CN105019868B - 一种海底可燃冰的开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋可燃冰的机械开采方法，是指利用可燃冰性质、海洋特点以及流体力学原理构思的方法，采用机械掘进、液流提升分离、海面开采平台收集方式实现开采。可在浅海或深海作业，与现有的减压、加热或化学方法区别较大。具有低能耗、高效率和无泄漏等特点。

Description

一种海底可燃冰的开采方法

技术领域

本发明涉及一种海底可燃冰的开采方法，利用机械掘进机挖掘可燃冰，通过安装数个轴流泵驱动筒体管道内海水流动，将可燃冰携带上升，边上升，温度边升高，压力边下降，可燃冰边分解，最后，气液混合物一起流到海面操作平台上的分离容器，收集气体简单加工后运往目的地，可应用于浅海和深海可燃冰的开采。

背景技术

一般认为，可燃冰勘探开发是一个***工程，涉及众多的学科，如海洋地质、地球物理、地球化学、流体动力学、热力学、钻探工程等，需要各领域专家的共同合作。由于在开采过程中会发生温、压变化及相变，与传统的煤炭、石油和天然气等化石能源相比，可燃冰的开采更为不易。目前国际可燃冰的开采多限于海域，主要开采方法有3种：一是热激化法，即利用可燃冰受热时分解出甲烷气体的原理；二是降压法，专家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解出甲烷气体；三是注入剂法，向可燃冰层注入盐水、甲醇、乙醇等，破坏原有平衡促使其分解。上述开采方法技术复杂、速度慢、费用高，而且海洋中水合物的压力较高，实现管道合理布设、天然气的高效收集较困难。开采过程中保证海底稳定、使甲烷气体***露是关键，日本对此提出了“分子控制”方案，美国在2005年成功模拟生产出了海底可燃冰。但目前各国尚无成熟的大规模商业开采方法。

申请号为201210323227.0的中国专利公开了一种海洋可燃冰开采方法、以及其采用的开采装置，该方法利用了通过加热浓缩盐水来开采可燃冰的装置，加热可燃冰储层的热量是由加热浓缩盐水提供的。该开采方法节能环保、经济效益显著，开采过程中无排放、无污染，节能降耗指反应器底部存在的的气体内循环，这种反应器主要用于合成气生产液体燃料。

申请号为201310284154.3的中国专利公开了一种海底可燃冰的开采装置及开采方法，用采集管将海底吸头与海面平台连接起来，将采集管内海水抽净后形成低压，于是，吸头处压力较低，可燃冰液化。如此操作需要采集管承受很大压力，特别是在深海开采时。另外，还需要吸头处进行密封，以防海水灌入。

申请号为201310183676.4的中国专利公开了浅水区域可燃冰开采装置及开采方法，利用电热丝加热的方法开采可燃冰。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、高效的海底可燃冰的开采方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、在可燃冰开采点上方布置筒体，筒体经由筒体管道与位于开采平台上面的分离容器相连通，开采平台浮于海面，在筒体管道内设置多个轴流泵，轴流泵的数量由筒体管道的长度决定，在筒体下端开采面的腔体内固定机械挖掘机；

第二步、开启机械挖掘机及轴流泵，将位于开采点的可燃冰切削成一定厚度的碎屑，此时，海底附近的海水进入筒体，由海水夹带切削下来的可燃冰碎屑一起流入筒体管道并向上运动；

第三步、筒体管道的夹带有可燃冰碎屑的海水经由筒体管道流向分离容器的过程中，随着水温逐渐升高、压力逐渐下降，可燃冰碎屑逐渐分解，释放出气体，形成气、液、固三相混合物；

第四步、气、液、固三相混合物流入分离容器后，残余固体，即可燃冰碎屑，在分离容器内进一步分解完全，实现气、液分离，分离出的气体与气、液、固三相混合物中的气体一起经由出口一引出，分离出的液体与气、液、固三相混合物中的液体一起经由出口二排入大海。

优选地，在所述第二步中，所述可燃冰碎屑的厚度在0.01～1mm之间，其截面最长尺寸在0.01～2mm之间。

优选地，在所述第二步中，所述可燃冰碎屑的厚度优选在0.05～0.5mm之间，其截面最长尺寸优选在0.05～0.5mm之间。

优选地，所述分离容器内液相温度在20～60℃之间。

优选地，所述分离容器内液相温度优选在25～40℃之间。

优选地，所述筒体管道轴向具有一定的弹性和强度，以抵抗海流带来的拖拽力。

优选地，利用数个短节螺纹管来增强所述筒体管道的弹性。

优选地，在所述第二步中，所述海水从所述筒体的底面或附近位置进入，流经所述机械挖掘机内部的挖掘面上部，将挖掘下来的可燃冰碎屑冲走，随海水一起在所述筒体内向上运动。

优选地，在所述第二步中，所述机械挖掘机的挖掘面由转动的切片或刮片构成，沿圆周安装的切片之间或刮片之间有一定间隙，切下或刮下来的可燃冰被上面流动的海水冲走，并随海水一起向上运动。

优选地，所述筒体管道具有较高的传热性能，以增强筒体管道内海底上来的冷物流与上层温度较高海水的换热作用。

根据海底可燃冰矿藏特点，如果可燃冰夹杂沙石或其它矿物，那么，依据前期勘探情况，了解沙石或其它矿物硬度等特性，设计相应的刮片硬度和强度。

所以，如果可燃冰夹杂其它矿物，在刮片或刀片的作用下，矿物杂质也被粉碎成细小颗粒，其粒度小于0.2mm。在水流的夹带下一起向上运动，流入海面的分离罐，只需分离气体，海水与固体小颗粒一起排入大海。

本发明利用可燃冰密度与水结成的冰的密度相当的特性，采用机械挖掘的方法，将矿藏可燃冰切削成固体碎屑，再以流动的海水将可燃冰携带起来。在筒体管道内设置多个轴流泵可驱使携带可燃冰碎屑的海水向上运动。运动的过程中，管道内的冷物流被管道外的热海水间接加热，同时，管道内压力不断降低，于是，大部分可燃冰分解成气态。管道内物流被导入海面操作平台上的分离容器内，海水返回大海，气体经简单加工后送往目的地。管道内轴流泵的数量主要由海水深度确定，管道下部轴流泵间隔较小，管道上部可燃冰开始分解形成气液固三相，流体密度下降，具备自然升力，所以轴流泵数量可以减少，或者不设轴流泵。

附图说明

图1为本发明所使用装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种海洋可燃冰的机械开采方法，是指利用可燃冰性质、海洋特点以及流体力学原理构思的方法，采用机械掘进、液流提升分离、海面开采平台收集方式实现开采。可在浅海或深海作业，与现有的减压、加热或化学方法区别较大。具有低能耗、高效率和无泄漏等特点。具体而言，本发明应用机械挖掘的方式，将可燃冰切削成一定厚度的碎屑。利用可燃冰密度较小的物理特性，使其悬浮于限定流动的海水里。再利用轴流泵驱动筒体管道内流体，使夹带可燃冰的海水向上运动，直到海面的开采平台。一般地，海底温度低、压力大，而海面温度高、压力为常压。所以，筒体内流体向上流动的过程中，水温将逐渐升高、压力则逐渐下降。于是，其中的可燃冰将逐渐分解，释放出气体。筒体管道内流体变为气、液、固三相混合物，流入开采平台上的分离容器后，未完全分解的可燃冰进一步分解完全，实现气、液分离，气体被加工后送往目的地，液体夹带少量泥沙等一起返回大海。实现低能耗、低污染、高效率的可燃冰开采。

结合图1(图中比例关系不代表实际)，机械挖掘机2由发电机13提供的电力驱动，发电机13在开采平台9上，由燃气或燃油驱动，在还没有天然气的初期，应使用其它燃料驱动发电机。机械挖掘机2在相对密封的圆柱形的筒体3里。紧贴海底的筒体3由自身重量或牵引绳索固定。筒体3经由筒体管道4与位于开采平台9上的分离容器7相连通。筒体管道4内分段安装轴流泵6。轴流泵6的数量主要由开采深度确定，轴流泵6的流量与筒体管道4的界面配合，使筒体管道4内流体向上的流速大于挖掘下来可燃冰颗粒的沉降速率。由于筒体3及筒体管道4的内外压差不大，所以材料选择范围较大，以耐海水腐蚀为主要依据。筒体管道4轴向需要一定的弹性和强度，以抵抗海流带来的拖拽力。利用数个短节螺纹管14可增强筒体管道4的弹性，螺纹管14的数量也是由海水深度确定的。

海底筒体3以及所有部件就位并准备好后，开启发电机13。启动筒体管道4内的轴流泵6，管道内水流稳定后，开启机械挖掘机2，调节电机转速、位置等，使机械挖掘机2正常运转。机械挖掘机2正常运转后，将挖掘点的可燃冰挖掘下来，掘下来的可燃冰以薄片形式存在，形成可燃冰碎屑。可燃冰碎屑的厚度在0.01～1mm之间，优选0.05～0.5mm。其截面尺寸随机形成，但最长尺寸在0.01～2mm之间，优选0.05～0.5mm之间。可燃冰碎屑大小关系到是否影响轴流泵6的工作性能，碎屑较大，会撞击轴流泵叶片。同时，海水15从筒体3的底面或附近位置进入筒体3，流经机械挖掘机2内部的挖掘面上部，将挖掘下来的可燃冰碎屑冲走，形成混合流体5，混合流体5在筒体3内向上运动，通过筒体管道4进入开采平台9上面的分离容器7。挖掘面由转动的切片或刮片构成，刮片上可设置刮钉，沿圆周安装的切片之间或刮片之间有一定间隙。切、刮下来的可燃冰被上面流动的海水冲走形成混合流体5，并随海水一起向上运动。形成混合流体5中的可燃冰碎屑在向上运动的过程中不断释放出气体，在筒体内形成气、液、固三相混合物，可燃冰碎屑在上升过程中逐步分解，释放气体，于是管内流体密度下降，升力增大，有利于节省轴流泵6的电力消耗。在较温暖的海面和常压下可燃冰碎屑几乎全部分解。气、液、固三相混合物流入分离容器7后，固体，即可燃冰碎屑，在分离容器7内进一步分解完全，实现气、液分离，分离出的气体与气、液、固三相混合物中的气体一起经由出口一8引出，分离出的液体与气、液、固三相混合物中的液体一起经由出口二12引出。在分离容器7不足以完全分解可燃冰时，器内可设置加热部件，实现全部分解。分离容器7内液相温度在20～60℃之间，优选25～40℃之间。气体从出口一8引出，经加工处理后送往目的地。液体夹带少量泥沙从出口二12排入大海。

由于海洋不同深度的温度和压力不同，筒体管道4内流体向上流动过程中存在升温、降压现象，所以，筒体管道4的传热能力越强，越有利于管外热量传入管内，有助于增强筒体管道4内海底上来的冷物流与上层温度较高海水的换热作用。选择耐海水腐蚀的金属管材作为筒体管道4有利于传热，同时，可在管外附加传热片，增强换热效果。

机械挖掘机2进机的操作与位置移动、筒体3的移动与固定均可由潜海器辅助完成，包括筒体3的泄漏检查与维修也可由潜海器进行。

由本发明于筒体3内、外是连通的，所以筒体管道4内、外压差较小，管道耐压能力基本不受海洋深度的影响。

实施例1

本发明轴流泵6所克服的阻力主要是管道摩擦力和高于海面的静压差，所以浮于海面10的开采平台9上的分离容器7应尽可能低。当分离容器7距离海面10为5米，海底挖掘面距离海面500米时，5个转速在400～600转/分钟之间的轴流泵6可实现筒体管道4内流速要求。筒体管道4内径与机械挖掘机2能力相匹配，初始流体中可燃冰含量在10～60％之间。维持分离容器7液相温度25～40℃，分离容器7内液相停留时间大于10分钟，使可残余燃冰完全分解。

实施例2

当分离容器7距离海面10为5米，海底挖掘面距离海面1000米时，9个转速在400～600转/分钟之间的轴流泵6可实现筒体管道4内流速要求。筒体管道4内径与机械挖掘机2能力相匹配，初始流体中可燃冰含量在15～60％之间。维持分离容器7液相温度25～40℃，罐内液相停留时间大于10分钟，使可残余燃冰完全分解。

Claims (8)

1.一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、在可燃冰开采点上方布置筒体（3），筒体（3）经由筒体管道（4）与位于开采平台（9）上面的分离容器（7）相连通，开采平台（9）浮于海面（10），在筒体管道（4）内设置多个轴流泵（6），轴流泵（6）的数量由筒体管道（4）的长度决定，在筒体（3）下端开采面的腔体内固定机械挖掘机（2）；所述筒体管道（4）具有较高的传热性能，以增强筒体管道（4）内海底上来的冷物流与上层温度较高海水的换热作用；

第二步、开启机械挖掘机（2）及轴流泵（6），将位于开采点的可燃冰切削成一定厚度的碎屑，此时，海底（1）附近的海水（15）进入筒体（3），由海水（15）夹带切削下来的可燃冰碎屑一起流入筒体管道（4）并向上运动；所述海水（15）从所述筒体（3）的底面附近位置进入，流经所述机械挖掘机（2）内部的挖掘面上部，将挖掘下来的可燃冰碎屑冲走，随海水（15）一起在所述筒体（3）内向上运动；

第三步、筒体管道（4）的夹带有可燃冰碎屑的海水（15）经由筒体管道（4）流向分离容器（7）的过程中，随着水温逐渐升高、压力逐渐下降，可燃冰碎屑逐渐分解，释放出气体，形成气、液、固三相混合物；

第四步、气、液、固三相混合物流入分离容器（7）后，残余固体，即可燃冰碎屑，在分离容器（7）内进一步分解完全，实现气、液分离，分离出的气体与气、液、固三相混合物中的气体一起经由出口一（8）引出，分离出的液体与气、液、固三相混合物中的液体一起经由出口二（12）引出。

2.如权利要求1所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：在所述第二步中，所述可燃冰碎屑的厚度在0.01~1mm之间，其截面最长尺寸在0.01~2mm之间。

3.如权利要求2所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：在所述第二步中，所述可燃冰碎屑的厚度优选在0.05~0.5mm之间，其截面最长尺寸优选在0.05~0.5mm之间。

4.如权利要求1所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：所述分离容器（7）内液相温度在20~60℃之间。

5.如权利要求4所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：所述分离容器（7）内液相温度优选在25~40℃之间。

6.如权利要求1所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：所述筒体管道（4）轴向具有一定的弹性和强度，以抵抗海流带来的拖拽力。

7.如权利要求6所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：利用数个短节螺纹管（14）来增强所述筒体管道（4）的弹性。

8.如权利要求1所述的一种海底可燃冰的开采方法，其特征在于：在所述第二步中，所述机械挖掘机（2）的挖掘面由转动的切片或刮片构成，沿圆周安装的切片之间或刮片之间有一定间隙，切下或刮下来的可燃冰被上面流动的海水冲走，并随海水一起向上运动。