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水下资源开发技术的现状及发展趋势船舶导论论文船海1006尤萌U201012355论水下资源开发技术的现状及发展趋势背景知识(1)随着陆上多种资源的日益减少，人类开发利用资源的技术不断提高，海洋逐渐成为现代大规模开发利用资源的领域。在当今世界面临人口、资源、环境三大问题之际，开发利用海洋资源，保护海洋生态环境是解决这三大问题的重要途径之一。目前，海洋开发与原子能工程、宇宙空间技术一起，并列为当代“三大尖端技术”。有人认为，21世纪世界将全面进入海洋经济时代，海洋开发必将对人类生产和生活带来巨大影响。 (2)随着地球陆地上化石燃料煤、石油和天然气的日益浅少，人们把目光转向了海洋。如大阳、月球引力作用形成的潮汐能、深海中的锰结核都有很好的发展前景。近些年探明海底“可燃冰”储量极其丰富，且其开发技术亦日趋成熟。“可燃冰”是天然气被包进水分子中，在海底低温和高压下形成的冰状透明晶体。1m3“可燃冰”释放出的能量相当于 164m3的天然气。全世界海底“可燃冰”的蕴藏量高达101510l6m3，可供全世界使用50200年。我国南海和东海海底均有巨大的“可燃冰”带。专家预测，“可燃冰”有可能成为人类的高效新能源。国外研究现状世界海洋平均深度约为3730米，水深0-200米仅占海洋总面积的749，水深在6000米以上仅占海洋总面积的138，90以上的水深在200-6000米之间，大量海域面积等待人们开发。海洋勘查开发技术的发展是未来海洋油气资源勘查开发的关键。美国的深水油气勘探开发进展迅速，到1997年，水深1625米的门萨油气田开始投产。墨西哥湾水深大于300米的已经投产的油气田30个。巴西把开发深海石油当作石油开发的重点，巴西国家石油公司不断刷新世界深海油气勘探开发的水深纪录，巴西石油公司利用三维地震技术陆续发现了大批深水油田，其中有4个是可采储量大于1亿吨的巨型油田，可采储量共达1351亿吨。到2000年底，巴西石油公司在海上有固定大型钻井平台13个，大型浮动钻井平台21个。巴西石油公司在深海石油开发技术上已经处于世界领先的地位，并利用深水开采技术到海外寻找市场。法国海洋工业的长期目标是发展水深达3000米的海底勘探和生产油气能力，法国各石油公司的海洋石油勘探区分布于13个国家，总面积达230万平方公里。到1995年底，已经投资85亿法郎用于海底石油开采工程，开发深水开采工艺技术，提高油田采收率。法国海洋潜水技术公司的潜水作业占世界深潜作业量的30-50，其中90左右是海底矿产资源调查和深海油气层调查。跨国公司竞争深海盆地，引发深海油气勘探开发热。安哥拉是世界上最具有勘探前景的热点地区之一。埃克森-美孚公司拥有11个区块的权益。并在1997-1999年期间的初探钻井中获得6个发现，勘探成功率为86，水深都在1000-1400米之间。据估计，可采储量超过20亿桶油当量，而且该区块还有很大的勘探开发的潜力。2001年壳牌公司计划向安哥拉深水的超深水域石油项目投资数十亿美元。深水项目将成为壳牌勘探和生产的重点之一。雪佛龙-德士古公司在14区块有数个开发项目，安哥拉深水石油资源是雪佛龙-德士古公司的重要增长点。尼日利亚深水区内，壳牌公司是最大的生产者，大陆石油公司是进行钻探的跨国公司之一，拥有200亿桶石油储量。雪佛龙国内研究现状（1）滨海砂矿的开发起步早，但规模有限。根据现有技术经济条件，目前大多数具有工业价值的滨海砂矿都有开采，但开采规模有限，规模较大的主要有钛铁矿、锆石、金红石、钛铁矿、铬铁矿、磷钇矿、砂金矿、石英砂、型砂、建筑用砂等10余种。(2)海洋油气开发已成重点，但主要局限在浅水区。目前我国共有16个海上油气田，其中产量位居前6名的海上油田，包括目前我国最大的海上油田在内，均在渤海。在渤海海域发现的蓬莱19-3油田是世界级的新发现。2004年渤海海域油气产量首次突破1000万吨，成为我国北方重要能源生产基地。从上个世纪60年代起，渤海湾继蓬莱19-3等大型海上油田相继成功开发以来，近几年投产的主要是中小型为主的边际油田。中国海洋石油总公司最近在位于渤海辽东湾海域自营钻探预探井金县1-1-2D井喜获成功，日产原油1000余桶，天然气超过73万立方英尺。此次发现的金县1-1含油构造，是在12口废弃的探井上、在国外大公司先后16年勘探却最终放弃的区块内。有专家分析指出，这标志着中国海洋油气资源的勘探开发利用已步入到以提高发现率、采收率为主的集约型发展模式阶段。据中海油高层人士披露，较之世界平均25%左右的商业成功率，渤海油田近几年的商业发现成功率要高得多。正是由于中海油依靠技术创新，不断提高油田勘探成功率和采收率，令油田产量逐年提高的同时，提高了勘探替代率，渤海湾正在逐渐成为中国第三大油田。据统计，连同金县1-1含油构造在内，在渤海湾共获得8个新发现，预计石油地质储量约2亿立方米，天然气约15亿立方米。这将为到2010年建成3000万吨油当量产能目标奠定基础。随着技术不断创新和管理不断优化，中海油将力争在2010年实现油气产量达到5500万吨油当量的目标。(3)天然气水合物的开发正处于初期研究阶段天然气水合物埋藏于海底的岩石中，和石油、天然气相比，它不易开采和运输，世界上至今还没有完美的开采方案。目前，包括我国在内的世界许多国家正在积极研究天然气水合物资源开发利用技术。迄今为止，天然气水合物的开采方法主要有热激化法、减压法和注入剂法三种。开采的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这些问题，日本提出了“分子控制”的开采方案。天然气水合物气藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深，另一方面由于天然气水合物遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。总而言之，由于天然气水合物的开发利用有许多条件的严格限制，目前还暂不能用。可以预言，天然气水合物的正式开发，可能至少要推迟到本世纪的二十年代以后。未来发展趋势21世纪是发展海洋经济的时代，浩瀚的海洋是资源和能源的宝库，也是人类实现可持续性发展的重要基地。当今世界人类正面临着日趋严峻的陆地资源和能源危机威胁，世界各国都把经济进一步发展的希望寄托在占地球表面积71的海洋上，越来越多的国家都把合理有序地开发利用海洋资源和能源，以及保护海洋环境作为求生存、求发展的基本国策。海洋中蕴藏着丰富的各类矿产资源、能源和生物资源。20世纪以来，各国科学家的积极努力使人类极大地增长了对海洋资源的认识，目前全球已兴起一个开发利用和保护海洋资源、攻克海洋开发高新技术的热潮，海洋经济已成为世界经济发展新的增长点，成为我们这个时代的特征。(1)滨海砂矿的开发将从以岸上为主转变为水上、水下并举我国人口众多，资源相对贫乏。社会经济的高速度发展对矿产资源的需求越来越大。在经过几十年的强化开采之后，滨海砂矿在岸上的部分已经越来越少，日益严格的资源管理制度，将迫使人们把眼光投向水下，滨海砂矿开发的趋势必然是水上、水下并举。显然，矿业开发部门需要有更多的抓斗式和吸扬式挖泥船及其他功率大、效率高、砂矿回收率高的海上采矿设备。深海油气资源开发迅速发展，已成趋势深海油气资源潜力巨大，随着海洋石油钻探和开采技术及其装备的迅速发展，海洋勘查开发深度不断增加，海洋石油勘查开发成本不断降低，海洋石油产量不断增加。目前深海石油勘查已经达到在2500米的深水区作业，钻探深度达到1万多米；“智能完井”技术实现了实时数据的采集；钻探成本从1980年的平均每口井（深度平均在3000米以上）530万美元降到1999年的100-120万美元。目前，世界石油产量中约30来自海洋石油。 (2)天然气水合物的研究进展显著，商业开发。 几项重要的国际合作研究项目和世界主要国家的研究为天然气水合物研究进展做出巨大贡献：深海钻探计划大洋钻探计划（DSDPODP）调查世界海洋天然气水合物的分布，阿拉斯加天然气水合物研究项目研究一个地区天然气水合物的可能成因模式、埋藏深度、厚度、区域分布及资源量等，为今后的进一步勘探开发作了大量前期工作；四国联合国际合作项目因深钻和浅层取样的成功，从不同角度研究海洋气水合物组成和成分、产出状况、在沉积物中的分布等一系列相关问题；三国麦肯齐天然气水合物研究项目实施钻探研究天然气水合物储层，评价原始天然气水合物的性质，评估电缆测井仪器表征水合物的能力，计算了钻井周围1平方公里范围内水合物中天然气储量。(3)深水勘探技术进步迅速、勘查成果显著。深海油气钻探始于1965年，早期钻探深度大多限于水深600米以内，先后探明了一批具有相当储量规模的油、气田，包括墨西哥湾地区的布理文科尔、莱纳油田，加利福尼亚地区的派因特阿古洛、佩斯卡多油田，巴西坎波斯盆地的科维纳等油田，挪威的特罗尔的大型气田。这些油气田的发现表明深海油气有巨大的资源前景。(4)海底多金属资源的勘查、开采和冶炼技术进一步提高以锰多金属结核为代表的海底固体矿产资源的开发利用主要取决于勘查、开采和冶炼技术的进步。经过几十年的研究，这一方面我们人类已经取得显著进展。现在，一般利用采矿船来开采锰团块。由装有深海电视的采矿机在海底收集锰团块，通过软管抽气像吸尘器一样，把锰团块经软管连续地吸到地面上的采矿船中，每天采矿量可达3000吨。日本的深海矿产资源开发技术居世界领先地位，已经研制出具有高效率及高可靠性的流体掘式采矿实验系统，进行了锰结核基础性冶炼技术研究、有经济价值和有效率的冶炼技术开发，并将成熟技术封存。日本的潜水技术是世界一流的，1981年建成的第一艘2000米级潜水器“深水2000号”是多功能大型载人潜水器，下潜深度2000米。1989年又建造了“深水6500”号载人潜水器，下潜深度达6500米，并装有声成像声响系统，即“观测声呐”，可获得三维立体图像。为了观测全球海洋，日本于1993年研制了11000米工作水深的深海无人潜水器，同年研制了智能机器人，可在海底进行各种海洋资源的勘探作业。关键技术1.海洋石油钻探和开采技术海底石油的开采过程包括钻生产井、采油气、集中、处理、贮存及输送等环节。海上石油生产与陆地上石油生产所不同的是要求海上油气生产设备体积小、重量轻、高效可靠、自动化程度高、布置集中紧凑。一个全海式的生产处理系统包括：油气计量、油气分离稳定、原油和天然气净化处理、轻质油回收、污水处理、注水和注气系统、机械采油、天然气压缩、火炬系统、贮油及外输系统等。供海上钻生产井和开采油气的工程措施主要有：人工岛，多用于近岸浅水中，较经济。固定式采油气平台，其形式有桩式平台（如导管架平台）、拉索塔式平台、重力式平台（钢筋混凝土重力式平台、钢筋混凝土结构混合的重力式平台）。浮式采油气平台：其形式又分：a.可迁移式平台（又称活动式平台），如坐底式平台（也称沉浮式平台）、自升式平台、半潜式平台和船式平台（即钻井船）。b.不迁移的浮式平台，如张力式平台、铰接式平台。海底采油装置：采用钻水下井口的办法，将井口安装在海底，开采出的油气用管线直接送往陆上或输入海底集油气设施。供开采生产的油气集中、处理、转输、贮存和外运的工程设施：装有集油气、处理、计量以及动力和压缩设备的平台。贮油设施，包括海上储油池、储油罐和储油船。海底输油气管线。油气外运码头，包括单点系泊装置和常规的海上码头（有固定式和浮式两种）。2.深海采矿技术世界深海高新技术的发展趋势是朝着多功能、自动化、智能化和遥测遥控的方向发展，主要技术及装备有：深海（6000m）载人深潜器（HOV）和无人自治深潜器（AUV）；高精度定位技术、水声技术和水下目标跟踪技多种资源的勘查技术系列，包括高精度、高分辨率的探测、浅部深部地层剖面探测，采样、化探、资源评价技术，环境监测与评价技术；包括水力、气力、机械动力的集矿与扬矿，遥测遥控、水面支持的日产千吨级万吨级的深海采矿系统。3.半坐底式平台（用于深水开采） 波斯湾大陆架石油产量较早进入大规模开采，连同附近陆地上的海洋石油产量，供应了战后世界石油需求的一半以上。欧洲西北部的北海是仅次于波斯湾的第二大海洋石油产区。美国、墨西哥之间的墨西哥湾，中国近海，包括南沙群岛海底，都是世界公认的海洋石油最丰富的区域。 在海洋进行石油和天然气的勘探开采工作要比陆地上困难多。必须具备一些与陆地不同的特殊技术，如平台技术、钻井技术和油气输送技术等。 工作平台有固定式平台和移动式钻井平台，移动式钻井平台克服了固定式平台建、柴禾不能重复使用的缺点，并大大增加了工作深度。移动式海洋石油钻井设备拥有自己的浮力结构，可以有拖船拖着移动。有的还拥有自己的动力设备，可以自航。移动式海洋钻井设备包括：座底式平台、自升式平台、半潜式平台和钻井船。其中半潜式平台是目前适合于较深水域作业的先进平台，它既能克服钻井船的不稳定性又能在较深水域中作业。 向深水石油开发进军，研究稳定有廉价的深水平台和深水重力平台。张力推平台用绷紧的钢索系留，工作水深刻达600-900米。后两种平台都是从海底直立到海面的固定平台，其特点主要是采用缩小横断面等技术，降低造价，其工作深度可达500-600米。总结：对水下资源开发技术的展望第一，是重视基础地质研究、调查评价工作，尤其重区域石油地质条件的研究和类比。 第二，重视海上油气勘探开发科技攻关，鼓励新技术、新方法的应用。美国曾多次国家出钱，在墨西哥湾开发一些海上技术和装备，用于