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。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。铜镍钴锰多金属结核富钴结壳块状硫化物铅锌天然气水合物石油天然气大洋矿床提供的主要矿产品金中国多金属结核合同区资源概况面积7.5×104km2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410°C！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5000×104t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世界石油可采资源量150亿吨4138亿吨天然气可采资源量12万亿米3436万亿米3人均占有石油可采资源量12吨68吨人均占有天然气可采资源量1万米37万米3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。※1990—2002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世界深水勘探热点区新兴热点区据统计，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1000’2000’3000’4000’5000’6000’7000’8000’9000’0’FixedPlatformTensionLegPlatformSparPlatformSemisubmersiblePlatformSemisubmersiblePlatform19801995200020052010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300-600m148-1432m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•大位移井、空间任意轨迹井的钻井技术研究，要解决海底几千米下钻头轨迹控制，被称为“地下导弹”的制导问题。这种穿越固体、液体、气体等多项介质的制导本身就是一个随机性很强的非常复杂的力学过程，还要解决井下旋转导向工具，井下测量及数据双向传输等问题。深水水下生产新技术不断涌现2003年：2300套2007年：5700套-5001,0001,5002,0002,5003,0001941-501951-601961-701971-801980-901991-002001-10maxproductionwaterdepth(metres)SHIPSHOAL5mTRIDENT2953m(poss)NAKIKA2292m(dev)RONCADOR1853mGREENCANYON31682mCOGNAC314mDIAMOND114mCUARTA60m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05001000150020002500300035004000197019751980198519901995200020052010201520202025203020352040maxproductionwaterdepth(m)1970’strend1990’strend1980’strend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获得天然气水合物样品的产地获得天然气水合物样品的产地推测的天然气水合物的产地推测的天然气水合物的产地全球天然气水合物分布全球天然气水合物分布全球共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台湾东南部近海地震反射剖面台湾东南部近海地震反射剖面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年取得样品位置预测值油当量水深(m)西沙海槽区45.5*101145.5亿吨400-2500东沙群岛附近37.5*101137.5亿吨350-3200台湾西南海域千亿其他海域拥有丰富的资源,有待勘探和开发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