一種海底可燃冰的開採方法與裝置的製作方法

2023-05-29 06:22:16 6

專利名稱：一種海底可燃冰的開採方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種海底可燃冰的開採方法與裝置背景技術可燃冰，學名天然氣水合物(甲烷分子式CH4，在天然氣組份中甲烷含量> 96% )，可燃冰分子式為CH4 6H20。陸上可燃冰礦分布在高緯度或高寒凍土層中，海底可燃冰分布在水深300 2000m的海底表面。我國在南海發現了豐富的可燃冰資源，以南海神狐海域為例，礦藏面積22km2，厚度20m，天然氣儲量194億m3，價值700億元(RMB)。海底可燃冰的賦存狀態是海深300 2000m，壓力3 20Mpa，溫度2 3°C，賦存在海底表面的沉積層中(不是海底表面以下的地層中)，這裡所指的沉積層是海底淤泥(含水率80%左右)。這些海底淤泥通常面積為數平方公裡，厚度幾十米或上百米，淤泥上部沒有巨石蓋層，只有少量碳酸鹽礁石(厚度0. 5 2m，形狀、位置極不規則)。可燃冰呈 白色顆粒(粒徑大約0. 5 2cm)狀,較均勻分布在遊泥中。Im3可燃冰能分解出164m3天 然氣0. Sm3淡水。可燃冰礦(含可燃冰的淤泥)平均豐度為0. 35，則Im3可燃冰礦可產Im3(礦)*0.35*164m3(氣)/(礦)=57.4m3(天然氣)。全球可燃冰儲量非常豐富，是公認的21世紀新型能源。海底可燃冰發現已20多年，開採卻是一個世界難題。20多年來西方發達國家投入大量人力、財力，對海底可燃冰開採進行研究。主要方法有①熱解法-就是在淤泥中打井，注入大量熱水，分解可燃冰。②降壓法-打井至淤泥層，用井抽取淤泥中的水份，以降低壓力，分解可燃冰。③置換法-打井至淤泥層，向井內注入CO2，讓CO2置換可燃冰。上述方法雖經過20多年研究、試驗，無一獲得成功。失敗的原因是①上述方法都是在海底分解可燃冰，熱解法是要把整個淤泥礦層加熱，需要大量熱源。降壓法是改變海底高壓環境，也需要大量能源。置換法是將空氣中的CO2液化，注入井中讓CO2去置換可燃冰，CO2如何到四面八方去尋找可燃冰顆粒，這幾乎不可能。②就算上述方法把海底可燃冰分解成為天然氣，天然氣也只能向上跑，不會橫著跑入井中而被收集，天然氣收集是重大技術瓶頸，一直沒有解決，也是海底可燃冰至今無法投入商業性開採的根本原因。有了對海底可燃冰賦存條件的認識，有了對各國海底可燃冰開採科研進展的了解，本發明才能準確無誤。發明內容本發明突破在海底分解可燃冰收集天然氣的固有思維，把海底可燃冰礦(淤泥)挖採到船上，在船上分解可燃冰收集天然氣。把海底可燃冰礦採集到船上，還有抓斗法、連續繩鬥法、泵吸法、螺旋提升法。但抓斗法每次最大抓泥量為10m3(展開面積已達50m2,由於機械結構原因無法突破10m3，本發明人曾設計過大型抓斗，最終放棄)。連續繩鬥法是用很多小鬥固定在一個繩圈上，船上的天車轉輪帶動繩圈，小鬥在海底採礦後逐一提升出海面，將礦倒在船上，這種方法的缺陷是，小鬥容積很小(約Im3)，堆積表面積很大，在提升過程中，海水衝刷淤泥，可燃冰很容易在提升過程中分解，不但無法收集天然氣，還會破壞海洋生態環境。泵吸法和螺旋提升法都是將淤泥和海水一同提升，這樣不僅浪費能量，還會使可燃冰劇烈攪動，在途中分解而無法收集。本發明開採海底可燃冰的方法是用採礦鏟，把海底可燃冰採到船上，倒進儲料倉內再進行分解(分解設備另行申請專利)。
本發明設計的採礦船由兩艘有獨立動力，排水量為I. 5萬噸的海上船舶，中間是30*60m的工藝平臺，組成的一艘雙體採礦船。工藝平臺中央是月池，月池周圍有提升用井字架，井字架上安裝滑輪。工藝平臺上的電動卷揚機帶動鋼絲繩，鋼絲繩通過滑輪換向後，聯在採礦鏟的十字軸萬向聯軸器上。採礦鏟做成圓桶狀，內徑> I. 5m，長度< 15m。鏟身前面是鏟齒，用來挖松淤泥。鏟的前部和後部各配一組十字軸萬向聯軸器，鋼絲繩前端固定在萬向聯軸器上。採礦鏟圓桶狀鬥腔內部圓周上5/6用鋼板密封，留有1/6開口並裝有可開閉的蓋，圓桶狀鬥腔在長度方向上兩邊有可開關的側門。
具體實施方式
雙體船開到預定海域，啟動卷揚機用鋼絲繩從月池中放下採礦鏟，採礦鏟觸地(可燃冰淤泥)後，測力傳感器和距離傳感器感知，將信號傳遞給總控制室。雙體船按設計好的開採路徑向前航行，一邊前進一邊放下鋼絲繩，採礦鏟由於自重會在原地不動，船前行一定距離，船與採礦鏟的連線與水平線形成一夾角，此時鋼絲繩的狀態不是船與採礦鏟間的直線，而是一條拋物線(產生弧垂)，由於鋼絲繩的弧垂就在採礦鏟上有一個向前的水平分力。當夾角合適以後，電動卷揚機上的剎車剎緊卷揚機捲筒，船開足馬力前進，採礦鏟在鋼絲繩牽引下，在海底淤泥層上前進。淤泥的強度很低，採礦鏟的重心向前傾斜，垂直向下的分力被淤泥向上的抗剪力平衡，使採礦鏟不至下沉。同時還有一個傾斜向下 的分力，這個分力通過鏟齒尖作用到淤泥中，鏟齒尖的接觸面積小，淤泥的抗剪強度低，鏟齒很容易插入淤泥中，船繼續前進，鏟齒插入越來越深，並有淤泥順鏟齒進入鬥腔，測力傳感器感知採滿一鬥後，採礦船後退回到採礦鏟的正上方，用機構(另行申請專利)蓋住鏟鬥上的進礦開口，開動工藝平臺上的卷揚機組收鋼絲繩，裝滿可燃冰礦的採礦剷平穩提升出水面，到一定高度(約5m)後，採礦鏟的一端不動，另一端再提升，使其呈30°傾斜狀，用機械手打開側門，將可燃冰礦傾倒進儲料倉內等待分解。這種海底可燃冰開採法是「安靜」挖採，只在海底撬動礦層，不會攪渾海水而影響海洋生物。在提升過程中，採礦鏟底部密封，兩邊側門關閉，開口已加蓋蓋嚴，海水不會衝刷淤泥，可燃冰不會在提升過程分解而溶於海水中，不會破壞海洋環境。本發明設計的海底可燃冰開採方法與裝置，不存在任何目前人類無法解決的技術難題，開採成本與陸上天然氣開採成本相當，設備使用壽命15年，投入產出比I : 10，開採過程中不影響環境，真正做到技術成熟、環境可控、成本低廉。
權利要求
1.本發明所述的一種海底可燃冰的開採方法與裝置，其特徵在於包括海底可燃冰開採方法與海底可燃冰開採裝置兩部分。
2.根據權利要求I所述的海底可燃冰開採方法，其特徵在於是將海底可燃冰挖採後提出海面,在船上分解可燃冰收集天然氣。
3.根據權利要求I所述的海底可燃冰開採裝置，其特徵在於海底可燃冰開採裝置由採礦鏟、鋼絲繩、提升架、滑輪和電動卷揚機組成。
4.根據權利要求3所述的採礦鏟，其特徵在於採礦鏟由圓桶狀鬥腔、鏟齒、十字軸萬向聯軸器組成。
5.根據權利要求4所述的圓桶狀鬥腔，其特徵在於圓桶狀鬥腔內部圓周上5/6用鋼板密封，留有1/6開口並裝有可開閉的蓋，圓桶狀鬥腔在長度方向上兩邊有可開關的側門。
全文摘要
本發明公開了一種海底可燃冰的開採方法與裝置。當前，國外研究開採海底可燃冰的方法主要有熱解法、降壓法和置換法，這些方法都是在海底分解可燃冰收集天然氣，存在諸多技術瓶頸。本發明開採海底可燃冰的方法是將海底可燃冰礦(含可燃冰的淤泥)，挖採出海面傾倒在船上的儲礦倉中，在常壓下分解可燃冰。這種挖採是用採礦鏟大體積「安靜」挖採，在挖採過程中只輕微攪動海底，在提升過程中，採礦鏟內部用鋼板密封，開口處加蓋，兩端側門關閉，不會散落可燃冰，在船上用專用設備分解可燃冰不會洩漏天然氣。本發明不存在任何目前人類無法解決的技術難題，開採成本與陸上天然氣開採成本相當，分解後剩餘的淤泥可以填礁造地。
文檔編號E21B43/01GK102797441SQ20121032434
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者徐中全, 徐洋, 徐海 申請人:徐中全, 徐洋, 徐海