填到挖掘后的地层中。步骤3，将剩下的混合物沿着开采井筒向上输送，在输送过程中混合物中的水合物继续分解，剩余水合物以及产生的气体与混合物中的沉积物分离；在本步骤中，将分解仓内搅拌掺混并分离后的混合物通过泵送的方式沿着开采井筒向上部提升，提升过程中由于对流传热，水合物继续分解，产生更多的气和水；气、水、水合物和沉积物在管道传输中由于密度而产生的重力差下分离。因此，开采井筒中呈现分段的多相流动特征，沉积物-水合物-气体-水颗粒流、水合物-气体-水颗粒流、气体-水两相流。步骤4，在开采平台上收集得到的气体；多相态-多组分的混合物提升过程中水合物分解生成大量的气体，由于密度差气体聚集。对其膨胀做功加以利用，满足注入海水、机械挖掘\粉碎\传送以及水合物沉积物的提升所需的部分机械能，提高开采效率和经济性。另外，将沉积物回填到挖掘后的地层中。综上所述，机械-热采的基本流程为水合物沉积层挖掘一颗粒粉碎一混合物传送一海水供给\搅拌混合\水合物分解\多相分离\沉积物回填一颗粒流输送一气体膨胀转化机械能\气体收集\沉积物回填。本发明的方法将水合物沉积物转变成可以随流体流动的小颗粒，因此，既可借助海水与对流传热这个巨大的热源供给水合物分解的热量，又可充分利用集中产出的气体膨胀的能量，也可将沉积物的回填恢复一定的地层强度，也避免水合物分解的气体从覆盖层的泄漏。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种机械-热开采水合物的方法，包括如下步骤 步骤1，挖掘水合物地层，将水合物沉积物粉碎成水合物沉积物颗粒，传送到分解仓；步骤2，在分解仓中将较热海水与所述水合物沉积物颗粒进行搅拌混合，使水合物沉积物颗粒中的部分分解，并对得到的混合物进行分离，去掉分离得到的沉积物； 步骤3，将剩下的混合物沿着开采井筒向上输送，在输送过程中混合物中的水合物继续分解，剩余水合物以及产生的气体与混合物中的沉积物分离； 步骤4，在开采平台上收集得到的气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述步骤I中，采用煤矿和深海挖掘设备挖掘水合物地层，所述煤矿和深海挖掘设备为如下设备中的一种或多种组合 滚筒式采煤机、液压牵引采煤机、电牵引采煤机、深海海床金属矿挖掘机等。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述步骤I中，采用颗粒破碎设备将水合物沉积物粉粉碎成水合物沉积物颗粒，所述颗粒破碎设备为如下设备中的一种或多种组合 颚式破碎机、圆锥破碎机等。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述较热海水为25°C左右的表层海水。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述步骤2中，利用离心分离或者流态化等方式对得到的混合物进行分离。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述步骤2还包括将分离得到的沉积物通过分解仓回填到挖掘后的地层中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述步骤4还包括利用气体膨胀转化成注海水和机械所需能量。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述步骤4还包括将沉积物回填到挖掘后的地层中。
全文摘要
本发明公开一种机械-热开采水合物的方法，包括挖掘水合物地层，将水合物沉积物粉碎成水合物沉积物颗粒，传送到分解仓；在分解仓中将较热海水与所述水合物沉积物颗粒进行搅拌混合，使水合物沉积物颗粒中的部分分解，并对得到的混合物进行分离，去掉分离得到的沉积物；将剩下的混合物沿着开采井筒向上输送，在输送过程中混合物中的水合物继续分解，剩余水合物以及产生的气体与混合物中的沉积物分离；在开采平台上收集得到的气体。本发明既可借助海水与对流传热这个巨大的热源供给水合物分解的热量，又可充分利用集中产出的气体膨胀的能量，也可将沉积物的回填恢复一定的地层强度，也避免水合物分解的气体从覆盖层的泄漏。
文档编号E21B43/38GK103015959SQ201210499410
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者鲁晓兵, 张旭辉, 刘乐乐 申请人:中国科学院力学研究所