海底天然气水合物开采装置

周钰明+宋现宇+王静+谢光磊

【摘 要】2015年我国石油进口3.28亿吨，对外依存度首破60%，达到60.6%，能源自给率低已对我国能源安全造成了很大的威胁，因此急需找到新的能源，破解我国能源供给困局。海底天然气水合物是一种储量巨大的清洁能源，有希望替代石油、煤炭成为主要能源。我国海底天然气水合物开采技术仍处于探索阶段，尚未形成成熟的工业化开采技术。因此亟需研发一套能应用于工业化开采天然气水合物的工艺和方法，而海底非成岩天然气水合物因埋藏浅分布广，更容易采掘，可以成为天然气水合物开采的一个突破口。本文提出了一种海底天然气水合物的开采装置，能够绿色环保、经济高效的对海底天然气水合物进行开采。

【关键词】海底天然气水合物；降压法；开采装置；快速移动

工程背景：天然气水合物又称“可燃冰”，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，因而成为油气工业界长期研究热点。自上世纪60年代起，以美国、日本、德国、我国、韩国、印度为代表的一些国家都制订了天然气水合物勘探开发研究计划。迄今，人们已在近海海域与冻土区发现水合物矿点超过230处，涌现出一大批天然气水合物热点研究区。海底天然气水合物是甲烷气体在海底的低温高压环境下与水分子结合形成的结晶体，是一种储量巨大的清洁能源，有希望替代石油、煤炭成为主要能源。天然气水合物广泛分布于海底沉积层，具有储量大、弱胶结、稳定性差的特点，一旦所在区域的温度、压力条件发生变化，就可能导致海底天然气水合物的大量分解、气化和自由释放。然而甲烷是温室气体，大量释放到大气中会造成温室效应，对环境造成严重破坏。因此保证开采海底的天然气水合物的过程中天然气不泄露、不逸散以及如何高效率的分解天然气水合物，是目前海底天然气水合物矿藏开发的主要问题。

1 现有的天然气水合物开采技术的不足

现有天然气水合物开采技术中，通常通过降压法、注热法或者注化学试剂法等，将海底具的天然气水合物矿藏转化为气体和水，对转化后得到的气体进行收集，再通过水下生产设施或浮式生产设施进行生产，目前还没有一种成熟的海底天然气水合物的开采办法及系统正式投入商业运行，美国、日本等国均进行实验性质的开采。

主要原因是现有的开采办法都比较复杂，成本高，而且缺乏可控性和可操作性，容易引起甲烷气体的泄漏，造成环境污染和大气的温室效应，开采效率也无法达到工业开发最低要求，均还处于试验室探索阶段，无法投入商业运营。因此，需要一种能够实现绿色环保，经济高效的开采系统，实现对海底天然气水合物的开采。

2 创新的天然气水合物开采装置

下面提到的将是研究利用盖顶、降压法开采海底沉积层非成岩天然气水合物的技术，并基于该技术设计绿色环保的海底天然气水合物开采装置，建立该装置。希望利用此装置系统对海底沉积层天然气水合物进行大规模、高效率开采，开采过程中不泄露天然气不对环境造成破坏，为我国建设现代能源体系提供有力支撑。

2.1 装置组成

该型海地天然气开采装置主要由八大部分组成：盖顶采集罩、浮力控制模块、水泵、加热管路、母船、推进器、锚定系统、输气管线。首先，装置的群板、顶盖组合与海水形成密闭空间。盖顶采集罩主要用于对盖顶收集模块进行保护，防止海水、雨水的腐蚀。浮力控制模块内装海水，用于调整整个装置在水中的姿态，可以通过控制海水的排出和吸入来实现装置的整体上浮和下沉。水泵用于抽出开采装置内部的海水，使装置内部形成负压，促使泥床中的天然气水合物分解。加热管路是具有升温功能的装置，当天然气化合物分解吸热导致装置降温时，加热管路可防止天然气再度结晶，从而不会对后续工作造成影响。母船用于运输开采装置，并收集开采装置开采出的天然气，将天然运回陆地。四面都有的推进装置有利于装置的灵活移动。锚定系统用于将开采装置充分固定在海床上，降低风浪、洋流对开采装置的影响。输气管道用于将装置采集到的天然气传输至母船。

2.2 工作原理

本文采用基于盖顶负压法开采海洋沉积层天然气水合物的设计思路，由母船拖运开采装置到达既定海域然后释放装置，调节浮力箱密度使开采装置下沉至海底，开采装置带有挡板可插入海底泥床中， 完全覆盖非成岩天然气水合物的海底泥床。天然气水合物开采装置四周带有锚定装置，待锚定完成整个装置完全固定后，装置内部的排水泵开始工作，抽出开采装置内部的海水使天然气水合物开采装置内部形成负压促使泥床中的天然气水合物分解。分解后的天然气气体通过收集罩以及采气管路被输送到母船上进行进一步处理于储存。同时，为保证分解速率防止的天然气由于温度过低再度结晶，在装置内部的温度传感器监测到装置内部温度低于预定温度后，开采装置内部的加热升温系统开始工作。为使海底泥床中的非成岩天然气水合物得到充分的开发，在改区块开采一段时间后，装置内部的搅动系统启动，利用水射流的方式搅动海底泥床充分开发该区域的天然气资源。

3 与传统的开采技术的对比

（1）开采效率较高，节约能源。 传统的热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然氣水合物分解为水与天然气的开采方法。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。而本文所介绍到的开采方法采用温度传感器检测，当采集装置温度下降时，便会自动进行加热，当达到足够温度时又会停止加热，这样的加热方式利于开采效率的提高，也利于节能。

（2）使用成本相对较低。传统开采方法还包括化学试剂注入开采法。化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。这种方法虽然可降低初期能量输入，但缺陷却很明显，它所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题。并且添加化学剂较加热法作用缓慢，添加化学剂最大的缺点是费用太昂贵。而采用水下装置开采天然气化合物，不用注入化学试剂，这样既节省了采购化学试剂的昂贵开销，也不用担心可能会产生的化学试剂泄漏问题而对环境造成破坏，相比较而言，此类使用开采装置进行水下开采的方法就要环保、安全、低成本的多。endprint

（3）灵活性好，可快速移动。传统的开采装置缺乏一定的灵活性，自由性和快速性。海上天气风云突变，一时的风平浪静，顷刻之后便可能是惊涛骇浪，这样的海上状况对于传统的固定式开采装置是极为不利的，如果来不及撤离可能会对装置造成极大的破坏。而此类开采装置则针对这个问题合理的设计了动力装置，当遇到突如其来的海上状况时可以快速撤离，避免不必要的经济损失。

4 经济效益

全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，而这些可然冰都蕴藏在全球各地的450米深的海床上。在美东南沿海水下2700平方米面积的水化物中，含有足够供应美国70多年的可燃冰。其储量预计是常规储量的2.6倍，如果全部开发利用，可使用100年左右。由此可见可燃冰具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。由此可见当海底天然气化合物开采技术趋于成熟可靠后，中国南海必将成为下一个“波斯湾”，这样的经济效益将会是巨大的，而谁走在了海地天然气开采技术的最前沿，谁可能就将掌控无法估量的经济财富。

所以海底天然气化合物开采技术的发展前景是巨大的。

5 创新与不足

本文提出的基于盖顶、降压法开采海底沉积层非成岩天然气水合物的装置概念新颖，在国内并无相似的成型装置，区别与其他海底天然气水合物开采技术。

盖顶收集方法避免了天然气的泄露，保证了开采过程的绿色环保，同时又利于装置内部低压的形成。

降压法开采海底天然气水合物的方式是一种成本最低，能耗最小的开采方式，满足高效，大规模开采的需求。

本文涉及到的装置主要适用于浅层天然气开采，还不具普遍性，还有待进一步的提升。

【参考文献】

[1]吴月先.海底天然气水合物开采對技术装备的特殊需求[J].石油矿场机械.2005，3.50.

[2]王冬来.海底天然气水合物藏开采可行性研究[J].中国科技信息，2010，20，30-31.

[3]徐海良.海底天然气水合物绞吸式开采方法研究[J].中山大学学报（自然科学版），2011，3，48-52.

[责任编辑：朱丽娜]endprint