海底天然氣水合物開采裝置

周鈺明+宋現宇+王靜+謝光磊

【摘 要】2015年我國石油進口3.28億噸，對外依存度首破60%，達到60.6%，能源自給率低已對我國能源安全造成了很大的威脅，因此急需找到新的能源，破解我國能源供給困局。海底天然氣水合物是一種儲量巨大的清潔能源，有希望替代石油、煤炭成為主要能源。我國海底天然氣水合物開采技術仍處于探索階段，尚未形成成熟的工業化開采技術。因此亟需研發一套能應用于工業化開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采的一個突破口。本文提出了一種海底天然氣水合物的開采裝置，能夠綠色環保、經濟高效的對海底天然氣水合物進行開采。

【關鍵詞】海底天然氣水合物；降壓法；開采裝置；快速移動

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晶物質。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，具有極高的資源價值，因而成為油氣工業界長期研究熱點。自上世紀60年代起，以美國、日本、德國、我國、韓國、印度為代表的一些國家都制訂了天然氣水合物勘探開發研究計劃。迄今，人們已在近海海域與凍土區發現水合物礦點超過230處，涌現出一大批天然氣水合物熱點研究區。海底天然氣水合物是甲烷氣體在海底的低溫高壓環境下與水分子結合形成的結晶體，是一種儲量巨大的清潔能源，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，具有儲量大、弱膠結、穩定性差的特點，一旦所在區域的溫度、壓力條件發生變化，就可能導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造成溫室效應，對環境造成嚴重破壞。因此保證開采海底的天然氣水合物的過程中天然氣不泄露、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發的主要問題。

1 現有的天然氣水合物開采技術的不足

現有天然氣水合物開采技術中，通常通過降壓法、注熱法或者注化學試劑法等，將海底具的天然氣水合物礦藏轉化為氣體和水，對轉化后得到的氣體進行收集，再通過水下生產設施或浮式生產設施進行生產，目前還沒有一種成熟的海底天然氣水合物的開采辦法及系統正式投入商業運行，美國、日本等國均進行實驗性質的開采。

主要原因是現有的開采辦法都比較復雜，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，造成環境污染和大氣的溫室效應，開采效率也無法達到工業開發最低要求，均還處于試驗室探索階段，無法投入商業運營。因此，需要一種能夠實現綠色環保，經濟高效的開采系統，實現對海底天然氣水合物的開采。

2 創新的天然氣水合物開采裝置

下面提到的將是研究利用蓋頂、降壓法開采海底沉積層非成巖天然氣水合物的技術，并基于該技術設計綠色環保的海底天然氣水合物開采裝置，建立該裝置。希望利用此裝置系統對海底沉積層天然氣水合物進行大規模、高效率開采，開采過程中不泄露天然氣不對環境造成破壞，為我國建設現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、推進器、錨定系統、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蓋頂收集模塊進行保護，防止海水、雨水的腐蝕。浮力控制模塊內裝海水，用于調整整個裝置在水中的姿態，可以通過控制海水的排出和吸入來實現裝置的整體上浮和下沉。水泵用于抽出開采裝置內部的海水，使裝置內部形成負壓，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，當天然氣化合物分解吸熱導致裝置降溫時，加熱管路可防止天然氣再度結晶，從而不會對后續工作造成影響。母船用于運輸開采裝置，并收集開采裝置開采出的天然氣，將天然運回陸地。四面都有的推進裝置有利于裝置的靈活移動。錨定系統用于將開采裝置充分固定在海床上，降低風浪、洋流對開采裝置的影響。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壓法開采海洋沉積層天然氣水合物的設計思路，由母船拖運開采裝置到達既定海域然后釋放裝置，調節浮力箱密度使開采裝置下沉至海底，開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。天然氣水合物開采裝置四周帶有錨定裝置，待錨定完成整個裝置完全固定后，裝置內部的排水泵開始工作，抽出開采裝置內部的海水使天然氣水合物開采裝置內部形成負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收集罩以及采氣管路被輸送到母船上進行進一步處理于儲存。同時，為保證分解速率防止的天然氣由于溫度過低再度結晶，在裝置內部的溫度傳感器監測到裝置內部溫度低于預定溫度后，開采裝置內部的加熱升溫系統開始工作。為使海底泥床中的非成巖天然氣水合物得到充分的開發，在改區塊開采一段時間后，裝置內部的攪動系統啟動，利用水射流的方式攪動海底泥床充分開發該區域的天然氣資源。

3 與傳統的開采技術的對比

（1）開采效率較高，節約能源。 傳統的熱激發開采法是直接對天然氣水合物層進行加熱，使天然氣水合物層的溫度超過其平衡溫度，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題，而且只能進行局部加熱，因此該方法尚有待進一步完善。而本文所介紹到的開采方法采用溫度傳感器檢測，當采集裝置溫度下降時，便會自動進行加熱，當達到足夠溫度時又會停止加熱，這樣的加熱方式利于開采效率的提高，也利于節能。

（2）使用成本相對較低。傳統開采方法還包括化學試劑注入開采法。化學試劑注入開采法通過向天然氣水合物層中注入某些化學試劑，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，它所需的化學試劑費用昂貴，對天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會帶來一些環境問題。并且添加化學劑較加熱法作用緩慢，添加化學劑最大的缺點是費用太昂貴。而采用水下裝置開采天然氣化合物，不用注入化學試劑，這樣既節省了采購化學試劑的昂貴開銷，也不用擔心可能會產生的化學試劑泄漏問題而對環境造成破壞，相比較而言，此類使用開采裝置進行水下開采的方法就要環保、安全、低成本的多。endprint

（3）靈活性好，可快速移動。傳統的開采裝置缺乏一定的靈活性，自由性和快速性。海上天氣風云突變，一時的風平浪靜，頃刻之后便可能是驚濤駭浪，這樣的海上狀況對于傳統的固定式開采裝置是極為不利的，如果來不及撤離可能會對裝置造成極大的破壞。而此類開采裝置則針對這個問題合理的設計了動力裝置，當遇到突如其來的海上狀況時可以快速撤離，避免不必要的經濟損失。

4 經濟效益

全球天然氣水合物的儲量是現有天然氣、石油儲量的兩倍，而這些可然冰都蘊藏在全球各地的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，含有足夠供應美國70多年的可燃冰。其儲量預計是常規儲量的2.6倍，如果全部開發利用，可使用100年左右。由此可見可燃冰具有廣闊的開發前景，美國、日本等國均已經在各自海域發現并開采出天然氣水合物，據測算，中國南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當量，約相當中國陸上石油、天然氣資源量總數的二分之一。由此可見當海底天然氣化合物開采技術趨于成熟可靠后，中國南海必將成為下一個“波斯灣”，這樣的經濟效益將會是巨大的，而誰走在了海地天然氣開采技術的最前沿，誰可能就將掌控無法估量的經濟財富。

所以海底天然氣化合物開采技術的發展前景是巨大的。

5 創新與不足

本文提出的基于蓋頂、降壓法開采海底沉積層非成巖天然氣水合物的裝置概念新穎，在國內并無相似的成型裝置，區別與其他海底天然氣水合物開采技術。

蓋頂收集方法避免了天然氣的泄露，保證了開采過程的綠色環保，同時又利于裝置內部低壓的形成。

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

本文涉及到的裝置主要適用于淺層天然氣開采，還不具普遍性，還有待進一步的提升。

【參考文獻】

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[3]徐海良.海底天然氣水合物絞吸式開采方法研究[J].中山大學學報（自然科學版），2011，3，48-52.

[責任編輯：朱麗娜]endprint