D第五章 海底矿产资源开发技术Word文件下载.docx
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海底无自然光；
海洋环境的风、浪、六等构成复杂流场;
深海大部分地方处于１℃的低温,而热液口的温度高达近40０℃。
这样一个复杂超长的极端环境,给深海作业及装备的可靠性和维修更换维修周期等提出许多极高的要求,工作设备要承受高达２0~60ＭＰa的巨大水压,海水中电磁波传播衰减严重，其技术开发难度毫不逊色于太空技术。
（２）由于海底矿产资源的特殊赋存状态。
目前陆地上具有经济开采价值的金属矿产资源，不论是露天开采还是地下开采,基本上都是采用钻孔爆破,有轨、无轨车辆或提升机、皮带输送等方法进行开采。
然而,深海底的多金属结核以及直径仅数厘米的结核状赋存于极稀软的海底沉积物表面、富钴结壳以厚度仅数厘米的壳层黏附在地幸福在的海山基岩上、热液硫化物虽然已大块矿床形式存在,但矿床规模都相对较小，沿用陆地上的现有开采技术不具备经济开采价值。
因此,深海矿场资源的开采原理、工艺和装备都不能直接移植陆地上已发展成熟的采矿技术。
海洋采矿是涉及诸多行业和学科的高技术密集型的系统工程,如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、化学、流体力学等学科和造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产的开发。
同样,海洋采矿的发展势必促进这些行业和学科的进一步发展,这就具有重要的战略意义。
（3）深海采矿环保限制标准。
除与陆地采矿一样有废水废渣的处理外，深海采矿作业中对海底的扰动程度将是一个极为重要的有别于陆地采矿的限制标准,使得深海采矿的技术难度进一步增加。
海洋采矿中应注意与其它海洋资源开发之间的关系。
它们之间相互促进、相互制约。
此外在开采中还要注意保护海洋环境,避免污染和破坏海洋生态平衡，即注意开发和保护之间的矛盾,所以需要精细的管理,以求获得最佳的经济、环境和社会效益的统一。
（4）国外实践表明,海洋（深海）矿产开采新技术,从开始研制到投入实际应用,通常需要1０~20年的时间,周期较长。
如日本从197５～19９７年投资１0亿美元,研究锰结核的勘探和技术开发,进入试采阶段;
美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区的勘探和采矿技术的研究,累计投资15亿美元;
印度、英国、意大利等国也经过了长期的研究。
可见各发达国家这种长期的投入研究不仅仅是解决国内经济发展的需求,主要是面向未来,是对未来的研究和投资。
（５）海洋矿产开发具有国际性的特点。
海底矿产资源可能是跨国界或共享的,涉及各有关国家之间的利益，需要国际之间的协调和合作。
[４]
５.2海底矿产资源勘探方法[５］
海底矿产资源的勘探方法分为浅海勘探和深海勘探。
深海勘探的对象主要是锰结核矿、热液矿;
浅海勘探的对象很多，有石油、煤、铁和各种金属矿砂。
勘探方法有直接方法和间接方法。
直接方法主要有观测和取样；
而间接方法主要有声学探测技术、地球物理方法和地球化学方法
5.２.1 直接方法
5.2.1.1 观测
及观测海底矿床在海底中的位置,在浅的水域主要靠潜水员进行观测,而在较深的水域要靠载人潜水器进行观测。
较常用的直接观测海底的方法是利用照相机和水下电视。
目前水下照相机在海洋地质调查中一发展成一种比较完善的工具,在研究海洋矿床方面已被广泛地采用。
水下照相机能够连续的的拍摄海底相片,在拍摄过程中使用照相机刚好高于海底的位置上拖曳,同时周期性的被触发。
目前已利用各种具有广角镜头并能拍摄数百帧照片的大型静止照相机。
德国采用的70mｍ海底静止照相机，能曝光大约300次。
这种照相机由具有能源和电子控制装置的照相机、闪光灯和触发器三部分构成。
当粗发起重锤触及海底。
它能够自动摄取海底照片。
最新的发展是以声呐控制代替机械能触发器并配备自返式取样装置，在拍摄照片后自动返回海面而被回收。
但是水下照相的缺陷是不能连续的进行探矿不得不将照相机从海底回收，并且必须等到照片冲出来以后才能获得光宇海床矿床的资料。
利用水下电视可以连续的监测海底，并可将观测结果录制成碟永久保留。
但由于海底缺少光线以及摄像系统的分辨率不得不以缓慢的速度拖曳，因此在水下电视操作期间所耗费的船时相对较多。
5.2．1.2取样
采集矿物样品是探查浅海海底及大洋底矿产资源的最基本、也是最重要的手段。
主要有以下几种
（1）
绳索抓斗取样器
表层取样
即采用工具获取还低表面物质样品。
常用的取样器有“绳索抓斗取样器”。
抓斗下降时都是开口的,当接触海底后即自动抓砂封闭。
利用绳索抓斗取样器在海底捞取矿样,由于它灵活机动,不受海水深度限制，海底不平整和粒度大小不均匀都没关系,因而成本低，使用广泛。
单只能捞取海底表层的矿样。
另外,较常用的还有金属链条货绳索构成的拖斗式货拖网式表层取样器。
斗和网都有细孔,可以漏水,它们一般是在深海中用以捞取结核矿、岩块、砾石等样品这种古老而又新颖的取样方法,因其成本低、灵活机动、不受海水深度的限制而使用较广。
但所获取样品往往会混在一起,所以仅能用作定性研究,不能定量分析。
（2）柱状取样
未用各种采样管采取海底以下一定深度的柱状样品。
常见的取样管有重力取样管、水压取样管、活塞取样管。
活塞取样管的工作要点是：
着底时，活塞的下面通常要紧紧地黏在海底泥土的表面不动，而只让管子完全插入泥土中。
柱状取样
上述柱状取样管都需船只停止航行后用用钢缆吊着取样管到达海底取样这种方法既费时，又费事。
近年来，国外研制了一种“自动返回沉积物取样器”,又称，“无缆取样器管”。
这种取样器用漂浮材料制成,可以携带重物和采泥器或照相机，自由降落到海底,在到达海底并采集样品或对海底照相以后，携带的重物自行脱落,而漂浮材料是采泥器货照相机浮出水面,一旦露出水面,讯号器立即启动,发射无线电信号,使船上的工作人员很容易发现它而取回样品。
经试验,在水深1000m处,整个取样过程仅需1５min。
利用各种类型的取样管一般可获取海底以下几米、十几米、甚至几十米的沉积物柱状样品。
据报道,前苏联“勇士”号调查船曾用真空式取样管取得长达34m的柱状样品，而其沉积结构没有受到任何重大的破坏和扰乱。
这种采样设备的问世，将过去的单点采样改变为连续采样。
（3）钻探取样
海上钻探取样和陆上钻探取样的工艺过程相似，也分浅孔钻探和深孔钻探两类。
浅孔钻探适用于海底砂层下部矿物的取样,也可用于采集锰结核和海底沉积的柱状样品。
金刚石、锡石和砂金由于密度大,都富集在砂层的下部，越接近下部底岩,矿砂就越丰富，所以需要用钻孔提取矿砂层下部的矿样、钻孔深度不等,视砂层厚度而定,由1m到30ｍ以上,钻孔直径由10cm到90cm。
在砂层中钻孔速度很快,因而成本也不高。
使用的都是空心钻，以便提出岩心,这样取的岩心矿样在质量上有保证,可以做定量分析用。
常用的钻探装置有旋转钻，落锤钻,打桩钻,震动钻。
（４）深孔钻探
对海底坚硬岩层勘探就要用深孔钻探。
深孔钻探是最后的钻探手段，费用很高。
对于石油、天然气、煤、铁等矿床应先用地球物理方法进行初步勘探,然后才能决定是否需要打钻机,并决定打孔的位置和钻孔的深度。
近年来,深孔钻钻技术发展的很快,现在陆地上钻孔最大深度已超过万米,海底钻孔深度则已达6966m。
随着水下矿产勘探重要性的日益增长,已出现将观测和取样合并为一个系统的设备。
如把水下电视系统与拖网相结合的拖网使用。
拖网悬挂在电视机外壳下面,在电视机框架到达海底时,拖网就在海底上取样。
用这种方法，在电视观测期间就能够获取样品,保证了取样区就是想要观测的区域。
此外深潜技术的发展，是大洋矿产资源的调查勘探出现新的突破。
载人潜水器可将观测人员送入几千米的水下,利用观察窗或声呐直接观测海底矿物，并利用机械手采集矿物样品。
5.2.2间接方法
间接方法是在勘探中并不与岩石矿物直接接触,而是利用精度很高的仪器来探测岩石矿物的性质和埋藏深度的勘探方法。
如利用声学探测技术中的回声探测仪、旁侧扫描声呐等，利用岩石矿石具有各种不同的物理性质，如密度、容重、磁性、导电性等物理性质，采用地球物理方法等。
（1）水声学探测技术
利用回声侧探测仪可以了解海底的地形，获取海底图像。
还可以利用它测定中层水发射面的存在。
如在对红海充满卤水的盆地进行勘探中已经证明回声测深特别有用,他可以观测到深部的卤水和海水之间的密度界面。
低频回声测深仪可以穿透沉积物上层,并能准确判定海底地形地貌，如可以显示是否存在海底火山岩。
这种火山岩对于采矿作业危害极大,因为采矿作业主要使用海底拖曳工具。
侧扫声纳
侧扫描声纳可以测量精细的海底地形地貌，因此,对海底的砂坡和砂带的探测非常有效，在大洋矿产资源勘探中具有广阔的使用前景。
由于锰结核往往富集在小山坡上和起伏不大的海底上,而不是富集在平滑的海底平原上，所以利用远程侧扫描声纳在含锰结核的海底上拖曳，就可以勾划出所勘探的几十公里宽的海底上的不同地形的位置,然后在每个位置上采集回收锰结核样品,已决定丰富的高品位锰结核所需要的最有利的深海环境。
因此,利用侧扫描声纳可以发现任意含锰结核地区中的其他的富集区。
此外，高分辨率的侧扫描声纳还可以绘出粗糙海底锰结核分布地区的概况。
用于海底探矿的其他声学设备,还有声学地层剖面仪。
深水多普勒海流剖面仪和水下高速声信息传输系统。
利用地层剖面仪可以探测数千米水下的海底沉积层厚度及地质构造,实时获得海底地质剖面图，利用多普勒流苏剖面仪可以在航行中连续测量水层剖面的多个层次的流速，最多可达64个层次,甚至更多。
测量的数据由计算机实时处理。
水下高速声信息传输系统可以将海底观察到的电视图像和声图像输送到水面。
（2）地球物理方法
此方法为应用物理学原理来研究地质构造，寻找地下矿藏的方法。
岩石矿石具有各种不同的物理性质,物理勘探就是测探它们的物理性质，如密度、弹性、磁性、电性、放射性等物理性质的差异，及探测地球物理场的变化,然后分析所获得的资料,从而推断矿产分布情况。
如不同岩石矿石对声波（振动波）传播的速度不同,岩石矿石越密传播声波的速度就越大,利用这种原理来勘探的勘探方法就是地震法。
同岩石矿石有不同的密度,密度大的岩体就产生大的吸引力。
岩石矿石都或多或少的带有磁性,不同岩石有不同的磁性，探测岩石矿石的磁性以区分其种类,这就是磁力法。
不同岩石矿石的导电性能不同，个别的矿体还能产生自然电流，这就要用电法来勘探,在电法中又有电阻法和电磁法等。
（3）地球化学勘探
此方法为系统的测量海水、海底沉积物和岩石等的地球化学性质，以发现与矿化有关的地球化学异常的一种探矿方法。
海洋地球化学勘探通常采集海水、海底表层沉积物的岩石样品，在船上实验室进行分析测定某些元素的微迹含量等工作。
在油气勘探、滨海砂矿、磷块岩、热液矿床、铁锰结核、铁锰矿等重要海洋矿产的发现中都起到了十分重要的作用。
近年来，对海域地球化学测量给予了肯定的评价,认为这是一种经济、快速而有效的方法。
据报道，近十几年来,世界各国对近海地区１00多万平方公里进行了油气地球化学调查,圈定了１23个油气远景区，并在大量的数据的基础上研制出预测油气资源的地球化学模式。
（4）导航技术
在深海探矿中必须具备精确的导航定位能力，特别是在探矿过程的最后阶段，利用导航定位技术，以便当完成使命的自返式采样器和自返式水下照相机返回海面时,海面船只能够找到它们，将它们回收上来。
目前，应用比较广泛的是卫星导航与远程无线电导航系统结合,并由雷达系统加以补充。
对比较小的区域进行详细勘察时,作为导航参考点可以使用无线电或雷达浮标以及置于海底的声纳应答器。
近年来，国际上出现了多用途海底矿产资源综合勘探船,集采样、光学、声学、导航技术为一体。
船上配备了精密导航仪器，勘探装置和采样装置，可以在远离陆地的深海环境中工作。
这种勘探船的问世，大大提高了探矿速度和精度。
５．3海洋矿产开采技术方法
编号
海底矿产
可采用的开采方法
使用现状
最终产品
1
石油、天然气
石油钻井平台、钻探装置、海底采油系统
早已进入工业化生产,是非常成熟的开采技术。
我国自主开发研制的一批技术装置达到或接近国际先进水平
提取石油、天然气
2
多金属结核矿
1.连续铲斗提升采矿系统
2.管道提升采矿系统
3.穿梭潜水集矿机系统
４.海底自动采矿系统
基本完成小试,进入中试阶段。
管道提升采矿系统被认为是非常有前途的开采方法。
国内首先对这种方法进行研究取得了初步成果
提炼出具有战略意义的多种金属
3
海底热液矿床
３
其它矿产
各种采掘装置和大深度挖泥机
基本成熟的方法,进入工业化生产。
但我国以土法采选为主，技术落后、生产效率低
提取铁砂、金砂、锡砂及其它矿物
5．3.1近海油气资源[6]
天然气水合物是一种在低温（-10～+100℃）和高压（1~９Ｍa）条件下由气体和水合成的类冰固态物质,又称可燃冰。
它的分子结构比较特殊，是刚性的等轴笼架结构六方晶体的水分子中存在甲烷分子。
所以,天然气水合物中的有用组分主要为甲烷,此外还含有少量的Ｈ2Ｓ、ＣO２、Ｎ２和其它烃类气体。
它具有极强的储载气体的能力,一个单位体积的天然气水合物可储载10０~200倍于这个体积的气体储载量。
5.3.１.１天然气水合物的赋存环境
饱和的天然气水合物的能量密度很大,因为晶体结构迫使甲烷分子相互紧密结合在一起不论压力或深度如何变化,水合物的能量密度总是固定的。
在一定的压力—温度条件下,原生赋存具有经济潜力的天然气水合物广泛分布在永久冻土带和大陆外部边缘的浅层沉积物中。
（如图1）
（1）海洋中的天然气水合物
海洋中的天然气水合物通常存在于水深５00～4０00m（压力为５～40MPa）、温度2.５~25℃的环境中。
迄今为止，发现最富集的海洋水合物矿床位于沿紧邻老洋壳的被动大陆边缘沉积物中,最著名的是美国东南海岸的布莱克外海岭。
对布莱克海岭的初步评价认为,其中很小的地区所含的甲烷等量于美国数百年来的天然气用量总和。
（２）永冻层中的天然气水合物
永冻层中的天然气水合物存在于极地的低压低温区,在俄罗斯、加拿大和阿拉斯加的陆地及大陆架上均有发现,是以一种永冻的水—冰和水合物的混合物形式存在的。
Maｘ等认为,海域永冻层水合物是在陆架暴露出水面时,最近一次冰川作用下形成的,之后在海进期陆架被淹没。
（3）水合物层之下的常规天然气藏
含水合物岩层可对常规油、气藏起到屏蔽作用,气水合物层之下往往有大型常规气藏。
与水合物相关的甲烷既可产出于水合物本身，也可圈闭于水合物稳定带下方。
圈闭于天然气水合物带的常规天然气或石油比包含于气水合物中的非常规天然气在目前更具经济价值。
5.３．1.2 天然气水合物的开采方法
天然气水合物的开采实质上就是使地下的水合物分解，再将分解出来的甲烷气体抽到地面上来。
依据水合物相平衡原理，天然气水合物的开采通常有降压法、热激法和试剂注入法
３种基本方法。
（1）减压法
减压法是指通过钻探方法或其他途径降低水合物层下面的游离气体聚集层位的平衡压力，当压力达到水合物分解压力时，界面附近的天然气水合物转化为气体和水。
降低压力能达到水合物分解的目的。
一般是通过在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”（由热激发或化学试剂作用人为形成）,与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。
这种技术在西西伯利亚的Mｅssoyｈａka气田得到了应用。
开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法,另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分解的效果。
减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。
（2）热激法
该方法是指在压力一定的条件下,注入蒸气、热水、热盐水或其它热流体,也可采用开采重油时使用的火驱法或钻柱加热器法，对水合物稳定层进行加热,将设计区段的温度提高到分解温度,这一温度下,所注热量完全用于水合物的分解作用。
再用导管将析出的天然气收集于贮藏器内或采取采集常规天然气输气管道的方式将其输送到船载贮藏器。
这种方法的问题在于储层和水中的大量热能损失,效率很低。
特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。
如果没有热损，注入能量是开发能量的10%左右;
有热损时,注入能量可能会超过气体的价值。
这种方法非常昂贵，且要求向下注热和向上采气同步进行。
近年来,为了提高热激法的效率,人们采用了井下加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一。
实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法,其在开采重油方面已显示出它的有效性，该方法的使用将会给热激法带来不错的前景。
（３）试剂注入法
采用诸如盐水、酒精等抑制剂流体,可降低水合物的冻结点,将抑制剂注入井内会引起熔融。
近来人们又发现了另外两种新型的阻止技术,即以表面活性剂为基础的反聚结技术和阻止晶核成长的动力学技术。
其总体思想都是注入某些化学试剂，以改变水合物形成的相平衡条件,促进水合物分解。
此方法较热刺激缓慢得多，花费昂贵,但初始输入能量较低。
由于海洋水合物中压力太高，用这种方法可有效地改变相界曲线,但回采气体较困难。
（４）其他开采技术
Holdeｒ等人对水合物的开采技术进行过大量的研究,除上面介绍的3种方法外,还提出了置换开采和混合开采的理念。
置换法的原理是甲烷水合物所需的稳定压力较CO２高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而ＣO２水合物却是稳定的，这时CＯ2进入到天然气水合物中,与水形成水合物,这时所释放的热量可用于分解天然气水合物。
用CO2水合物来置换天然气水合物的研究已经开展起来,然而复杂的相变过程可能会给这一方法的实施带来一定的困难。
混合法原理是先将洋底粉碎，开采混有固体水合物的混合物，在提升过程中水合物就可能分解。
混合开采法目前还没有深入研究,但也很有建设性意义。
从以上各方法的使用来看,仅采用某一种方法来开采水合物是不明智的,只有综合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。
降压法和热激法技术的联合使用是目前最受推崇的方案，用热激发法分解气水合物,而用减压法提取游离气体。
5.３.1.３ 水合物勘探开发前景
海洋气水合物是全球天然气水合物资源开发的重头戏,不仅因为海洋气水合物占总资源量的大半以上,而且分布广泛,它不像陆上天然气水合物仅局限在少数的几个高纬度国家的永冻带或两极，对那些滨海而又缺乏能源的国家来说,天然气水合物则带来了很大的希望和寄托。
不仅含天然气水合物地层本身存在巨大无比的甲烷资源,而且往往在含天然气水合物层之下同时还蕴藏了巨大的常规天然气资源。
在永冻区开发常规天然气,不可避免地会遇到天然气水合物问题。
一般来说,永冻区的天然气水合物形成深度总是浅于常规气藏的深度,它像盖层一样封闭了其下的常规天然气,高浓度的水合物和与气有关的水合物盖层的探测为深层的烃类勘探提供了指导。
因此,开发天然气水合物不是单一的资源开发,而是一种综合开发。
５.3.2多金属结核矿
多金属结核（亦称锰结核、铁锰结核、锰矿球）是一种富含多种金属元素,主要由铁锰氧化物和氢氧化物组成的“球状”沉积物。
多金属结核由核心和壳层两部分组成。
多金属结核为黑色、绿黑色到褐色，其表面有三种类型:
粗糙表面、光滑表面、葡萄状表面，结合硬度变化较大。
结合核心有四类：
老的多金属结合碎块、深海沉积物、火山碎屑、生物骨骼。
结核中除有铁锰外，还含有铜、镍、钴、等３0多种金属元素、稀土元素和放射性元素。
其中最有价值的是铜、镍、钴、锰。
多金属结核矿物种类繁多，其中锰矿物有钡镁锰矿、布塞尔矿、钠水锰矿、水羟锰矿、软锰矿、拉锰矿、恩苏锰矿、硬锰矿、铁锌锰矿、钙锰矿等，铁矿物有针铁矿、赤铁矿、四方纤铁矿、水铁矿、磁赤铁矿等。
另外,多金属结核的层间和层内还含有粘土矿物（蒙脱石、伊利石）、沸石矿物（钙十字沸石、斜方沸石）、石英、长石、蛋白石、重晶石。
5.3.2．1多金属结核的分布
多金属结核分布与地层水氧的含量有关,含氧量高的地方,结核富集；
反之,结核贫乏。
多金属结核存在世界各大洋，主要遍布世界各地200~60０0ｍ深海处，以太平洋深海区的表层特别多。
多金属结核的主要控制因素有:
水深、沉积物间隙水的pH值Eh值、碱度，构造环境等。
[7]
５．３.2.2多金属结核的开采方法[8]
多金属结核开采的基本任务是按生产规模，从五、六千米的深海底,将多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上。
要求具有高度的可靠性、先进性和经济性。
在过去二、三十年的研究开发过程中，一些国家提出并试验过多种开采方案,主要有以下几种。
（1）连续铲斗提升采矿系统
连续铲斗提升采矿系统（ｃonｔｉnuｏuslineｂｕckｅtsyｓｔeｍ）简称CLB法。
它由采矿船、铲斗、高强度尼龙缆索等组成。
长15km的尼龙缆索上以一定的间距（２５~50m）悬挂的系列铲斗，通过尼龙缆索从海面船只（一船或多船）到海底的连续回转来进行采矿作业。
该系统具有开采和提升两个功能。
这类采矿技术具有系统简单、成本较低的优点。
但是若在一船上操作，尼龙缆索环路的两端易缠结，影响开采效率,两只船涉及到配合移动和成本等问题,所以影响了其进一步的发展。
（2）管道提升采矿系统
管道提升采矿系统（pipｅliｎelｉftminｉｎgｓyｓtem）是目前各国（包括中国）研究开发的重点。
该系统基本工作原理是利用液体提升固体悬浮物，即从采矿船上吊下输送管到海底，集矿装置把收集到的多金属结核矿石送到提升管道口,再利用液流的循环（利用气举或射流原理）将矿石通过管道输送到地表。
船体可在开采时做有一定限度的纵向或横向移动。
该采矿系统适用于大规模有效开采海底多金属结核矿。
（3）穿梭潜水集矿机系统
穿梭潜水集矿机系统（crｏsｓ-coｕntrｙｄivecolｌｅcｔｉnｅ conｖerｇorsystem）是由长、宽、高分别为２４m、12ｍ、7.5m的穿梭潜水集矿机在海底采集多金属结核矿石,当采集到一定数量后上升至海面,把采集到的矿山卸到海面平台上,然后用废石料作为压载物再下沉到海底继续开采,如此循环作业。
该系统具有灵活机动、采矿效率高的特点。
但由于仪
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