專利名稱：用于開采和加工海底沉積物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于開采和加工海底沉積物的方法。
背景技術(shù)：
目前，海底開采領(lǐng)域的活動(dòng)極少。這是一個(gè)許多公司開始開展的一個(gè)領(lǐng)域，例如 Nautilus Minerals，這些公司使用履帶牽引技術(shù)從海底開采礦物硫化物。De Beers還使用 若干種開采方法。這些方法包括水平系統(tǒng)，其中，海床履帶牽引裝置將金剛石鉆孔產(chǎn)生的 碎石帶到水面平臺(tái)上；和豎直系統(tǒng)，在該豎直系統(tǒng)中，鉆機(jī)從海底采收金剛石鉆孔產(chǎn)生的碎石。與本發(fā)明有關(guān)的還有氣體水合物采收領(lǐng)域。從存在于地表以下的地質(zhì)構(gòu)造中的氣 體水合物內(nèi)采收氣體的工藝存在各種各樣的建議，所述工藝包括類似于在油氣工業(yè)中使用 的傳統(tǒng)鉆井以進(jìn)入水合物承載層，然后通過減少壓力或升高溫度和/或通過化學(xué)激勵(lì)誘使 水合物游離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種開采海底以采收以前還沒有采收過的材料的新方法。依照本發(fā)明，提供了一種對(duì)海底進(jìn)行開采的方法，其包括下列步驟1)擾動(dòng)海底上的沉積物，形成漿料；2)將漿料輸送到表面；和3)在表面上加工漿料，使水合物游離并從漿料中移出氣態(tài)形式的水合物。本發(fā)明提供了一種開采海底以從氣態(tài)水合物中提取氣態(tài)流的方法。已經(jīng)分離出氣 體的漿料可以被排放，或者可以進(jìn)一步進(jìn)行如下加工，以生產(chǎn)高端產(chǎn)品。沉積物可以通過液壓上舉系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)。但是，優(yōu)選通過遠(yuǎn)距離操作履帶牽引采 礦工具進(jìn)行，其能夠機(jī)械地?cái)_動(dòng)沉積物。在一定環(huán)境下，取決于沉積物地質(zhì)概況，或者從海底開采的方式，輸送到表面的漿 料不能包含過大的顆粒。但是，優(yōu)選地，該方法還包括步驟在步驟3之前或在步驟3過程 中，漿料流過一篩網(wǎng)，以去除較大顆粒。從水合物中采收的氣體可以只是輸送使用，而不進(jìn)行進(jìn)一步加工。但是，優(yōu)選地， 對(duì)氣體進(jìn)行液化或壓縮，以有利于進(jìn)一步處理?？梢詫嚎s氣體傳送到海底，以幫助漿料至 表面的輸送。如果漿料包含過量的海水，可以進(jìn)行脫水步驟。該方法的步驟1至3可以在海上場(chǎng)所進(jìn)行。一旦抽取了氣體，并且選擇地，在脫水 步驟去除了過多的水，漿料就優(yōu)選輸送到岸上場(chǎng)所，做進(jìn)一步處理。在輸送期間，優(yōu)選攪拌 漿料，以防止不同材料沉降分離，否則將妨礙漿料的進(jìn)一步處理。然后，已經(jīng)在步驟幻中抽取出氣體的漿料可以做進(jìn)一步加工。一個(gè)應(yīng)用是，該漿 料包含腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)。腐殖質(zhì)是本領(lǐng)域中富含有機(jī)物質(zhì)的沉積物的公知術(shù)語。該方法還包括步驟將漿料分離成富礦物質(zhì)流和富腐殖質(zhì)流。在該分離過程中，還可以進(jìn)行進(jìn)一步脫 水。作為選擇，上述兩種流也可以在以后分別脫水。富礦物質(zhì)流可以進(jìn)一步分離成若干每 個(gè)富含特定礦物質(zhì)的流。富腐殖質(zhì)流優(yōu)選加工生產(chǎn)有用燃料和/或能量。這些流可以通過離心機(jī)分離生產(chǎn)腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)沉積物。離心機(jī)還可以提供脫 水。氣化處理可以應(yīng)用于富腐殖質(zhì)流，以生產(chǎn)合成氣體。進(jìn)一步的分離應(yīng)用于富礦物質(zhì)流，以生產(chǎn)分開的礦物質(zhì)硫化物、礦物質(zhì)氧化物或金屬。依照本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種用于開采和加工海底沉積物的設(shè)備，其包 括用于在海底上行走并形成漿料的履帶牽引采礦工具；將漿料從履帶牽引裝置輸送到表 面的生產(chǎn)立管；使水合物游離并從漿料中移出氣態(tài)形式的水合物的第一分離器。優(yōu)選設(shè)置 第二分離器，用于將漿料分離成富礦物質(zhì)流和富腐殖質(zhì)流。優(yōu)選設(shè)置第三分離器，用于將富 礦物質(zhì)流分離成若干每個(gè)均富含特定礦物質(zhì)的流。優(yōu)選設(shè)置腐殖質(zhì)加工設(shè)備，以加工富腐 殖質(zhì)流，生產(chǎn)可用燃料。


現(xiàn)參考附帶的視圖將描述依照本發(fā)明的方法和設(shè)備的實(shí)例，其中圖1是該系統(tǒng)的海上部件的示意圖；和圖2是該系統(tǒng)的岸上部件的示意圖。
具體實(shí)施例方式該系統(tǒng)的海上部件集中在一浮動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)1周圍，所述浮動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)1安放有生 產(chǎn)設(shè)備的各種零部件，如下詳細(xì)所述。海底的開采通過履帶牽引采礦工具2進(jìn)行，所述履帶牽引采礦工具2設(shè)計(jì)成能在 高達(dá)2000m深度的海洋中操作，并能從生產(chǎn)平臺(tái)的甲板上的控制模塊控制。履帶牽引采礦 工具為一種定向機(jī)動(dòng)牽引車，其能夠沿著海底3行進(jìn)，并裝配有機(jī)械切割頭形式的用于機(jī) 械地采收沉積物的機(jī)構(gòu)，以便擾動(dòng)沉積物，減小顆粒尺寸，與吸力相結(jié)合回收擾動(dòng)的沉積 物。該工具由一液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，該液壓馬達(dá)由平臺(tái)1上的液壓動(dòng)力機(jī)組4提供動(dòng)力。所述 牽引車通過供給液壓和電動(dòng)力以推進(jìn)和控制該牽引車的管纜5連接到平臺(tái)上。在海底上的 行進(jìn)速率和開挖深度都可以變化，以實(shí)現(xiàn)所希望的沉積物采收率。該牽引車還配備有照明 和CCTV攝像機(jī)，以輔助控制裝置、定向裝置和聲納裝置測(cè)量沉積物層的厚度。履帶牽引裝置2通過由鋼管分幾部分構(gòu)成的剛性立管或者柔性生產(chǎn)立管6連接到 平臺(tái)1上，所述柔性生產(chǎn)立管6類似于海上油氣工業(yè)中使用的那些立管，由包括但不限于 螺旋纏繞的鋼絞線以提供機(jī)械強(qiáng)度、橡膠層和熱塑層以提供柔性和絕緣的復(fù)合材料構(gòu)造而 成。立管具有200mm到600mm之間的內(nèi)徑。直徑設(shè)計(jì)成能實(shí)現(xiàn)高達(dá)20m/s的最佳流量。挖 掘的沉積物與海水混合在一起，形成漿料。這種漿料利用位于履帶牽引采礦工具2上、以提 供至立管的最初的吸力和進(jìn)給的真空泵和氣升工藝的組合推進(jìn)到生產(chǎn)平臺(tái)1，由此壓縮氣 體沿著管纜7注射到立管的下區(qū)段中。這誘使?jié){料和氣體混合物流過生產(chǎn)立管6到達(dá)平臺(tái) 1。通過改變泵或氣體注射流量來控制漿料的流量。
當(dāng)漿料沿著生產(chǎn)立管6行進(jìn)時(shí)，壓力降低，當(dāng)然，氣體水合物開始游離出來。該工 序可以通過微波產(chǎn)生環(huán)輔助進(jìn)行。在開采平臺(tái)上，漿料首先經(jīng)過一分級(jí)篩網(wǎng)8，在這里，通過篩網(wǎng)的自行清潔處理或 手動(dòng)清潔處理，去除大顆粒。該篩網(wǎng)也可以是噴洗篩，其為靜止篩或振動(dòng)篩，或者可以是平 面篩或傾斜篩。經(jīng)過篩網(wǎng)的漿料包含自由氣體和還沒有完全游離的小塊水合物。這供給至分離器 組9，分離器組9結(jié)合有旋流器，用以從離開水面的漿料分離固體和供給至兩相分離器的氣 體。根據(jù)漿料的流量和組成，對(duì)分離器組9的壓力和溫度進(jìn)行控制。從分離器9出來的氣 體可以包括甲烷、乙烷、丙烷、硫化氫和二氧化碳，這些氣體供給至進(jìn)一步的加工階段10，加 工階段10包括氣體調(diào)節(jié)和液化設(shè)備，例如基于氣體透平膨脹機(jī)的工序，其包括膨脹機(jī)制冷 循環(huán)，例如逆布萊頓(Brayton)循環(huán)。壓縮或液化的氣體供給至一保持柜11。然后壓縮或 液化氣體供給至壓縮/液化氣載運(yùn)船舶12，待輸送到岸上。一些氣體從分離器供給至氣體壓縮系統(tǒng)13，所述氣體壓縮系統(tǒng)13沿著管纜7將氣 體供給至履帶牽引裝置2。無氣體的漿料從分離器組9輸送至漿料保持柜14，在這里，如果必要時(shí)，可以添加 另外的海水，以將漿料維持在使用泵送至配備有容納漿料的貨物柜的散貨船15的狀態(tài)。貨 物柜裝有攪拌器和/或循環(huán)泵送系統(tǒng)，以阻止柜內(nèi)的沉積物和海水分離，使沉積物保持懸 浮態(tài)。散貨船13還結(jié)合有在柜中提供惰性氣體覆蓋層的惰性氣體和通風(fēng)系統(tǒng)，以消除氧氣 的存在，減輕由于漿料內(nèi)殘留的任何氣體而形成爆炸空氣混合物的危險(xiǎn)，從而以安全狀態(tài) 輸送漿料。圖2顯示了從散貨船15出來的脫氣漿料的加工。雖然該工序被認(rèn)為是在岸上進(jìn) 行，但是，應(yīng)當(dāng)明白，該工序也可以在海上進(jìn)行。實(shí)際上，漿料向岸上輸送的時(shí)刻可以是履帶 牽引采礦工具2開采漿料的工序中的任何時(shí)刻。來自散貨船15的脫氣漿料沉積物是在沉積和巖化過程中形成或集結(jié)的沉積物混 合物。它富含有礦物質(zhì)，尤其是結(jié)晶形態(tài)的金屬硫化物、有機(jī)金屬化合物、氣體水合物和由 高分子量烴、飽和固醇、脂肪酸和腐殖酸的復(fù)雜混合物構(gòu)成的有機(jī)物質(zhì)。漿料首先從船15 供給至漿料預(yù)調(diào)節(jié)單元20，所述漿料預(yù)調(diào)節(jié)單元20是一種滯留船舶，在其中采收包括甲 烷、乙烷、丙烷、硫化氫和二氧化碳的殘余氣體21，并傳送至與從如下所述的氣化設(shè)備中獲 得的合成氣組合在一起。一層水很容易形成在漿料的頂部，這可以慢慢傾注成傾析水流22。預(yù)調(diào)節(jié)的漿料流23供給至三通離心器對(duì)，三通離心器M可以是Bikel Wolf Bikel of Alpha Laval離心器，可以用于任何應(yīng)用中，包括有機(jī)沉積物中的水或不同密度 的無機(jī)相、有機(jī)相和水的混合物。離心器將海水的液相分離出來，作為廢水流25返回到海 中。富含有腐殖質(zhì)的輕固體分離成腐殖質(zhì)流26，而在離心器底部分離的、含有金屬硫化物和 有機(jī)金屬化合物的重沉積物作為礦物質(zhì)流27。礦物質(zhì)流27利用公知的技術(shù)進(jìn)行加工，用于 在礦物質(zhì)加工階段觀進(jìn)行礦物質(zhì)加工。提取冶金技術(shù)用來減少氧化物和硫化物礦物，以通 過包括化學(xué)方法或電解方法的還原法析出所需要的礦物質(zhì)。在多數(shù)情況下，接著進(jìn)行電解、 選擇性熔融、分餾和電處理以生產(chǎn)單獨(dú)的金屬元件或兼容合金。取決于金屬硫化物的特定 組成，化學(xué)還原可以以各種各樣的方法進(jìn)行，包括氫和帶有選擇的還原劑、優(yōu)選焦炭或炭和 提純劑的還原熔化，以分離純?nèi)廴诮饘?例如從廢產(chǎn)品32中分離鐵四、鎂30和鋁31)。
腐殖質(zhì)流沈接著進(jìn)入一預(yù)調(diào)節(jié)階段33，其中，通過在滯留柜中慢慢傾倒或者通過 離心作用去除過多的水，以生成脫水、部分脫水或干燥的有機(jī)物質(zhì)。所述有機(jī)物質(zhì)可以用作 調(diào)合組分，用于制造煤或焦炭煤塊或直接燃燒的燃料混合物。但是，優(yōu)選地，所調(diào)節(jié)的腐殖 質(zhì)流35供給至氣化設(shè)備34，在該氣化設(shè)備中，利用煤氣化的費(fèi)托(Fisher-Tropsh)法，例如 Shell氣化工藝(SGP)，通過有機(jī)物質(zhì)與氧氣36的部分氧化產(chǎn)生粗合成氣而氣化，通過將氣 化設(shè)備集成到聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備發(fā)電而使氣化工序增值。然后合成的合成氣流37流經(jīng)凈 化設(shè)備38，所述凈化設(shè)備可以提供殘留二氧化碳、二氧化硫和過量水的分離，這些可以與氣 化設(shè)備34分離或組合，以獲得符合發(fā)電所必需的技術(shù)規(guī)范的清潔合成氣和蒸汽39，清潔合 成氣用于精煉用途40或通過有機(jī)合成處理41獲得碳?xì)浠衔铩饣O(shè)備34還產(chǎn)生含有二氧化硫42的廢物，在硫加工設(shè)備43中，通過已知技術(shù) 例如提純硫的克勞斯(Claus)法，從所述廢物中回收硫?？梢岳肧tratco-DuPont技術(shù)將 二氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸44、用于改性浙青的?；?5或帶有硫組分的混凝土或工業(yè)用硫46。 根據(jù)礦物含量，在氣化設(shè)備；34中還可以產(chǎn)生灰47。其富含有微量元素，所述微量元素是在 步驟49中生產(chǎn)肥料48的合適的調(diào)合組分。
權(quán)利要求
1.一種用于開采和加工海底沉積物的方法，其包括下列步驟1)擾動(dòng)海底上的沉積物，形成漿料；2)將漿料經(jīng)由生產(chǎn)立管輸送至表面；和3)在表面上加工漿料，使水合物游離并從漿料中移出氣態(tài)形式的水合物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟1通過遠(yuǎn)距離操作的履帶牽引采礦工具執(zhí)行。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟2包括將壓縮氣體傳送到海底，以幫助漿料至 表面的輸送。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括如下步驟在步驟3之前或在步驟3過程 中，使?jié){料流過一篩網(wǎng)，以去除較大顆粒。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，來自水合物的氣體隨后被液化。
6.如權(quán)利要求1-4任一所述的方法，其中，來自水合物的氣體隨后被壓縮。
7.如權(quán)利要求6和權(quán)利要求3所述的方法，其中，將來自水合物的一部分壓縮氣體傳送 到海底，以幫助漿料至表面的輸送。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括將漿料輸送到岸上場(chǎng)所。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括在輸送至岸上場(chǎng)所的過程中，攪拌漿料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括如下步驟對(duì)漿料進(jìn)行部分脫水。
11.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括將漿料分離成富礦物質(zhì)流和富腐殖質(zhì)流。
12.如權(quán)利要求10和11所述的方法，其中，脫水步驟和將漿料分離成富礦物質(zhì)流和富 腐殖質(zhì)流的步驟在三通離心器中同時(shí)進(jìn)行。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括將富礦物質(zhì)流分離成若干每個(gè)均富含特定礦 物質(zhì)的流。
14.如權(quán)利要求11或13所述的方法，還包括加工富腐殖質(zhì)流，以生產(chǎn)有用燃料和/或能量°
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，分離富礦物質(zhì)流的步驟包括將富礦物質(zhì)流分離 成單獨(dú)的礦物質(zhì)硫化物、礦物質(zhì)氧化物或金屬。
16.如權(quán)利權(quán)利要求14所述的方法，其中，加工富腐殖質(zhì)流的步驟包括下列步驟使富 腐殖質(zhì)流氣化，以生產(chǎn)有用燃料和/或能量。
17.一種用于開采和加工海底沉積物的設(shè)備，其包括用于在海底上行走并形成漿料 的履帶牽引采礦工具；將漿料從履帶牽引裝置輸送到表面的生產(chǎn)立管；以及在表面上使水 合物游離并從漿料中移出氣態(tài)形式的水合物的第一分離器。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，還包括第二分離器，用于將漿料分離成富礦物質(zhì)流和 富腐殖質(zhì)流。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，還包括第三分離器，用于將富礦物質(zhì)流分離成若干每 個(gè)均富含特定礦物質(zhì)的流。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，還包括腐殖質(zhì)加工設(shè)備，以加工富腐殖質(zhì)流，從而生產(chǎn) 可用燃料和/或能量。
全文摘要
一種用于開采和加工海底沉積物的方法和設(shè)備，包括擾動(dòng)海底(3)上的沉積物，形成漿料；將漿料經(jīng)由生產(chǎn)立管(6)輸送至表面，以及在表面上加工漿料，使水合物游離并從漿料中移出氣態(tài)形式的水合物。漿料還可以包含腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)。如果這樣，漿料可以被分成富礦物質(zhì)流和富腐殖質(zhì)流，富礦物質(zhì)流和富腐殖質(zhì)流中的每一種均可以進(jìn)行進(jìn)一步加工。
文檔編號(hào)E21C45/00GK102084086SQ200880130103
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者D·C·帕特里丘 申請(qǐng)人:海洋能源勘探國(guó)際有限責(zé)任公司