现代海洋资源开发技术

现代海洋资源开发技术简介彭宗波,海洋是人类至今难以全面涉足的神秘领域，这一资源丰富的、有待开发的新空间，将成为人类未来重要的能源基地，对海洋的探测和太空探测一样，具有很强的吸引力和挑战性。,为什么要开发海洋？,为什么要开发海洋？,占地球表面积70.8%的海洋：是人类发展的四大战略空间（陆/海/空/天）中第二大空间是对我国经济与社会的发展、稳定、国防安全产生巨大支撑作用的、最有发展潜力的战略空间,海洋资源的种类,海洋油气资源海洋固体矿产资源，如分布于2000-6000米水深起伏比较平缓的海底表面的锰结核、分布于800-3000米水深海山、岛屿斜坡或丘陵地带的富钴结壳、分布于2500米左右水深的洋中脊海底正在张开的裂谷中的热液硫化物、分布于1000-3000米水深海底的天然气水合物等等,海洋资源的种类,海洋生物资源，渔业、海水养殖、深海生物基因等等海洋空间资源，海底隧道、海底工作站、大桥、人工岛、海上城市、海底城市等等海洋能源，波浪、潮流、温度差、盐度差、海水发电等等海水资源，海水淡化,海洋空间利用技术浮式海上活动中心,海洋资源开发的重要性和紧迫性,我国人均矿产资源占有量不足世界人均水平的一半，居世界第53位据预测，至2020年，我国石油、天然气、富铁、铬、贵金属、钾盐等45种主要矿产有近一半保有储量将不能满足要求仅2015年我国石油消费5.43亿吨对外依存度突破60%能、资源短缺经济发展受到制约海洋资源开发迫在眉睫开发海洋资源是21世纪的重要战略任务,海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，是我国实施可持续发展战略的重要物质基础,我国是一个海洋大国，海岸线长达18000多公里，海岛6000多个，管辖海域面积近300万平方公里。,南海北部,南海南部,我国南海具有丰富的油气资源,石油地质储量：350亿吨，传统国界内230亿吨约占总资源量的1/3天然气338万亿m3,北界：中央海盆的龙南山至黄岩岛一线东南界：菲律宾-加里曼丹西部：中南半岛南端金瓯角-马来半岛东岸通帕连线南部：马来西亚古晋-文莱斯里巴甲湾一线,南沙海区,总面积：115万km2我国国界内面积（9段线60北）83万km2,南海南部深水区具有广阔的油气资源前景,南海海域,海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，是我国实施可持续发展战略的重要物质基础,在国际海底区域获得7.5万平方公里多金属结核矿区，大洋底锰结核的蕴藏量约为3万亿吨，仅太平洋就有1.7万亿吨。按目前的工业消耗量计算，仅太平洋锰结核中的金属钴就可供全世界使用34万年，镍和锰使用2万年，铜使用900多年。,正在或将要进行富钴结壳、天然气水合物、多金属硫化物和深海基因资源的调查和研究开发，这些是我国实施可持续发展战略的重要物质基础。,中国多金属结核合同区资源概况面积7.5104km2资源量4.2亿吨干结核1.12亿吨锰406.40万吨铜98.49万吨钴514.42万吨镍,海底锰结核,海底摄像系统拍摄的2000多米水深下的富钴结壳,热液硫化物,温度高达410C！,天然气水合物（GasHydrate）-新的替代能源能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成矿物化条件优越产出的甲烷气能满足能源、经济、环境和效率需要新发现的水合物储藏区水深1000-2000m,海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，是我国实施可持续发展战略的重要物质基础,我们所面临的问题-我国海洋主权和权益正在受到侵犯,形势严峻复杂，与8个相邻、相向的国家有海域划界问题，主要争议海域的面积超过120万平方公里。黄海、东海大陆架和南海海域都存在海洋油气资源开发争议。现代国际间的竞争，说到底是资源的竞争，是综合国力的竞争。维护海洋权益已成为各国关注的重大问题。资源状况始终是综合国力的基本构成，资源问题同时也是国际政治中的核心问题，资源的安全就是国家的安全。,周边国家在南沙海域勘探开发现状统计,钻探了700多口井91个油田及含油构造95个气田及含气构造,年开采石油5000104t以上天然气：380万方分别是我国整个近海石油年产量和天然气年产量的2.5倍和7倍,我们所面临的问题-资源短缺,人均矿产资源占有量不足世界人均水平的一半，居世界第53位据预测，至2020年，我国石油、天然气、富铁、铬、贵金属、钾盐等45种主要矿产有近一半保有储量将不能满足要求,我国能源供需矛盾突出石油可采资源量，约占世界的3.6%天然气可采资源量，约占世界的2.7%油气消耗量占世界第三位，仅次于美日,我国油气资源总量比较丰富，勘探上还有较大潜力，但人均占有资源量严重不足。,我国的油气资源现状,我国石油、天然气的供需形势,我国已成为石油资源供需短缺的国家，石油供需缺口将进一步加大。19902002年石油消费年均增长1100万吨石油产量年均增长240万吨2015年石油进口量3.0亿吨2020年我国石油需求总量4.0-4.3亿吨我国国内石油产量1.8-2.0亿吨2020年我国天然气需求量2000亿米3我国国内天然气产量1200亿米3,海洋高新技术研究的主要方向,海洋开发的关键技术，主要包括海洋矿产资源开发技术、海洋石油天然气资源开发技术、海洋生物资源开发技术、海洋能源开发技术、海洋空间利用技术和海水综合利用技术、水下检测技术、水下施工工艺及技术（如海底管道及电缆的埋设技术）等等,海洋高新技术研究的主要方向,为全球变化研究所需的全球海洋长期监测和观测系统海洋产业相关的高新技术为海洋防灾减灾所需的海洋预报技术,海洋空间利用技术可沉/浮人工海底结构,水下作业系统,海洋开发的未来,全球海洋长期监测系统,MARS海底观测网络(MontereyAcceleratedResearchSystem),海洋资源开发的总体趋势,海洋油气勘探开发技术增储、上产、高效、安全油气资源由近海向深水发展（钻井世界记录2953米水深，我国仅为503m）探查与开发21世纪的海洋新能源开发海底矿产资源和深海生物基因资源,关键技术,勘探,钻井,开发,工程,高分辨率地震勘探,多波多分量技术,旋转/地质导向钻井,成像测井技术,时移地震技术,三次采油技术,深水工程技术,管线检测维修技术,海洋平台检测/监测,海洋油气开发技术,增储,降低成本,上产,保障,海洋油气资源开发的国内外发展现状,勘探、钻井、开发、工程和安全是海洋油气资源开发的五大关键技术国际上海上钻井的最大水深已超过2000米大位移井的最大水平位移已超过10000米海洋油气开发向着更大水深发展水下生产系统（油气混输）是海洋油气开发的发展趋势之一,近20年来，世界范围内深水油气田、天然气水合物等深水资源的普查勘探成果层出不穷,据统计，目前有60多个国家进行了深水油气勘探；截止2010年，全球深水区共探明油气当量580亿桶,深水油气田的开发规模和数目不断增加,目前：深水区目前已经有33个超过5亿桶的巨型油气发现,勘探、钻井关键技术,开发关键技术,工程、安全生产技术,深水平台技术的发展,陆上,90S，中深水,80S，浅水,2000S，深水、超深水,PetrobrasXVIII,Visund,深水海洋工程技术和装备飞速发展,2001年:261座半潜式平台:170座浮式生产储油:72艘张力腿:14座立柱式:5座,2007年：173座,各类深海平台设计建造技术逐步完善,深水油气开发在发达国家已经达到相当水平,常规型张力腿,小型型张力腿,固定平台,顺应塔型平台300-600m,148-1432m,立柱浮筒平台588-1710m,浮式生产系统335-2133m,浮式生产储油系统,水下系统770-1853m,深水水下生产新技术不断涌现,2003年：2300套2007年：5700套,-,500,1,000,1,500,2,000,2,500,3,000,1941-50,1951-60,1961-70,1971-80,1980-90,1991-00,2001-10,maxproductionwaterdepth(metres),SHIP,SHOAL,5m,TRIDENT,2953m(poss),NAKIKA,2292m(dev),RONCADOR,1853m,GREEN,CANYON31,682m,COGNAC,314m,DIAMOND,114m,CUARTA,60m,已投产的最大深度：CanyonExpress2195米深水油气勘探最大深度2953米,深水油气田开发的水深记录被快速刷新,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,3500,4000,1970,1975,1980,1985,1990,1995,2000,2005,2010,2015,2020,2025,2030,2035,2040,maxproductionwaterdepth(m),1970strend,1990strend,深水开发的速度不断加快,深水已经成为世界油气开发的主战场,国外钻探最大水深：3095米，我国：505米投产油田最大水深：2192米，我国：333米（自主开发油田：200米以浅）国外深水作业能力：起重能力14000吨水下维修深度2000米我国：起重能力3800吨铺管水深150米,国内外主要深水技术和装备能力对比,新能源开发热点之一天然气水合物,燃烧的水合物,外型：天然气水合物外貌类似冰雪,可以象酒精一样燃烧,天然气水合物的特点,结晶状笼形化合物,全球共122个地区发现天然气水合物陆地38处、海洋84处海底取芯20多处,（Kvenvolden,1993）,目前全球水合物中甲烷资源量为2*1016m3是全球已探明煤、石油、天然气总含碳量的2倍是常规天然气探明储量的几十倍,储量巨大,引自ODP190，196航次报告,引自ODP190，196航次报告,试采成功制定了近年的商业开采计划,日本,美国布莱克海台水合物样品（MacDonald拍摄）,ODP204航次美国水合物脊采集的地质样品(Lee,2002),美国制定了2016年商业开采计划,（底图据刘光鼎，1992）,我国广阔的海域和专属经济区域具有巨大的天然气水合物前景,南海东北部地震反射剖面,已经发现：BSR冷泉、碳酸盐结壳菌群、贝壳等生物标志2007年取得样品,目前的工作初步证实我国南海西沙海槽、东沙陆坡、台湾西南陆坡、南沙海槽、冲绳海槽等可能存在天然气水合物，据估计我国南海陆坡和海槽沉积物中的水合物可以满足今后数百年的需求。2007年我国在南海海域首次获得天然气水合物样品。,天然气水合物的勘探方法,（1）地震勘探方法实质就是发现BSR（海底地震反射层）（2）钻孔取芯及室内分析技术-证明NGH的最直接和最直观的方法（3）测井技术-特征信号,温度,压力,改变相平衡条件,天然气水合物的开发思路,基本原理：连续改变天然气水合物的存在条件或相平衡条件,降压,热激发,化学药剂,发展趋势：多种原理和方法联合开采,天然气水合物,气体,热或化学药剂连续注入,水合物分解,随着气体开采储层压力降低,天然气水合物开采进程,1968年，前苏联成功开发麦索亚哈天然气水合物藏1972年，美国从阿拉斯加取得岩心；1995年，美国在布莱克海底取海洋岩心；1999年，日本在近海试采成功；2002年，日本在加拿大西北试采成功。,加拿大马更歇水合物试采井,海底沉积物中天然气水合物岩心,主要海洋非油气类资源,固体矿产,深海生物基因,近海底多参量探测,直视探测取样,保真取样技术,现场实验技术,海洋非油气资源及其开发技术,锰结核,富钴结壳,热液硫化物,海洋能,深拖系统获得的海底锰结核图像,海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,海洋多金属调查研究和试开采的技术-多波束回声探测仪，可以绘制海底地形地貌-拖曳式观察系统可以在海底遥控摄制照片和录象-潜水深度分别可达6500米和10000的载人和无人遥控潜水器可以在海底进行勘探、调查和取样-水力升举式采集系统可解决深海多金属结核由海底提升到海面的复杂技术问题我国于1995年开始在太平洋运用6000米深拖系统进行海底锰结核的调查工作，并取得了非常有价值的资料,电视抓斗抓取的富钴结壳（500kg),海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,富钴结壳是海底最重要的固体矿产资源之一，主要分布在800-3000米的起伏较大的海山、岛屿斜坡或丘陵地带。钴结壳与多金属结核相比，开采较易，冶炼过程相似。据预测，其生产的利润率可能高于多金属结核。,海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,对富钴结壳的调查开始于八十年代，并成为大洋矿产资源勘探和研究的热点。德、法、前苏联、印度、日本等国家均对这种矿床进行了调查。1986年9月，日本科技厅启用“深海2000”号载人深潜器从海底山的斜坡上采集“钴华矿床”，并调查沉积物的分布范围。,海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,针对富钴结壳在国际海底的赋存状况，“九五”期间我国利用多金属结核调查专项基金在麦哲伦和中太平洋海山区进行了三个航次的富钴结壳资源靶区地质地球物理初步调查，调查显示靶区具有潜在资源前景。,热液硫化物探测、取样技术,海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,热液矿床有固体状和软泥状两种，主要形成在洋中脊海底正在张开的裂谷中，水深一般在2500米左右。热液矿床的发现始于1948年。1973年-1974年美国和法国联合用潜水器在大西洋中脊进行调查，发现了两块热液矿床。,海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,1978年2月开始，美国、法国、墨西哥又使用深潜器“阿尔文”号、“西亚纳”号等，对东太平洋海隆进行调查，在好几处发现了体积巨大的块状热液矿床。其后，美国首先提出了它的开发计划，1990-1999为开发实验阶段，2000年为批准采矿计划，2000-2020年为采矿和生产阶段。日本也投资220亿-230亿日圆建造了能下潜6000米的深潜器，专门用于调查。我国2007年大洋调查航次首次发现。,海洋非油气类资源开发的国内外发展现状,用于调查和勘探、采样的潜水器（载人或无人）深海采矿设备的研制流体提升式采矿系统的研究适合于深海环境的新型材料的研究遥控技术的研究与应用,国内外技术发展现状和趋势,深海运载器朝着综合技术体系化方向发展，功能日益完善美国保持着深海运载器技术发展和应用的领先地位,潜水器技术的发展,潜水器的分类,载人潜水器（MannedSubmersibles）无人潜水器（UnmannedUnderwaterVehicles），主要包括遥控潜水器（ROV）和自治水下机器人（AUV）混合型潜水器（HybridVehicles）潜水员运送器（SwimmerDeliveryorSwimmerPropulsion）,载人潜水器,可分为系缆潜水器、浮力舱式潜水器、自由自航潜水器。其中系缆载人潜水器又有深潜球、拖航潜水器、系缆自航潜水器大多数载人潜水器属于自由自航式潜水器，它自带能源，在水面和水下有多个自由度的机动能力，主要依靠耐压体或部分固体材料提供浮力，最大下潜深度亦可达到6000-7000m，机动性好，运载和操作也较方便,主要应用于海洋开发的勘探和测绘、施工期间的水下交通、基地人员的补给、水下系统装置的安装和检修等在军事上，可以直接为海军军事基地、仓库建设服务，担负勘探、施工、人员输送以及设备安装和维修等工作，还可以直接参与现代水雷战，完成潜艇救生和水下救捞等任务,载人潜水器,载人潜水器的特点,载人潜水器的研制费用非常昂贵，且由于水下系统涉及专业操作人员，因此其操作使用和维护费用极高。此外，其水下动力源为自带能源，因此一次下水的运行、作业时间极其有限,无人潜水器,无人潜水器以是否带缆可以分为无人有缆潜水器和无人无缆潜水器无人有缆潜水器可归纳为带缆自由航行、海底爬行、拖航三大类，其中以带缆自由航行式潜水器为最多无人潜水器的主要用户是海洋石油和天然气工业，其次是军事部门，还有科学研究,无人带缆潜水器,带缆自由航行潜水器90%以上是用于完成观察和视像摄影的记录工作，水下作业任务的比重在逐步提高。由水面母船上的工作人员通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声纳等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业海底爬行式潜水器主要用于完成海底推土、挖沟、检查以及海底的一些操作作业,无人带缆潜水器,拖航潜水器用于军事目的的和科学研究的居多，主要用作观察识别定位、搜索、细致测绘、取水样、放射性测量等。在科学研究方面，主要是用在地质、地球物理方面的研究以及大面积的搜索和水质分析、生物取样、地质取样、生物测定、海底资源的探察和研究,遥控潜水器（ROV）的特点,由于ROV不危及人身安全，建造、使用维修费用低廉，动力大多数由母船提供，因此理论上在水下的工作时间可以任意长，同时通过电缆传输指令和信息，所以ROV是目前发展得最快的一种潜水器。但是，电缆缠绕问题是造成其丢失的重要原因,无人无缆潜水器,无人无缆潜水器是一种水下智能化装置，也称水下机器人（AUV）。主要用于军事目的，完成海洋传导性、温度和压力剖面测绘。也做一些尾流扰动测量、冰下声学剖面特性测绘工作等。在科学研究方面，主要用作活动的水声平台，亦兼作水下程序控制系统的研究,无人无缆潜水器的特点,AUV发展至今尚存在以下几个主要问题尚未解决，一是由于在水中无法传输电波，而水下声波传送速度较低，因此在母船上无法实时看到水下摄像机所摄取的图像；二是无法从母船上直接遥控操作；三是由于水下自带能源的能量密度较低，导致AUV水下工作时间极其有限。以上三个方面，尤其是能源问题，是制约AUV向实用阶段发展的主要因素,载人潜水器、ROV、AUV的比较,深海运载器朝着综合技术体系化方向发展，功能日益完善,美国、日本、俄罗斯、法国等发达国家目前已经拥有了从先进的水面支持母船，到可下潜3000米11000米的深海运载器系列装备，包括有深海遥控潜水器、自治水下机器人、载人潜水器、深海工作站和深海资源开采机器人等所构成的技术装备体系，实现了装备之间的相互支持、联合作业、安全救助，能够顺利完成水下调查、搜索、采样、维修、施工、救捞等使命任务，充分发挥了综合技术体系的作用,法国：IFREMER,CoastalAUV,NautileHOV,Victor6000ROV,美国WoodsHole海洋研究所的Alvin载人潜水器（4500米）、ABE自治水下机器人（3000米）、Jason遥控潜水器（6500米）在深海勘查和研究中以其技术先进性和高效率应用而著称目前美国WoodsHole在积极开展新型深海运载器的研发，如NewAlvin载人潜水器（6500米）、SENTRY自治水下机器人（6000米）、HROV混合式潜水器（11000米）,美国保持着深海运载器技术发展和应用的领先地位,美国：WHOI,AlvinDSV,ABEAUV,REMUSAUV,JasonIIROV,SetryAUV,美国：WHOIJasonII,美国：WHOIJasonII,Ghostbuster高温热液化学传感器,Geochemistry原位地球化学探测器,MajorPair热液采样器,作业工具触发油缸,Gas-tight热液气密采样器,布置在美国Alvin载人潜水器采样篮上的作业工具,随潜地磁仪,Niskin分层采水器,美国：WHOI,SprayGlider,美国：WHOI,HROV,HROVinAUVmode(left)andROVmode(bottom),美国：WHOI,HROV,美国：WHOI,HROVOperationalsequenceofROVmode,MBARI的Tiburon号ROV,ElectricVehicleSmallHydraulicSystem(2.5gpm3000psi)4000mOperatingDepth150lbs.SciencePayload15kwofPower1.5KnotMaximumSpeed(onsurface)Estimated.25KnotsatDepth,美国除发展深海科学探测和资源勘探开发的无人装备技术外，开始规划分阶段地进行居住型载人深海空间站的研究与建设，包括固定式海底基地和移动式载人平台，首期潜深仅