海底天然氣水合物開(kāi)采裝置

周鈺明+宋現(xiàn)宇+王靜+謝光磊

【摘 要】2015年我國(guó)石油進(jìn)口3.28億噸，對(duì)外依存度首破60%，達(dá)到60.6%，能源自給率低已對(duì)我國(guó)能源安全造成了很大的威脅，因此急需找到新的能源，破解我國(guó)能源供給困局。海底天然氣水合物是一種儲(chǔ)量巨大的清潔能源，有希望替代石油、煤炭成為主要能源。我國(guó)海底天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)仍處于探索階段，尚未形成成熟的工業(yè)化開(kāi)采技術(shù)。因此亟需研發(fā)一套能應(yīng)用于工業(yè)化開(kāi)采天然氣水合物的工藝和方法，而海底非成巖天然氣水合物因埋藏淺分布廣，更容易采掘，可以成為天然氣水合物開(kāi)采的一個(gè)突破口。本文提出了一種海底天然氣水合物的開(kāi)采裝置，能夠綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的對(duì)海底天然氣水合物進(jìn)行開(kāi)采。

【關(guān)鍵詞】海底天然氣水合物；降壓法；開(kāi)采裝置；快速移動(dòng)

工程背景：天然氣水合物又稱“可燃冰”，是分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”。其資源密度高，全球分布廣泛，具有極高的資源價(jià)值，因而成為油氣工業(yè)界長(zhǎng)期研究熱點(diǎn)。自上世紀(jì)60年代起，以美國(guó)、日本、德國(guó)、我國(guó)、韓國(guó)、印度為代表的一些國(guó)家都制訂了天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃。迄今，人們已在近海海域與凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)水合物礦點(diǎn)超過(guò)230處，涌現(xiàn)出一大批天然氣水合物熱點(diǎn)研究區(qū)。海底天然氣水合物是甲烷氣體在海底的低溫高壓環(huán)境下與水分子結(jié)合形成的結(jié)晶體，是一種儲(chǔ)量巨大的清潔能源，有希望替代石油、煤炭成為主要能源。天然氣水合物廣泛分布于海底沉積層，具有儲(chǔ)量大、弱膠結(jié)、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，一旦所在區(qū)域的溫度、壓力條件發(fā)生變化，就可能導(dǎo)致海底天然氣水合物的大量分解、氣化和自由釋放。然而甲烷是溫室氣體，大量釋放到大氣中會(huì)造成溫室效應(yīng)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。因此保證開(kāi)采海底的天然氣水合物的過(guò)程中天然氣不泄露、不逸散以及如何高效率的分解天然氣水合物，是目前海底天然氣水合物礦藏開(kāi)發(fā)的主要問(wèn)題。

1 現(xiàn)有的天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)的不足

現(xiàn)有天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)中，通常通過(guò)降壓法、注熱法或者注化學(xué)試劑法等，將海底具的天然氣水合物礦藏轉(zhuǎn)化為氣體和水，對(duì)轉(zhuǎn)化后得到的氣體進(jìn)行收集，再通過(guò)水下生產(chǎn)設(shè)施或浮式生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行生產(chǎn)，目前還沒(méi)有一種成熟的海底天然氣水合物的開(kāi)采辦法及系統(tǒng)正式投入商業(yè)運(yùn)行，美國(guó)、日本等國(guó)均進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的開(kāi)采。

主要原因是現(xiàn)有的開(kāi)采辦法都比較復(fù)雜，成本高，而且缺乏可控性和可操作性，容易引起甲烷氣體的泄漏，造成環(huán)境污染和大氣的溫室效應(yīng)，開(kāi)采效率也無(wú)法達(dá)到工業(yè)開(kāi)發(fā)最低要求，均還處于試驗(yàn)室探索階段，無(wú)法投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。因此，需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)高效的開(kāi)采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底天然氣水合物的開(kāi)采。

2 創(chuàng)新的天然氣水合物開(kāi)采裝置

下面提到的將是研究利用蓋頂、降壓法開(kāi)采海底沉積層非成巖天然氣水合物的技術(shù)，并基于該技術(shù)設(shè)計(jì)綠色環(huán)保的海底天然氣水合物開(kāi)采裝置，建立該裝置。希望利用此裝置系統(tǒng)對(duì)海底沉積層天然氣水合物進(jìn)行大規(guī)模、高效率開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中不泄露天然氣不對(duì)環(huán)境造成破壞，為我國(guó)建設(shè)現(xiàn)代能源體系提供有力支撐。

2.1 裝置組成

該型海地天然氣開(kāi)采裝置主要由八大部分組成：蓋頂采集罩、浮力控制模塊、水泵、加熱管路、母船、推進(jìn)器、錨定系統(tǒng)、輸氣管線。首先，裝置的群板、頂蓋組合與海水形成密閉空間。蓋頂采集罩主要用于對(duì)蓋頂收集模塊進(jìn)行保護(hù)，防止海水、雨水的腐蝕。浮力控制模塊內(nèi)裝海水，用于調(diào)整整個(gè)裝置在水中的姿態(tài)，可以通過(guò)控制海水的排出和吸入來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的整體上浮和下沉。水泵用于抽出開(kāi)采裝置內(nèi)部的海水，使裝置內(nèi)部形成負(fù)壓，促使泥床中的天然氣水合物分解。加熱管路是具有升溫功能的裝置，當(dāng)天然氣化合物分解吸熱導(dǎo)致裝置降溫時(shí)，加熱管路可防止天然氣再度結(jié)晶，從而不會(huì)對(duì)后續(xù)工作造成影響。母船用于運(yùn)輸開(kāi)采裝置，并收集開(kāi)采裝置開(kāi)采出的天然氣，將天然運(yùn)回陸地。四面都有的推進(jìn)裝置有利于裝置的靈活移動(dòng)。錨定系統(tǒng)用于將開(kāi)采裝置充分固定在海床上，降低風(fēng)浪、洋流對(duì)開(kāi)采裝置的影響。輸氣管道用于將裝置采集到的天然氣傳輸至母船。

2.2 工作原理

本文采用基于蓋頂負(fù)壓法開(kāi)采海洋沉積層天然氣水合物的設(shè)計(jì)思路，由母船拖運(yùn)開(kāi)采裝置到達(dá)既定海域然后釋放裝置，調(diào)節(jié)浮力箱密度使開(kāi)采裝置下沉至海底，開(kāi)采裝置帶有擋板可插入海底泥床中， 完全覆蓋非成巖天然氣水合物的海底泥床。天然氣水合物開(kāi)采裝置四周帶有錨定裝置，待錨定完成整個(gè)裝置完全固定后，裝置內(nèi)部的排水泵開(kāi)始工作，抽出開(kāi)采裝置內(nèi)部的海水使天然氣水合物開(kāi)采裝置內(nèi)部形成負(fù)壓促使泥床中的天然氣水合物分解。分解后的天然氣氣體通過(guò)收集罩以及采氣管路被輸送到母船上進(jìn)行進(jìn)一步處理于儲(chǔ)存。同時(shí)，為保證分解速率防止的天然氣由于溫度過(guò)低再度結(jié)晶，在裝置內(nèi)部的溫度傳感器監(jiān)測(cè)到裝置內(nèi)部溫度低于預(yù)定溫度后，開(kāi)采裝置內(nèi)部的加熱升溫系統(tǒng)開(kāi)始工作。為使海底泥床中的非成巖天然氣水合物得到充分的開(kāi)發(fā)，在改區(qū)塊開(kāi)采一段時(shí)間后，裝置內(nèi)部的攪動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)，利用水射流的方式攪動(dòng)海底泥床充分開(kāi)發(fā)該區(qū)域的天然氣資源。

3 與傳統(tǒng)的開(kāi)采技術(shù)的對(duì)比

（1）開(kāi)采效率較高，節(jié)約能源。 傳統(tǒng)的熱激發(fā)開(kāi)采法是直接對(duì)天然氣水合物層進(jìn)行加熱，使天然氣水合物層的溫度超過(guò)其平衡溫度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開(kāi)采方法。但這種方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問(wèn)題，而且只能進(jìn)行局部加熱，因此該方法尚有待進(jìn)一步完善。而本文所介紹到的開(kāi)采方法采用溫度傳感器檢測(cè)，當(dāng)采集裝置溫度下降時(shí)，便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到足夠溫度時(shí)又會(huì)停止加熱，這樣的加熱方式利于開(kāi)采效率的提高，也利于節(jié)能。

（2）使用成本相對(duì)較低。傳統(tǒng)開(kāi)采方法還包括化學(xué)試劑注入開(kāi)采法?；瘜W(xué)試劑注入開(kāi)采法通過(guò)向天然氣水合物層中注入某些化學(xué)試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物藏的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法雖然可降低初期能量輸入，但缺陷卻很明顯，它所需的化學(xué)試劑費(fèi)用昂貴，對(duì)天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會(huì)帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題。并且添加化學(xué)劑較加熱法作用緩慢，添加化學(xué)劑最大的缺點(diǎn)是費(fèi)用太昂貴。而采用水下裝置開(kāi)采天然氣化合物，不用注入化學(xué)試劑，這樣既節(jié)省了采購(gòu)化學(xué)試劑的昂貴開(kāi)銷，也不用擔(dān)心可能會(huì)產(chǎn)生的化學(xué)試劑泄漏問(wèn)題而對(duì)環(huán)境造成破壞，相比較而言，此類使用開(kāi)采裝置進(jìn)行水下開(kāi)采的方法就要環(huán)保、安全、低成本的多。endprint

（3）靈活性好，可快速移動(dòng)。傳統(tǒng)的開(kāi)采裝置缺乏一定的靈活性，自由性和快速性。海上天氣風(fēng)云突變，一時(shí)的風(fēng)平浪靜，頃刻之后便可能是驚濤駭浪，這樣的海上狀況對(duì)于傳統(tǒng)的固定式開(kāi)采裝置是極為不利的，如果來(lái)不及撤離可能會(huì)對(duì)裝置造成極大的破壞。而此類開(kāi)采裝置則針對(duì)這個(gè)問(wèn)題合理的設(shè)計(jì)了動(dòng)力裝置，當(dāng)遇到突如其來(lái)的海上狀況時(shí)可以快速撤離，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

4 經(jīng)濟(jì)效益

全球天然氣水合物的儲(chǔ)量是現(xiàn)有天然氣、石油儲(chǔ)量的兩倍，而這些可然冰都蘊(yùn)藏在全球各地的450米深的海床上。在美東南沿海水下2700平方米面積的水化物中，含有足夠供應(yīng)美國(guó)70多年的可燃冰。其儲(chǔ)量預(yù)計(jì)是常規(guī)儲(chǔ)量的2.6倍，如果全部開(kāi)發(fā)利用，可使用100年左右。由此可見(jiàn)可燃冰具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景，美國(guó)、日本等國(guó)均已經(jīng)在各自海域發(fā)現(xiàn)并開(kāi)采出天然氣水合物，據(jù)測(cè)算，中國(guó)南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當(dāng)量，約相當(dāng)中國(guó)陸上石油、天然氣資源量總數(shù)的二分之一。由此可見(jiàn)當(dāng)海底天然氣化合物開(kāi)采技術(shù)趨于成熟可靠后，中國(guó)南海必將成為下一個(gè)“波斯灣”，這樣的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)是巨大的，而誰(shuí)走在了海地天然氣開(kāi)采技術(shù)的最前沿，誰(shuí)可能就將掌控?zé)o法估量的經(jīng)濟(jì)財(cái)富。

所以海底天然氣化合物開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展前景是巨大的。

5 創(chuàng)新與不足

本文提出的基于蓋頂、降壓法開(kāi)采海底沉積層非成巖天然氣水合物的裝置概念新穎，在國(guó)內(nèi)并無(wú)相似的成型裝置，區(qū)別與其他海底天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)。

蓋頂收集方法避免了天然氣的泄露，保證了開(kāi)采過(guò)程的綠色環(huán)保，同時(shí)又利于裝置內(nèi)部低壓的形成。

降壓法開(kāi)采海底天然氣水合物的方式是一種成本最低，能耗最小的開(kāi)采方式，滿足高效，大規(guī)模開(kāi)采的需求。

本文涉及到的裝置主要適用于淺層天然氣開(kāi)采，還不具普遍性，還有待進(jìn)一步的提升。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint