天然气水合物的固体开采法

天然气水合物

1   水合物的固体开采法简介

固体开采法是直接将海底水合物地层进行挖掘采集，然后将采集到的固体拖至浅水区，通过搅拌或者其他物理化学手段对其进行控制性分解。在南海北部珠江口盆地及琼东南盆地的天然气水合物分布范围分别为水深＞860m和＞650m的海区，通过研究认为，水合物埋深在1000m左右时商业开采价值最大。

近年来，该方法逐渐演变成为混合开采法或泥浆开采法：

①在原地将水合物分解为气液混合相，采集混合泥浆；

②将这些泥浆导入作业船和海上平台进行进一步的处理。

该方法充分利用了海平面海水温度的能量，克服了海底水合物分解效率低的缺点。但是水合物由深水区拖至浅水区时涉及复杂的三相流动且需要消耗大量能量，因此，距离用于实际商业化生产还有许多技术瓶颈需要攻克。

2   水力提升法机理

水力提升法是将水合物以固体形态提升到海平面,而不是直接进行原位分解。其基本思路是在海底用集矿机对水合物进行收集,并进行初步泥沙分离,然后采用固、液、气三相混输技术,将固态水合物及输送过程中分解出的气体提升到海平面,然后利用海面的高温海水(20℃左右)对水合物进行分解并获得气体。结合深海水力提升金属锰结核的技术设计出了水力提升水合物的系统(如图)。

水力提升开采系统示意图

系统主要包括四大部分:海底集矿子系统、水力提升子系统、监控子系统和海上水合物分解子系统。

海底集矿子系统将浅层的水合物与泥沙等沉积物进行初步分离,然后水合物被破碎成适用于水力提升的小块,直径不大于15mm,通过喷射器送到水力提升系统;水力提升子系统是整个系统的关键,主要由扬矿泵、扬矿管、中继仓、给矿机组成。为了控制水合物的分解,扬矿泵通过高压、低温液体提升水合物碎块;监控子系统则用于完成系统定位、作业控制和管理等工作;海上水合物分解子系统则利用海水的温度来分解提升出的未分解水合物。

海底集矿子系统收集水合物,并对水合物和沉积物进行初步分离。该过程必须考虑海底的稳定性及其造成的生态环境破坏。在水力提升系统中进行的是固、气、液的三相混输。在输送过程中,控制水合物的分解、防止在水力提升管道中水合物的再次生成、保证最高的输送效果等都非常重要。

目前,固液、气固或者气液两相流输送的研究都比较成熟,但对三相流输送过程中流态、流形的控制等相关的研究非常少。三相流中的气体具有高可压缩性,其流态不稳定,如果水合物分解不被控制,管道上部高压气体急剧膨胀,会引起管道内的气体组分大量增加,水合物浆体上升速度太快,从而冲击管子和海上平台。监控子系统则必须实时监控管路中的压力损失和流动变化情况,从而及时调整系统,以保证安全、高效的提升。

海上水合物分解子系统则需要保证对提升的水合物进行快速气化。尽管水力提升煤炭的技术已经比较成熟,海底提升锰矿的半工业试验也证明该方法具有可行性,但用水力法提升水合物的技术还需要全面开发。与其他水力提升系统的主要不同是,在水合物的输送过程中,随着海水温度的升高以及管内压力的降低,水合物将分解为水和天然气,从而对输送效率、安全性等产生重要的影响。

3   绞吸式开采机理

绞吸式海底天然气水合物开采方法如下图所示,它由海底采掘车、水力提升系统和海面分解集运系统三个部分组成。水力提升系统包括软管、硬管和提升泵,海面分解集运系统包括由分解池、集气、水泵和尾矿管组成的分解平台和运输船组成的运输系统。

绞吸式开采系统示意图

绞吸式天然气水合物开采方法的工作原理如图所示,首先采掘车上的螺旋切绞刀对水合物进行切割和破碎,与此同时破碎后的水合物颗粒在提升泵产生的吸力作用下被快速地吸入管道内,进入软管,再经提升泵加压之后,通过硬管直接输送至海面的分解池内;同时分解池旁的水泵将海面海水(约20℃)不断地注入分解池内提高分解吃池水温,由于天然气水合输送至分解池内时压力得到降低,温度得到提高,因而迅速分解;分解出来的天然气经干燥后收集于集气站并通过软管输往运输船,而尾矿则通过尾矿管排至海底,以防污染海洋。由于采掘车在海底切割和收集水合物的过程中没有打破其热力学平衡与压力平衡,因此在理论上不会造成天然气水合物的分解。

海底采掘车

由于绞吸式开采方法采用管道直接将采矿车开采的海底天然气水合物颗粒直接输送至海面上再进行分解、干燥和液化等后续处理,开采过程中无需构筑封闭的环境,具有开采操作简单,持续性强,工作效率高等优点,适合于开采缺乏致密覆盖层的海底天然气水合物藏。

原理简化模型

经计算，将天然气水合物颗粒从海底4000m提升至海面,提升泵的扬程只需145m,功率236kW;而将天然气水合物从1000m深的海底提升至海面,提升泵的扬程只需50m左右,功率80kW左右,采用矿浆泵进行输送可以满足系统要求。

另外，天然气水合物、海底浅层沉积物及海水的混合流体的密度与海水密度相差不大,且天然气水合物和海底浅层沉积物的硬度较低,因此,采用矿浆直接进行输送磨损不会严重,可保障提升系统长期稳定工作,说明该种方法的确适合于海底天然水合物的开采。

资料来源：

1. 2005.唐良广等.海洋渗漏型天然气水合物开采的新模式

2. 2011.徐海良等.海底天然气水合物绞吸式开采方法研究

3. 2015.徐海良等.天然气水合物绞吸式开采软管内颗粒分布分析

4. 2016.张洋等.天然气水合物开采技术现状

5. 2008.吴传芝等.天然气水合物开采研究现状

我爱发明

楼主发布的这些方法很有启发性啊，想请教一下楼主，海底存不在那种分布在海底的露头样式的水合物呢

天然气水合物

我爱发明 发表于 2016-8-31 08:50

也有，但很少见。一般都需要有一定埋深，100~1000mbsf为宜，太浅了压力不够

Logen

分布于海床表面的水合物岂不是很不稳定，按照储量0.5%泄露到大气中，温室效应就不得了