本發(fā)明涉及一種深海天然氣水合物開采方法，屬于天然氣水合物開采領域。

背景技術：

從1810年英國Davy在實驗室首次發(fā)現(xiàn)氣水合物和1888年Villard人工合成天然氣水合物后，人類就再也沒有停止對天然氣水合物的研究和探索。在這近200年的時間內，全世界對天然氣水合物的研究大致經歷了3個階段。第一階段是從1810年Davy合成氯氣水合物和此年對氣水合物正式命名并著書立說到20世紀30年代初。在這120年中，對氣水合物的研究僅停留在實驗室，且爭議頗多。自1934年美國的Hammerschmidt發(fā)表了關于水合物造成輸氣管帶堵塞的有關數(shù)據(jù)后，人們注意到氣水合物的工業(yè)重要性，從負面加深了對氣水合物及其性質的研究。這就是起水合物研究室上的第二個階段。在這個階段，研究主題是工業(yè)條件下水合物的預報和清除、水合物生成阻化劑的研究和應用。20世紀60年代特洛費姆克等發(fā)現(xiàn)了天然氣具有這樣一個特性，即他可以以固態(tài)形式存在于地殼中。特洛費姆克等的研究工作作為世界上第一座天然氣水合物礦田——麥鎖亞哈氣田的發(fā)現(xiàn)、勘探與開發(fā)前期的準備工作提供了重要的理論依據(jù)，大大拓寬了天然氣地質學的研究領域。1971年前后，美國學者開始重視其水合物研究。1972年在阿拉斯加獲得世界上首次確認的冰膠結永凍層中的氣水合物實物。對氣水合物藏成功的理論預測、氣水合物形成帶內樣品的成功檢出和測試，被認為是20世紀最重大發(fā)現(xiàn)之一?？梢哉f，從20世紀60年代至今，全球氣水合物研究跨入了一個嶄新的第三階段——把氣水合物作為一種能源進行全面研究和實踐開發(fā)。世界各地科學家對氣水合物的類型和物化性質、自然賦存和成藏條、資源評價、勘探開發(fā)手段，以及氣水合物與全球變化和海洋地質災害的關系等進行了廣泛而卓有成效的研究。

在全世界的邊緣海、深海槽區(qū)及大洋盆地中，目前已發(fā)現(xiàn)的水深3000m以內沉積物中天然氣水合物中甲烷資源量為2.1×10¹⁶km³。水合物中甲烷的碳總量相當于全世界已知煤、石油和天然氣總量的2倍，可滿足人類1000年的需求，其儲量之大，分布面積廣，是人類未來不可多得的能源。以上儲量的估算尚不包括天然氣水合物層之下的游離氣體。

我國南海路坡和陸隆區(qū)可能含有豐富的天然氣水合物礦藏，估算其總資源量達(643.5～772.2)×10⁸t油當量，大約相當于我國陸上和近海石油天然氣總資源量的1/2。

盡管對天然氣水合物的研究已經取得了一定的效果；但是就目前的情況而言，天然氣水合物資源尚處于普查階段，側重于調查天然氣水合物的身材更哼地區(qū)和水合物穩(wěn)定層的形成、成因，以及地球物理化學性質、資源量及工業(yè)上經濟開采的可能性等。開采水合物的基本原理是現(xiàn)將水合物分為氣和水，然后收集天然氣。目前開采天然氣有3種方法可用，即降壓開采法，注入化學劑開采法和熱力開采法。天然氣水合物的降壓開采法就是利用鉆井經驗的壓力降來干擾水合物的穩(wěn)定性，如果天然氣水合物氣藏與常規(guī)天然氣藏相鄰，降壓開采水合物物氣的效果特別好。開采水合物氣藏的化學劑是那些能降低水合物儲藏溫度的“水合物阻化劑”，主要由甲醇、乙二醇和氯化鈣等。室內試驗表明，天然氣水合物的溶解速率與阻化劑濃度、注入排量、壓力、阻化劑的界面面積有關。熱力開采法是研究最多、最深入的天然氣水合物開采方法?，F(xiàn)已提出的熱力開采法有蒸汽注入、火驅、熱鹽水注入和電磁加熱法。

除了以上常見的開發(fā)思路，根據(jù)有關研究結果，可能還有另一種利用天然氣水合物聲場能源的方法?？茖W家們指出，對于在深海中的傳統(tǒng)氣體礦床通過鉆井手段獲取應該是可行的，但是想因為大陸斜坡的不穩(wěn)定和需要鋪設的管道又很長的那個原因所產生的技術和經濟方面的問題，有可能使得人們難以利用這種手段來開采天然氣水合物資源。所以，試圖在不使天然氣水合物分解的情況下即不用長距離管道，又能把天然氣水合物運送到陸地上來。一個新的天然氣水合物開發(fā)方法是在深海中使天然氣水合物顆?；驅⑻烊粴馑衔镙斔偷揭环N可測控壓力溫度的管道中，使其內部保持天然氣水合物穩(wěn)定所需的溫壓條件，再把天然氣水合物提升至海平面的分解平臺上，在那里天然氣水合物能夠緩慢分解，產出燃料和水?；蛟S今后能研制出一種添加劑，使天然氣水合物在天然氣水合物在較低的壓力和較高的溫度下能夠穩(wěn)定。如果能做到這些，天然氣水合物在傳統(tǒng)的船舶上運輸起來可能比液化的天然氣還要安全。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的技術存在的問題，本發(fā)明的目的是提供于深海天然氣水合物礦藏開采的一種控制開采系統(tǒng)，以避免天然氣水合物在開采管道分解在管道中造成的潛在危險發(fā)生。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：將海底表面的天然氣水合物礦藏通過采礦車鉸刀鉸碎；將鉸碎的天然氣水合物顆粒與引射的海水通過二級破碎裝置形成天然氣水合物漿液進行水力提升；將天然氣水合物漿液水利輸送至軟管，將從軟管輸出的天然氣水合物漿液通過主泵運送至垂直硬管，所述垂直硬管在預定位置還設置有保溫保壓裝置，所述保溫保壓裝置控制垂直硬管內天然氣水合物漿液在提升過程中的壓力和溫度變化以使天然氣水合物漿液保持固液兩相流動，以保持天然氣水合物的穩(wěn)定狀態(tài)；從垂直硬管輸出的天然氣水合物漿液輸送至海上分離裝置，分離裝置對天然氣水合物漿液進行分離和處理，所述分離裝置為二級分離裝置；從分離裝置分離的天然氣通過輸氣管線輸送至天然氣儲罐中。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中涉及的裝置包括鉸刀(1)，鉸頭(2)，伸縮桿(3)，鉸吸管(4)，行走裝置(5)，輔泵(6)，二級破碎器(7)，往復泵(8)，過濾器(9)，過濾管(10)，電機(11)，軟管(12)，伸縮管(13)，浮力球(14)，主泵(15)，硬管(16)，保溫保壓裝置(17)，電纜(18)，應急泵(19)，溫壓監(jiān)控模塊(20)，溫壓調節(jié)模塊(21)，水泵(22)，蒸餾器(23)，止回閥(24)，盤管(25)，帶溫分離器(26)，調節(jié)閥(27)，一號放空閥(28)，一號單向閥(29)，氣液分離器(30)，回填管路(31)，儲氣罐(32)，二號放空閥(33)，LNG處理裝置(34)，電路板(35)，基板(36)，導流條(37)，元件(38)，第一充氣接頭(39)，活塞(40)，第二充氣接頭(41)，殼體(42)，壓力表(43)，接頭(44)，二號單向閥(45)，高壓氣瓶(46)。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中二級破碎裝置(7)與鉸刀(1)通過密閉集輸管線連接，以保持天然氣水合物漿液的穩(wěn)定狀態(tài)。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中引射的海水通過海水過濾裝置(9)連接二級破碎裝置(7)，為避免二級破碎裝置中的天然氣水合物漿液摻入其他雜質。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中在軟管(12)預定位置上設置了固定軟管的浮力球(14)。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中在軟管預定位置上設置了使采礦車在天然氣水合物礦藏地區(qū)可以長距離操作的伸縮裝置(13)。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中保溫保壓裝置(17)包括制冷片和加壓控制裝置。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中垂直硬管與所述海上平臺一級分離器的連接管線上設置有應急系統(tǒng)(19)。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中分離裝置包括帶溫分離器(26)和氣液分離器(30)。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中帶溫分離器(26)還包括用于提供熱量的蒸餾裝置(23)，蒸餾裝置(23)的出口與帶溫分離器(26)連接，蒸餾裝置(23)的入口與水泵(22)連接。

所述的一種深海天然氣水合物開采控制方法，方法中天然氣儲存罐(32)輸出的天然氣輸送至LNG處理系統(tǒng)(34)將天然氣進行液化后可直接向外輸送。

發(fā)明優(yōu)點

本發(fā)明的天然氣水合物開采控制方法，利用深海成巖地層的天然氣水合物在海底溫度和壓力下的穩(wěn)定性，采用固態(tài)開采系統(tǒng)，由于垂直管道是主要開采管道，并且在垂直管道設置保溫保壓裝置，因此水合物不會分解，從而實現(xiàn)了原位固態(tài)開發(fā)，既保護了海底環(huán)境，又使得整個開采系統(tǒng)安全可行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的深海天然氣水合物開采控制方法裝置連接示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的保溫裝置示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的保壓裝置示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例的一種深海天然氣水合物的開采控制方法，其所實現(xiàn)的思路和原理：將深海天然氣水合物礦藏當作一種海底礦藏資源，利用其在海底的自然環(huán)境的溫度和壓力下的穩(wěn)定性，采用固態(tài)開采系統(tǒng)，將海底表面的天然氣水合物礦藏通過采礦車鉸刀(1)鉸碎；將鉸碎的天然氣水合物顆粒與引射的海水通過二級破碎裝置(7)形成天然氣水合物漿液進行水力提升；將天然氣水合物漿液水利輸送至軟管(12)，將從軟管輸出的天然氣水合物漿液通過主泵(15)運送至垂直硬管(16)，所述垂直硬管在預定位置還設置有保溫保壓裝置(17)，所述保溫保壓裝置控制垂直硬管內天然氣水合物漿液在提升過程中的壓力和溫度變化以使天然氣水合物漿液保持固液兩相流動，以保持天然氣水合物的穩(wěn)定狀態(tài)；從垂直硬管輸出的天然氣水合物漿液輸送至海上分離裝置，分離裝置對天然氣水合物漿液進行分離和處理，所述分離裝置為二級分離裝置；從分離裝置分離的天然氣通過輸氣管線輸送至天然氣儲罐中(32)。

下面具體介紹本發(fā)明實施例的天然氣水合物開采控制方法

如圖1-圖3所示，本發(fā)明實施例的天然氣水合物開采控制方法分為海底采礦區(qū)、管道水力提升區(qū)、海上平臺分離處理區(qū)。

海底采礦區(qū)是將深海天然氣水合物礦藏區(qū)域以固態(tài)形式采掘所述天然氣水合物，并將所述天然氣水合物粉碎為顆粒后，與海水混合成固液兩相的水合物漿液。

如圖1所示，海底采礦車包括鉸頭(2)、鉸刀(1)、拉伸桿(3)、鉸吸管(4)、輔泵(6)、二級破碎裝置(7)、往復泵(8)、過濾器(9)、電路裝置(11)。

其中，鉸刀固定在鉸頭上，用于固定區(qū)域的破碎水合物礦藏，一定體積的天然氣水合物經過鉸刀的初次破碎成天然氣水合物大顆粒，利用輔泵將所述天然氣水合物大顆粒泵入二級破碎裝置，將所述大顆粒破碎成利于管道輸送的小顆粒。將海水經過過濾器過濾去除雜質的少雜質海水引射進二級破碎裝置與天然氣水合物小顆粒混合成固液兩相漿液。海水過濾器、二級破碎裝置和輔泵設置于采礦車身中，與采礦收集管相連。

過濾器下方裝有雜質輸送管，采礦車的電力系統(tǒng)由電路板提供電量，采礦車行走裝置為履帶式行走機構。

由于整個采礦過程是海底的天然氣水合物的礦藏區(qū)進行的，未改變水合物的溫度壓力條件，因此可以保證天然氣水合物保持固態(tài)而不分解，從而實現(xiàn)原位固態(tài)開采。

本實施案例的海底鉸吸裝置，其利用高效破碎海床刀具，能適應海底高壓高腐蝕環(huán)境，能有效將海床的淤泥、石塊破碎成相當程度的碎片，以適應后期的管道輸送。而二級破碎裝置，是在采礦車內設置的破碎鉸碎天然氣水合物顆粒的裝置，進一步收集起來的可燃冰混合物處理成均勻的密度，以便將其泵入集輸管道。

破碎后的天然氣含沙水合物顆粒與海水一起經過二級破碎裝置流入管道提升區(qū)。

管道提升區(qū)包括軟管(12)提升和硬管(16)提升兩大部分，為了能夠使采礦車在海底行走距離加長，在軟管下端指定位置設置成可拉伸軟管，可使采礦車牽引住軟管在深海進行長距離作業(yè)。在軟管指定位置安裝有數(shù)量較多的浮力球，可使在軟管拉伸時有足夠的浮力，避免軟管過于晃動。在軟管內的天然氣水合物漿液利用主泵泵入垂直硬管，由于垂直硬管是本裝置輸送最長的管道，為避免天然氣水合物的分解，在指定位置設置了保溫保壓裝置。

如圖1所示，保溫裝置是由運行過程非常穩(wěn)定、安全的半導體制冷片的熱電制冷方式實現(xiàn)自身的主動保溫，半導體制冷片包括電路板(35)、基板(36)、導流條(37)、元件(38)，半導體制冷的原理也成為“帕爾帖效應”，其物理機理為：電載荷體在導體中運動形成電流，由于電載荷體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，就會釋放出多余的熱量，反之，就需要從外界吸收熱量即表現(xiàn)為制冷。

其中，電路系統(tǒng)為海上供電裝置通過絕緣電纜連接到半導體制冷片的電路板上，為半導體制冷片提供直流電源。

如圖2所示，壓力補償系統(tǒng)主要由接頭體(44)、充氣接頭體(41)、殼體(42)和活塞(40)組成，是用來對保壓裝置在檢測到垂直管道壓力損失較大時進行補充壓力的。當補償系統(tǒng)內的壓力降低，直到補償系統(tǒng)內和保溫保壓內的壓力達到平衡。

從垂直硬管輸送出的漿液直接進入帶溫分離器，所述帶溫分離器利用蒸餾裝置向盤管輸送的蒸汽進行加熱分離，所述蒸餾裝置由水泵泵入海水到蒸餾裝置。帶溫分離器使天然氣水合物分離出的天然氣流向氣液分離器，分離出的泥沙或砂礦從回填管路回填至海底。由于高溫分離出的天然氣帶有水滴，在進行氣液分離器時，將液滴落入分離器底部，天然氣氣相則通過吸附墊上升至分離器出口輸送至LNG處理裝置，從氣液分離器分離的液體雜質通過回填管路輸送至海底，帶溫分離器與氣液分離器的回填管路相連接，分離后的礦砂和泥沙經處理后回填大海，避免地質次生災害。

上述經過LNG處理過的液化天然氣可以直接向外輸送。

本發(fā)明實例的天然氣水合物開采控制系統(tǒng)，利用深海成巖地層的天然氣水合物在海底溫度和壓力下的穩(wěn)定性，采用固態(tài)開采系統(tǒng)，由于垂直管道是主要開采管道，并且在垂直管道設置保溫保壓裝置，因此水合物不會分解，從而實現(xiàn)了原位固態(tài)開發(fā)，既保護了海底環(huán)境，又使得整個開采系統(tǒng)安全可行。