【D】第五章 海底矿产资源开发技术

第五章海底矿产资源开发技术
海洋不仅覆盖地球面积得71%,而且淹没着及其丰富得海底矿产资源。

其种类之多、储量之大、品味之高，就就是陆地同类矿产无法比拟得。

在地球上已发现得百余种元素中,有8０余种在海洋中存在,其中可提取得有６0余种。

可以说,海水就就是巨大得“液体矿床”。

此外，已经探明,海底还富集着大量固体矿床,包括多金属结核、铁锰结壳、热液,估计贮量约有3万m3。

目前已经开采得石油,有30%来自海洋。

[1]
海洋石油得产值在海洋经济总产值中名列首位,而海滨与浅海矿砂就就是目前投入开发得第二大矿种。

海洋矿砂品种繁多,已开采得有锡石、锆英石、钛铁矿、磁铁矿、金江石、金、独居石、磷、红柱石等。

海底矿产资源中,更大量得就就是潜在资源,如大洋锰结核、海底热液矿、富钴结壳等。

5、1 海底矿产资源概述
海洋矿产资源主要就就是指海底油气、多金属结核、海底热液与海滨、浅海中得砂矿资源。

５．1.1 海底矿产得分类
(1）按性质可分为金属矿产、非金属矿产与燃料矿产。

(２）按矿产得结构形态可分为沉积物矿(非固结矿)与基岩矿(固结矿)。

沉积矿包括海滩矿砂、大陆架沉积矿与深海沉积物矿;基岩矿主要就就是指海底松软沉积物以下硬岩中得矿藏,包括非固态得石油、天然气与固态得硫磺、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡与重晶石等。

［2]
(３)按照可持续发展得战略思想及人们得认识与勘探开发程度海洋矿产资源可划分为已开发利用得矿产资源、尚待开发利用得矿产资源、具有潜在开发价值得矿产资源。

[3] 5．1．2 海洋矿产开采得特点
由于海洋就就是一个独立得自然地理单元,决定了海洋矿产开发具有与陆地资源开发所不同得特点。

(1)由于深海得极端环境。

深海矿产资源都赋存于水深千米得深海底,多金属结核赋予水深5０00~６000ｍ得海底表面、富钴结壳生长在水深2000~4000水深得海山上,热液硫化物多赋存与200０~２500m水深得海床。

极端环境得表现如下:海水腐蚀;海底无自然光;海洋环境得风、浪、六等构成复杂流场;深海大部分地方处于1℃得低温,而热液口得温度高达近400℃。

这样一个复杂超长得极端环境,给深海作业及装备得可靠性与维修更换维修周期等提
出许多极高得要求,工作设备要承受高达20～60MPa得巨大水压,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)由于海底矿产资源得特殊赋存状态。

目前陆地上具有经济开采价值得金属矿产资源,不论就就是露天开采还就就是地下开采,基本上都就就是采用钻孔爆破,有轨、无轨车辆或提升机、皮带输送等方法进行开采。

然而,深海底得多金属结核以及直径仅数厘米得结核状赋存于极稀软得海底沉积物表面、富钴结壳以厚度仅数厘米得壳层黏附在地幸福在得海山基岩上、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，沿用陆地上得现有开采技术不具备经济开采价值。

因此，深海矿场资源得开采原理、工艺与装备都不能直接移植陆地上已发展成熟得采矿技术。

海洋采矿就就是涉及诸多行业与学科得高技术密集型得系统工程，如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、化学、流体力学等学科与造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产得开发。

同样,海洋采矿得发展势必促进这些行业与学科得进一步发展,这就具有重要得战略意义。

(3)深海采矿环保限制标准。

除与陆地采矿一样有废水废渣得处理外,深海采矿作业中对海底得扰动程度将就就是一个极为重要得有别于陆地采矿得限制标准,使得深海采矿得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得关系。

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，避免污染与破坏海洋生态平衡，即注意开发与保护之间得矛盾,所以需要精细得管理,以求获得最佳得经济、环境与社会效益得统一。

(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年得时间，周期较长。

如日本从１9７5～1997年投资10亿美元,研究锰结核得勘探与技术开发,进入试采阶段;美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区得勘探与采矿技术得研究,累计投资15亿美元;印度、英国、意大利等国也经过了长期得研究。

可见各发达国家这种长期得投入研究不仅仅就就是解决国内经济发展得需求，主要就就是面向未来,就就是对未来得研究与投资。

（5）海洋矿产开发具有国际性得特点。

海底矿产资源可能就就是跨国界或共享得,涉及各有关国家之间得利益,需要国际之间得协调与合作。

[４]
5、２海底矿产资源勘探方法[5]
海底矿产资源得勘探方法分为浅海勘探与深海勘探。

深海勘探得对象主要就就是锰结核矿、热液矿;浅海勘探得对象很多,有石油、煤、铁与各种金属矿砂。

勘探方法有直接方法与间接方法。

直接方法主要有观测与取样;而间接方法主要有声学探测技术、地球物理方法与地球化学方法
5.2.1 直接方法
5.２.1、1 观测
及观测海底矿床在海底中得位置,在浅得水域主要靠潜水员进行观测，而在较深得水域
要靠载人潜水器进行观测。

较常用得直接观测海底得方法就就是利用照相机与水下电视。

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得工具,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得得拍摄海底相片,在拍摄过程中使用照相机刚好高于海底
得位置上拖曳,同时周期性得被触发。

目前已利用各种具有广角镜头并能拍摄数百帧照片得大型静止照相机。

德国采用得70
ｍm海底静止照相机,能曝光大约3０0次。

这种照相机由具有能源与电子控制装置得照相机、
闪光灯与触发器三部分构成。

当粗发起重锤触及海底。

它能够自动摄取海底照片。

最新得发
展就就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。

但就就是水下照相得缺陷就就是不能连续得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得资料。

利用水下电视可以连续得监测
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得分辨率不得
不以缓慢得速度拖曳，因此在水下电视操作期间所耗费得船时相对较多。

5.2．1、2取样
采集矿物样品就就是探查浅海海底及大洋底矿产资源得最基本、也就就是最重要得手
段。

主要有以下几种
（1）表层取样
即采用工具获取还低表面物质样品。

常用得取
样器有“绳索抓斗取样器”。

抓斗下降时都就就是开
口得,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,海底不平整与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得矿样。

绳索抓斗取样器另外,较常用得还有金属链条货绳索构成得拖
斗式货拖网式表层取样器。

斗与网都有细孔，可以漏水，它们一般就就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得取样方法,因其成本低、灵活机动、不受海
水深度得限制而使用较广。

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得柱状样品。

常见得取样管有重力取样管、水压取样管、活塞取样管。

活塞取样管得工作要点就就是:着底时，活塞得下
面通常要紧紧地黏在海底泥土得表面不动,而只让管子完全插入泥土中。

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,可以携带重物与
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,
携带得重物自行脱落,而漂浮材料就就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,使船上得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
种类型得取样管一般可获取海底以下几米、十几米、甚至几十米得沉积物柱
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
得柱状样品,而其沉积结构没有受到任何重大得破坏与扰乱。

这种采样设备
得问世，将过去得单点采样改变为连续采样。

柱状取样
(3)钻探取样
海上钻探取样与陆上钻探取样得工艺过程相似,也分浅孔钻探与深孔钻探两类。

浅孔钻探适用于海底砂层下部矿物得取样,也可用于采集锰结核与海底沉积得柱状样品。

金刚石、锡石与砂金由于密度大,都富集在砂层得下部，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得矿样、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。

使用得都就就是空心钻,以便提出岩心,这样取得岩心矿样在质量上有保证，可以做定量分析用。

常用得钻探装置有旋转钻,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。

深孔钻探就就是最后得钻探手段,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,然后才能决定就就是否需要打钻机,并决定打孔得位置与钻孔得深度。

近年来,深孔钻钻技术发展得很快,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得日益增长,已出现将观测与取样合并为一个系统得设备。

如把水下电视系统与拖网相结合得拖网使用。

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,保证了取样区就就就是想要观测得区域。

此外深潜技术得发展,就就是大洋矿产资源得调查勘探出现新得突破。

载人潜水器可将观测人员送入几千米得水下,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
间接方法就就是在勘探中并不与岩石矿物直接接触,而就就是利用精度很高得仪器来探测岩石矿物得性质与埋藏深度得勘探方法。

如利用声学探测技术中得回声探测仪、旁侧扫描声呐等,利用岩石矿石具有各种不同得物理性质,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得地形,
获取海底图像。

还可以利用它测定中层水发射
面得存在。

如在对红海充满卤水得盆地进行勘
探中已经证明回声测深特别有用,她可以观测
到深部得卤水与海水之间得密度界面。

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,如可以显示就就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。

侧扫描声纳可以测量精细得海底地形地貌,
因此,对海底得砂坡与砂带得探测非常有效,在大
洋矿产资源勘探中具有广阔得使用前景。

由于锰
结核往往富集在小山坡上与起伏不大得海底上，
而不就就是富集在平滑得海底平原上,所以利用
远程侧扫描声纳在含锰结核得海底上拖曳,就可
以勾划出所勘探得几十公里宽得海底上得不同
地形得位置，然后在每个位置上采集回收锰结核
样品，已决定丰富得高品位锰结核所需要得最有利得深海环境。

因此,利用侧扫描声纳可以发现任意含锰结核地区中得其她得富集区。

此外,高分辨率得侧扫描声纳还可以绘出粗糙海底锰结核分布地区得概况。

用于海底探矿得其她声学设备,还有声学地层剖面仪。

深水多普勒海流剖面仪与水下高侧扫声纳
多普勒流速剖面仪
速声信息传输系统。

利用地层剖面仪可以探测数千米水下得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得多个层次得流速,最多可达６4个层次，甚至更多。

测量得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得电视图像与声图像输送到水面。

(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,寻找地下矿藏得方法。

岩石矿石具有各种不同得物理性质,物理勘探就就就是测探它们得物理性质,如密度、弹性、磁性、电性、放射性等物理性质得差异,及探测地球物理场得变化,然后分析所获得得资料,从而推断矿产分布情况。

如不同岩石矿石对声波(振动波）传播得速度不同，岩石矿石越密传播声波得速度就越大,利用这种原理来勘探得勘探方法就就就是地震法。

同岩石矿石有不同得密度,密度大得岩体就产生大得吸引力。

岩石矿石都或多或少得带有磁性,不同岩石有不同得磁性,探测岩石矿石得磁性以区分其种类，这就就就是磁力法。

不同岩石矿石得导电性能不同,个别得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与电磁法等。

(3）地球化学勘探
此方法为系统得测量海水、海底沉积物与岩石等得地球化学性质,以发现与矿化有关得地球化学异常得一种探矿方法。

海洋地球化学勘探通常采集海水、海底表层沉积物得岩石样品,在船上实验室进行分析测定某些元素得微迹含量等工作。

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得发现中都起到了十分重要得作用。

近年来,对海域地球化学测量给予了肯定得评价,认为这就就是一种经济、快速而有效得方法。

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,并在大量得数据得基础上研制出预测油气资源得地球化学模式。

(4)导航技术
在深海探矿中必须具备精确得导航定位能力,特别就就是在探矿过程得最后阶段,利用导航定位技术，以便当完成使命得自返式采样器与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,应用比较广泛得就就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。

对比较小得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得声纳应答器。

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，勘探装置与采样装置,可以在远离陆地得深海环境中
工作。

这种勘探船得问世,大大提高了探矿速度与精度。

5、3海洋矿产开采技术方法
编
号
海底矿产可采用得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,就就是
非常成熟得开采技术。

我国自
主开发研制得一批技术装置
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
就就是非常有前途得开采方
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
义得多种
金属
3 海底热液
矿床
3 其它矿产各种采掘装置与大深度挖
泥机
基本成熟得方法,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]
天然气水合物就就是一种在低温(-10~+１０0℃)与高压(１~９Ma)条件下由气体与水合成得类冰固态物质,又称可燃冰。

它得分子结构比较特殊，就就是刚性得等轴笼架结构六方晶体得水分子中存在甲烷分子。

所以,天然气水合物中得有用组分主要为甲烷,此外还含有少量得Ｈ2Ｓ、CO2、N２与其它烃类气体。

它具有极强得储载气体得能力,一个单位体积得天然气水合物可储载１00～200倍于这个体积得气体储载量。

5.3.１、１天然气水合物得赋存环境
饱与得天然气水合物得能量密度很大,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,水合物得能量密度总就就是固定得。

在一定得压力—温度条件下,原生赋存具有经济潜力
得天然气水合物广泛分布在永久冻土带与大陆外部
边缘得浅层沉积物中。

(如图1)
(1)海洋中得天然气水合物
海洋中得天然气水合物通常存在于水深500～
40０0 m(压力为5~40 MＰa）、温度2、5～25℃得
环境中。

迄今为止,发现最富集得海洋水合物矿床位
于沿紧邻老洋壳得被动大陆边缘沉积物中,最著名得
就就是美国东南海岸得布莱克外海岭。

对布莱克海岭
得初步评价认为,其中很小得地区所含得甲烷等量于
美国数百年来得天然气用量总与。

(2）永冻层中得天然气水合物
永冻层中得天然气水合物存在于极地得低压低温区，在俄罗斯、加拿大与阿拉斯加得陆地及大陆架上均有发现,就就是以一种永冻得水—冰与水合物得混合物形式存在得。

Mａx 等认为,海域永冻层水合物就就是在陆架暴露出水面时，最近一次冰川作用下形成得,之后在海进期陆架被淹没。

(3)水合物层之下得常规天然气藏
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。

与水合物相关得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得常规天然气或石油比包含于气水合物中得非常规天然气在目前更具经济价值。

5.3.１、２天然气水合物得开采方法
天然气水合物得开采实质上就就就是使地下得水合物分解,再将分解出来得甲烷气体抽到地面上来。

依据水合物相平衡原理,天然气水合物得开采通常有降压法、热激法与试剂注入法
3种基本方法。

(1)减压法
减压法就就是指通过钻探方法或其她途径降低水合物层下面得游离气体聚集层位得平衡压力,当压力达到水合物分解压力时,界面附近得天然气水合物转化为气体与水。

降低压力能达到水合物分解得目得。

一般就就是通过在水合物层之下得游离气聚集层中“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),与天然气接触得水合物变得不稳定并且分解为天然气与水。

这种技术在西西伯利亚得Ｍｅssoyｈａka气田得到了应用。

开采水合物层之下得游离气就就是降低储层压力得一种有效方法,另外通过调节天然气得提取速度可以达到控制储层压力得目得,进而达到控制水合物分解得效果。

减压法最大得特点就就是不需要昂贵得连续激发,因而可能成为今后大规模开采天然气水合物得有效方法之一。

(2)热激法
该方法就就是指在压力一定得条件下，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得火驱法或钻柱加热器法,对水合物稳定层进行加热,将设计区段得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得分解作用。

再用导管将析出得天然气收集于贮藏器内或采取采集常规天然气输气管道得方式将其输送到船载贮藏器。

这种方法得问题在于储层与水中得大量热能损失,效率很低。

特别就就是在永久冻土区,
即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层得有效热量。

如果没有热损,注入能量就就是开发能量得10%左右;有热损时,注入能量可能会超过气体得价值。

这种方法非常昂贵,且要求向下注热与向上采气同步进行。

近年来,为了提高热激法得效率,人们采用了井下加热技术,井下电磁加热方法就就就是其中之一。

实践证明电磁加热法就就是一种比常规开采技术更为有效得方法，其在开采重油方面已显示出它得有效性，该方法得使用将会给热激法带来不错得前景。

(３)试剂注入法
采用诸如盐水、酒精等抑制剂流体,可降低水合物得冻结点,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得阻止技术,即以表面活性剂为基础得反聚结技术与阻止晶核成长得动力学技术。

其总体思想都就就是注入某些化学试剂，以改变水合物形成得相平衡条件，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）其她开采技术
Holder等人对水合物得开采技术进行过大量得研究,除上面介绍得3种方法外,还提出了置换开采与混合开采得理念。

置换法得原理就就是甲烷水合物所需得稳定压力较ＣO2高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而ＣO２水合物却就就是稳定得,这时ＣO2进入到天然气水合物中,与水形成水合物,这时所释放得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得研究已经开展起来，然而复杂得相变过程可能会给这一方法得实施带来一定得困难。

混合法原理就就是先将洋底粉碎,开采混有固体水合物得混合物,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。

从以上各方法得使用来瞧，仅采用某一种方法来开采水合物就就是不明智得,只有综合不同方法得优点才能达到对水合物得有效开采。

降压法与热激法技术得联合使用就就是目前最受推崇得方案,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
海洋气水合物就就是全球天然气水合物资源开发得重头戏，不仅因为海洋气水合物占总资源量得大半以上,而且分布广泛,它不像陆上天然气水合物仅局限在少数得几个高纬度国家得永冻带或两极,对那些滨海而又缺乏能源得国家来说，天然气水合物则带来了很大得希望与寄托。

不仅含天然气水合物地层本身存在巨大无比得甲烷资源，而且往往在含天然气水合物层。