CN105587303B - 海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法和开采装置，所述绿色开采方法包括以下步骤：在不改变海底天然气水合物地层周围温度和压力的情况下，利用海底采矿的方式采掘天然气水合物并二次破碎得到天然气水合物颗粒与海水的混合物；将天然气水合物颗粒与海水的混合物直接在海底进行密封环境下的热分解得到天然气，其中，热分解所需的能量来源于天然气水合物热分解时气体膨胀作功产生的能量；将天然气输送至海面进行后处理并得到液化天然气。所述绿色开采装置包括采掘破碎单元、第一输送管、分解单元、天然气输送管、能量供给单元和海面支持单元。

Description

海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置

技术领域

本发明涉及海底天然气水合物开采的技术领域，更具体地讲，涉及一种海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置。

背景技术

天然气水合物又称为可燃冰，是一种由甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力条件下形成的“笼型化合物”，呈白色晶状结构。天然气水合物储量巨大，超过已知碳化石燃料总和的2倍，主要存在于陆地永冻土以及大洋海底，其中大洋海底天然气水合物的储量远远超过陆地永冻土区域的储量。

美国、日本、俄罗斯等国家分别对天然气水合物进行了试采研究，主要试采方法有注热法、降压法、抑制剂法以及几种方法的综合。这些开采方法并未脱离传统油气开采思路，且试采所选用的天然气水合物藏有良好的盖层，即便如此，也只验证了短期试采的技术可行性，长期开采引起的潜在环境地质灾害仍有待进一步评估。

我国天然气水合物的研究起步晚，但发展较快，目前已在南海进行过两次海底天然气水合物实地取样。从两次取样结果来看，发现我国海底天然气水合物与世界其它地区大多数天然气水合物类似，具有埋深浅、弱胶结的特点。针对这种深海浅层非成岩水合物，有学者提出了“固态流化”的开采方法，该方法是在不改变海底温度和压力的情况下，直接采掘天然气水合物固体，通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混合物泵送至海面，而后再进行分离、分解气化等处理。因为该方法不改变海底天然气水合物的温度和压力，从而避免了天然气水合物分解引起的工程地质与环境灾害。

固态流化为深海浅层非成岩天然气水合物的开采提供了新思路，然而该方法也存在着各种技术难题，尤其管输过程中水合物颗粒在多相流动条件下的非平衡分解问题，如果该问题不能有效解决或避免，固态流化开采方法的应用将受到严重制约。另外，如何充分利用海底的压力能和水合物分解产生的天然气膨胀所做的功，也是一个关键技术问题。探索更为节能的绿色开采方式，将是实现大规模开采所必须解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种能够节约能源并降低天然气开采成本的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置。

本发明的一方面提供了一种海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法，所述绿色开采方法包括以下步骤：

A、在不改变海底天然气水合物地层周围温度和压力的情况下，利用海底采矿的方式采掘天然气水合物并二次破碎得到天然气水合物颗粒与海水的混合物；

B、将所述天然气水合物颗粒与海水的混合物直接在海底进行密封环境下的热分解得到天然气；

C、将所述天然气输送至海面进行后处理并得到液化天然气；

其中，热分解所需的能量来源于天然气膨胀作功和天然气输送管路的内外压差作功。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的一个实施例，在步骤B中，还包括在热分解的同时向密封环境外排出海水和泥沙的步骤；在步骤C中，所述后处理包括净化处理和液化处理。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的一个实施例，在步骤B中，将所述天然气水合物热分解时气体膨胀作功产生的能量转化为电能并用于热分解和步骤A中的采掘和二次破碎。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的一个实施例，在步骤B中，热分解所需的能量还来源于海洋表面热海水的能量，其中，将所述海洋表面热海水输送至海底的密封环境中并且将所述海洋表面热海水的能量用于热分解。

本发明的另一方面提供了一种海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，所述绿色开采装置包括采掘破碎单元、第一输送管、分解单元、天然气输送管、能量供给单元和海面支持单元，其中，

所述采掘破碎单元包括采掘头和二次破碎子单元，所述采掘破碎单元通过第一输送管与分解单元连接；

所述分解单元包括密封分解仓和设置在密封分解仓中的电加热子单元，所述分解单元通过天然气输送管与海面支持单元连接；

所述能量供给单元包括发电机和设置在所述天然气输送管中的涡轮机，所述采掘破碎单元和电加热子单元与所述能量供给单元电连接；

所述海面支持单元包括海面支持船和设置在海面支持船上的后处理单元。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的一个实施例，所述绿色开采装置还包括辅助能量供给单元，所述辅助能量供给单元包括设置在所述海面支持船上的热海水泵和连接所述热海水泵与密封分解仓的热海水输送管。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的一个实施例，所述热海水输送管嵌套在所述天然气输送管内。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的一个实施例，所述采掘破碎单元为集成有所述采掘头和二次破碎子单元的自行式采矿车，所述第一输送管为软管并且所述软管上还设置有若干个浮球。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的一个实施例，所述分解单元还包括用于分离海水的过滤子单元、用于排出海水的海水泵和用于排出泥沙的螺杆砂浆泵。

根据本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的一个实施例，所述后处理单元包括天然气净化子单元、LNG液化子单元和外输子单元。

与现有技术相比，本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置不会改变海底的温度与压力，使开采过程安全便捷，而且采用水下分解，避开了水合物颗粒在多相管输条件下的动态分解技术难题；此外，还有效利用天然气膨胀做功以及海底压力能，节约了能源并降低了天然气的开采成本。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的原理示意图。

图2示出了根据本发明示例性实施例中第一种实施方式的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的结构示意图。

图3示出了根据本发明示例性实施例中第二种实施方式的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的结构示意图。

附图标记说明：

Ⅰ-采掘破碎单元、Ⅱ-分解单元、Ⅲ-能量供给单元、Ⅳ-海面支持单元、Ⅴ-辅助能量供给单元；

1-采掘头、2-二次破碎子单元、3-浮球、4-第一输送管、5-过滤子单元、6-电加热子单元、7-辅助过滤网、8-发电机、9-涡轮机、10-海水泵、11-密封分解仓、12-螺杆砂浆泵、13-天然气输送管、14-热海水输送管、15-热海水泵、16-海面支持船、17-天然气净化子单元、18-LNG液化子单元、19-外输子单元。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面将对本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的原理进行详细的说明。本发明的绿色开采方法一方面采用将采掘的天然气水合物进行水下分解的方式，避开了水合物颗粒在多相管输条件下的动态分解问题；同时，有效地利用天然气膨胀做功以及海底压力能，节约了能源并降低了天然气的开采成本。

图1示出了根据本发明示例性实施例的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的原理示意图。如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法包括以下多个步骤。

步骤A：

在不改变海底天然气水合物地层周围温度和压力的情况下，利用海底采矿的方式采掘天然气水合物并二次破碎得到天然气水合物颗粒与海水的混合物。本步骤事实上是天然气水合物的预处理步骤，包括机械采掘天然气水合物固体的步骤和二次破碎得到天然气水合物颗粒的步骤。在本发明中，所述“不改变天然气水合物地层周围温度和压力的情况”是相对于传统水合物开采方法而言的，传统的开采方法是通过人为地向天然气水合物地层注热、降低地层压力、注入化学试剂等方法使天然气水合物在地层中分解成天然气和水后再进行采集，本发明所用的开采方法是固态开采方法并且不要求人为地主动改变天然气水合物赋存地层的温度压力以达到天然气水合物原位分解的目的，也即本发明所述的不改变天然气水合物地层周围温度和压力是指不主动去改变天然气水合物地层周围的温度和压力。

步骤B：

将步骤A得到的天然气水合物颗粒与海水的混合物直接在海底进行密封环境下的热分解得到天然气，其中，热分解所需的能量包括天然气水合物热分解时气体膨胀作功产生的能量。本步骤直接对天然气水合物颗粒进行热分解和与海水的分离，从而直接得到天然气。其中，还包括在热分解的同时向密封环境外排出海水和泥沙的步骤。

同时，由于在热分解得到天然气之后，输送的天然气会膨胀，同时输送天然气的管道中会存在较大的压差，天然气膨胀作功和天然气输送管的内外压差作功的能量均能够加以利用(例如转化为电能)，所以本发明创造性地直接利用这部分能量在海底用于天然气水合物的热分解，同时还能用于天然气水合物的采掘和二次破碎，有效地节约了能源并降低了成本。

更优选地，还可以同时利用来源于海洋表面热海水的能量来辅助加强天然气水合物的热分解。具体地，可以将海洋表面热海水输送至海底的密封环境中并且将海洋表面热海水的能量用于热分解。

步骤C：

将步骤B分解得到的天然气输送至海面进行后处理并得到液化天然气。其中，后处理可以包括净化处理和液化处理等常规的处理步骤，待液化天然气存储到一定量后进行外输即可。

下面对本发明的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置作进一步说明。本发明的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法优选地直接采用该绿色开采装置来实现，但本发明不限于此。

图2示出了根据本发明示例性实施例中第一种实施方式的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的结构示意图，图3示出了根据本发明示例性实施例中第二种实施方式的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的结构示意图。

下面主要以第一种实施方式来进行说明。如图2所示，根据本发明的示例性实施例，所述海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置包括采掘破碎单元Ⅰ、第一输送管4、分解单元Ⅱ、天然气输送管13、能量供给单元Ⅲ和海面支持单元Ⅳ。

采掘破碎单元Ⅰ用于进行天然气水合物的采掘和二次破碎，从而在不改变海底天然气水合物地层周围温度和压力的情况下得到天然气水合物颗粒与海水的混合物。根据本发明，采掘破碎单元Ⅰ包括采掘头1和二次破碎子单元2，采掘破碎单元Ⅰ通过第一输送管4与分解单元Ⅱ连接。优选地，采掘破碎单元Ⅰ为集成有采掘头1和二次破碎子单元2的自行式采矿车，由此在采掘到天然气水合物之后可立即通过二次破碎在采掘水合物的之后可立即通过二次破碎装置进行颗粒细化，更易于天然气水合物颗粒与海水的混合物在第一输送管4中流动，并且还可以增加颗粒传热面积，使之在密封分解仓内进行更加高效的分解。根据本发明的优选实施例，第一输送管4为软管并且软管上还设置有若干个浮球3，以减小软管与海底表面的摩擦并降低磨损。

分解单元Ⅱ用于进行天然气水合物的分离和热分解并得到天然气。根据本发明，分解单元Ⅱ包括密封分解仓11和设置在密封分解仓11中的电加热子单元6，密封分解仓11为热分解提供相对密封的环境，电加热子单元6为热分解提供热量，从而实现天然气水合物的热分解。分解单元Ⅱ通过天然气输送管13与海面支持单元Ⅳ连接。优选地，分解单元Ⅱ还包括用于分离海水的过滤子单元5、用于排出海水的海水泵10和用于排出泥沙的螺杆砂浆泵12。其中，过滤子单元5可分离出一部分海水，从而降低后续加热过程中的能量消耗，过滤子单元5可以为滤网。此外，在密封分解仓11与天然气输送管13之间也可以设置辅助过滤网7，从而进一步保证输送出去的天然气的清洁度。

能量供给单元Ⅲ利用天然气膨胀作功和天然气输送管内外压差作功产生的能量并转化为电能，从而直接利用电能进行天然气水合物的热分解和采掘破碎单元Ⅰ的驱动。根据本发明，能量供给单元Ⅲ包括发电机8和设置在天然气输送管13中的涡轮机9，采掘破碎单元Ⅰ和电加热子单元6与能量供给单元Ⅲ电连接。具体地，采掘破碎单元Ⅰ和电加热子单元6的动力由发电机8提供，发电机8由天然气输送管13内的涡轮机9驱动，涡轮机9的动力由天然气输送管13内流动的天然气提供，由此充分地利用了可利用的能源。

根据本发明的第二种实施方式，所述绿色开采装置还包括辅助能量供给单元Ⅴ。具体如图3所示，辅助能量供给单元Ⅴ包括设置在海面支持船16上的热海水泵15和连接热海水泵15与密封分解仓11的热海水输送管14，由此，热海水能够通过热海水输送管14并由热海水泵15输送至密封分解仓11中，从而辅助电加热子单元6进行天然气水合物的热分解，热海水在温度降低后可以通过海水泵10和螺杆砂浆泵12排出密封分解仓11。优选地，热海水输送管14嵌套在天然气输送管13内，由此可实现热海水保温与加热天然气防止天然气水合物再次生成的双重有益效果。其中，本发明所述的热海水是指位于海表面且温度高于海底海水温度的海水。

海面支持单元Ⅳ在海面对海底输送来的天然气进行相关的处理。根据本发明，海面支持单元Ⅳ包括海面支持船16和设置在海面支持船16上的后处理单元。优选地，后处理单元可以包括天然气净化子单元17、LNG液化子单元18和外输子单元19，从而对输送至海面的天然气进行净化处理、液化处理等常规处理，并在液化天然气存储到一定量后进行外输。

本发明的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置的工作原理可以具体描述为：针对海底浅层非成岩的天然气水合物，在不改变天然气水合物地层周围温度和压力的情况下，直接利用采掘机械对天然气水合物进行机械破碎，由于影响天然气水合物相态稳定的温度压力条件没有变化，所以能够保证破碎后的水合物不发生分解，破碎后的天然气水合物仍为固态颗粒，这样可以将颗粒收集到密闭分解仓以后再改变颗粒物的温度，从而可以将固态的天然气转变为气态。在密封的管道内气体会上升，并且由于海底压力较高，而天然气输送管道内压力较小，所以管内外处于欠平衡状态，从而产生较大的压力差；此外天然气水合物分解出的天然气将迅速膨胀并产生膨胀功，从而驱动天然气输送管道内的涡轮机并进而带动发电机发电，并通过与引入的热海水进行热交换，从而将密封分解仓内的天然气水合物全部分解、输送并收集，达到天然气开采的目的。电加热子单元的动力通过发电机提供，发电机8动力通过与之相连的涡轮机提供，涡轮机的动力通过天然气膨胀做功和天然气输送管内外压差做功提供，这样有效地实现了就地取材并利用立式的天然气输送管中天然气水合物分解为气体而膨胀做功和管道内外压差作为动力源，从而减少了其他形式能源的消耗，并且减少了污染。在天然气水合物的采掘步骤中，采掘头破碎之后的天然气水合物还要经过二次破碎子单元的颗粒细化处理，这样不仅更有利于固体颗粒在海水的带动下顺利在第一输送管中流动，还可以增加颗粒传热面积，使之在密封分解仓内进行更加高效的分解。经过二次破碎后的天然气水合物颗粒通过第一输送管转移到密封分解仓中，此时需利用过滤子单元先过滤出部分的海水，从而减少为加热天然气水合物而耗费的热能。密封分解仓内的加热途径有两个：其一是通过电加热子单元进行加热，其动力由发电机提供，发电机的动力由与之相连的涡轮机提供，涡轮机的动力由天然气流动驱动；其二是通过注入海表面的热海水进行加热，首先通过海水泵将热海水提升至海面支持船里，在进行一定的处理后再通过热海水输送管注入海底的密封分解仓中为天然气水合物的分解提供热量。热海水输送管嵌套在天然气输送管内，既可以有效防止海水热量散失，又能减少天然气的散热，从而降低天然气在输送过程中二次生成水合物的风险。天然气输送至海面支持船后按照常规天然气处理方法进行处理，之后将其制备成液化天然气并储存，待储存到一定量之后由运输船进行转运即可。

综上所述，本发明海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法及开采装置不会改变海底的温度与压力，使开采过程安全便捷，而且采用水下分解，避开了水合物颗粒在多相管输条件下的动态分解技术难题；此外，还有效利用天然气膨胀做功以及海底压力能，节约了能源并降低了天然气的开采成本。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法，其特征在于，所述绿色开采方法包括以下步骤：

A、在不改变海底天然气水合物地层周围温度和压力的情况下，利用海底采矿的方式采掘天然气水合物并二次破碎得到天然气水合物颗粒与海水的混合物；

B、将所述天然气水合物颗粒与海水的混合物直接在海底进行密封环境下的热分解得到天然气；

C、将所述天然气输送至海面进行后处理并得到液化天然气；

其中，热分解所需的能量来源于天然气膨胀作功和天然气输送管路的内外压差作功，密封分解仓内的加热途径有两个：其一是通过电加热子单元进行加热，其动力由发电机提供，发电机的动力由与之相连的涡轮机提供，涡轮机的动力由天然气流动驱动；其二是通过注入海表面的热海水进行加热，通过热海水输送管注入海底的密封分解仓中为天然气水合物的分解提供热量，热海水输送管嵌套在天然气输送管内，既有效防止海水热量散失，又减少天然气的散热，从而降低天然气在输送过程中二次生成水合物的风险；在步骤B中，还包括在热分解的同时向密封环境外排出海水和泥沙的步骤；经过二次破碎后的天然气水合物颗粒通过第一输送管转移到密封分解仓中，利用过滤子单元先过滤出部分的海水，从而减少为加热天然气水合物而耗费的热能；通过与引入的热海水进行热交换，从而将密封分解仓内的天然气水合物全部分解、输送并收集；在步骤C中，所述后处理包括净化处理和液化处理。

2.根据权利要求1所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法，其特征在于，在步骤B中，将所述天然气水合物热分解时气体膨胀作功产生的能量转化为电能并用于热分解和步骤A中的采掘和二次破碎。

3.根据权利要求1或2所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法，其特征在于，在步骤B中，热分解所需的能量还来源于海洋表面热海水的能量，其中，将所述海洋表面热海水输送至海底的密封环境中并且将所述海洋表面热海水的能量用于热分解。

4.一种应用如权利要求1所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，其特征在于，所述绿色开采装置包括采掘破碎单元、第一输送管、分解单元、天然气输送管、能量供给单元和海面支持单元，其中，

所述采掘破碎单元包括采掘头和二次破碎子单元，所述采掘破碎单元通过第一输送管与分解单元连接；

所述分解单元包括密封分解仓和设置在密封分解仓中的电加热子单元，所述分解单元通过天然气输送管与海面支持单元连接；

所述能量供给单元包括发电机和设置在所述天然气输送管中的涡轮机，所述采掘破碎单元和电加热子单元与所述能量供给单元电连接；

所述海面支持单元包括海面支持船和设置在海面支持船上的后处理单元。

5.根据权利要求4所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，其特征在于，所述绿色开采装置还包括辅助能量供给单元，所述辅助能量供给单元包括设置在所述海面支持船上的热海水泵和连接所述热海水泵与密封分解仓的热海水输送管。

6.根据权利要求5所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，其特征在于，所述热海水输送管嵌套在所述天然气输送管内。

7.根据权利要求4所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，其特征在于，所述采掘破碎单元为集成有所述采掘头和二次破碎子单元的自行式采矿车，所述第一输送管为软管并且所述软管上还设置有若干个浮球。

8.根据权利要求4所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，其特征在于，所述分解单元还包括用于分离海水的过滤子单元、用于排出海水的海水泵和用于排出泥沙的螺杆砂浆泵。

9.根据权利要求4所述的海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采装置，其特征在于，所述后处理单元包括天然气净化子单元、LNG液化子单元和外输子单元。