СПОСОБ ДОБЫЧИ ГАЗА ИЗ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2011 года по МПК E21B43/01 

Изобретение относится к получению метана и его гомологов из приповерхностных скоплений твердых газовых гидратов в донных отложениях озер, морей и океанов.

Существует ряд технологий разработки газогидратных месторождений в зависимости от места их залегания. Термический способ разработки газогидратной залежи предусматривает сжигание части углеводородного сырья на месте его залегания с использованием образующихся горячих продуктов для прогрева продуктивного пласта [Крейнин Е.В. Нетрадиционная термическая технология добычи трудноизвлекаемого углеводородного сырья / Е.В.Крейнин // Газовая промышленность. - 2005. - №3. - С.22] [1].

Технологии и оборудование для разработки месторождений и получения целевого продукта имеют ряд особенностей, обусловленных локализацией данного природного образования.

Газовые гидраты донных отложений морей и океанов - это клатратные соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа. Они относятся к соединениям переменного состава и внешне напоминают спрессованный снег. Благодаря своей структуре единичный объем газового гидрата может содержать до 160-180 объемов чистого газа. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой M·n·H₂O, где М - молекула газа-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа, причем n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры. В 1960-е годы обнаружены первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива. Постепенно выясняется их широкое распространение в океанах и нестабильность при повышении температуры. В настоящее время природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива [Дядин Ю.А. Газовые гидраты / Ю.А.Дядин, А.Л.Гущин // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - №3. - С.35-64] [2]; [Кэрролл Дж. Гидраты природного газа / Дж. Кэролл. Пер. с англ. М.: Издательство Технопресс, 2007. - 316 с.] [3].

Известен способ добычи и транспорта газа из газовых и газогидратных морских месторождений, включающий добычу природного газа скважинами, его переработку в гидратное состояние с использованием тепла и транспортировку на передвижном средстве к устройству, подающему газ потребителю [Патент 2198285 RU, МПК Е21В 43/01. Способ добычи и транспорта природного газа из газовых и газогидратных морских месторождений - «Цветы и пчелы» / Якушев B.C.; Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий Российского акционерного общества «Газпром». - №98113838/03; заявл. 13.07.1998; опубл. 10.02.2003] [4].

Известный способ осуществляет переработку газа на передвижном средстве в одной группе емкостей с одновременным разложением в другой группе емкостей гидратов углекислого газа отходов промышленных предприятий и закачиванием последнего на глубину моря, обеспечивающую его захоронение в гидратном состоянии, причем переработку добытого газа и разложение гидратов углекислого газа осуществляют с использованием баланса тепла между ними.

Осуществление известного способа является довольно затратным предприятием, требует специального дорогостоящего оборудования для добычи и транспортировки добываемого газа. Закачивание отходов промышленных предприятий на глубину моря технически сложно и небезапасно для окружающей среды.

Известен способ добычи газовых гидратов со дна океана с использованием добывающего устройства в виде самоходного комбайна со средствами управления, связи, добычи и погрузки и устройства, доставляющего их на поверхность в виде баржи со средствами передвижения и средствами всплытия на поверхность [Заявка 2004106857/03, Российская Федерация, МПК Е21С 50/00. Установка для добычи газовых гидратов / Тихонов К.С. - №2004106857/03; заявл. 09.03.2004; опубл. 20.08.2005] [5].

Известный способ требует сложного по конструкции и управлению оборудования. Добытые газовые гидраты при их транспортировке могут потерять значительное количество газа-гидратообразователя и сделать добычу полезного ископаемого дорогостоящей и нерентабельной.

Известен способ добычи газов (метана, его гомологов и др.) из твердых газогидратов в донных отложениях морей, океанов, при котором в пробуренную до его подошвы скважину выявленного пласта газогидратов погружают две колонны труб - закачивающую и откачивающую. Природная вода с естественной температурой или подогретая поступает по закачивающей трубе и разлагает газогидраты на систему «газ-вода», аккумулирующуюся в образующейся в подошве пласта газогидратов сферической ловушке. По другой колонне труб осуществляют откачку из этой ловушки выделяющихся газов (в т.ч. горючих газов - метана и др.) [Заявка 2005139956, Российская Федерация, МПК Е21В 43/28. Способ добычи метана из газогидратов / Кудрин И.В., Орлянкин В.Н., Кудрин К.И. - №2005139956/03; заявл. 20.12.2005; опубл. 27.06.2007] [6].

Недостатком известного способа является необходимость подводного бурения, что является технически обременительным, затратным и вносящим порой непоправимые нарушения в сложившуюся подводную среду водоема.

Возможность использования любого природного ресурса с наименьшими материальными затратами и сохранной для окружающей среды технологией является важной государственной задачей. Увеличение потребности человечества в энергии и уменьшение запасов нефти и природного газа в ближайшие десятилетия будут иметь геополитические последствия. Поэтому в настоящее время ведется поиск новых нетрадиционных источников энергии и способов их экономичного получениия. Газовые гидраты занимают в этом списке не последнюю роль, так как на территории России имеются огромные перспективные на гидратоносность площади, в том числе на дне окраинных и внутренних морей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение материальных и эксплуатационных затрат, а также снижение экологической нагрузки на территорию добычи газа.

Технический результат достигается способом, при котором производят постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов водой водоема, имеющей естественную температуру водоема и не являющейся насыщенным раствором газа, с образованием раствора метана и его гомологов. Подачу этого раствора на поверхность осуществляют вначале принудительно, затем за счет эффекта газлифта.

Способ осуществляют с использованием устройства с системами подачи воды и подъема образующейся водно-газовой смеси на поверхность водоема.

Вышеуказанное устройство выполнено в виде колокола, к закрытому торцу которого подведены трубы для подачи природной воды и для откачки образующейся водно-газовой смеси. Подаваемую воду распределяют по внутренней поверхности стенки колокола при помощи тонких труб, снабженных на конце в нижней части колокола специальными гидрантами-форсунками для силовой подачи воды в разных направлениях.

Подачу воды в трубы осуществляют при помощи оборудования, снабженного измерительными приборами, установленного на плавучей платформе или судне.

Подачу воды в трубы осуществляют также при помощи погружного оборудования.

Откачку образующейся водно-газовой смеси газовых гидратов осуществляют через систему труб, соединенных с баком-хранилищем, установленным на плавучей платформе или судне.

Растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов проводят под избыточным давлением. Подаваемую воду, которая не является насыщенным раствором метана в воде, вначале направляют в специальные баки, расположенные в верхней части колокола. Из них через тонкие трубы, расположенные вдоль внутренней стенки колокола, она равномерно под напором поступает в нижнюю открытую часть колокола на два типа специальных гидрантов-форсунок (одни с отверстием, направленным вдоль стенки колокола, другие перпендикулярно стенке - внутрь колокола). На торце колокола подаваемая вода распыляется (выходит под давлением) через гидранты-форсунки, размывая донные отложения и газовые гидраты. Во внутреннем пространстве колокола образуются осколки газовых гидратов, газ и раствор метана в воде.

Через систему труб для откачки образующаяся водно-газовая смесь вначале принудительно поступает на поверхность водоема. При дальнейшем подъеме при наличии эффекта газлифта газ поступает вверх самостоятельно и направляется в специальный бак-хранилище, откуда по трубопроводу поступает к месту назначения.

Способ добычи газа из газовых гидратов поясняется представленными чертежами.

Фиг.1 - общая схема работы при применении насосов, установленных на плавсредстве.

Фиг.2 - колокол, продольный разрез.

Фиг.3 - колокол, разрез по А-А.

Фиг.4 - общая схема работы при применении погружного оборудования.

Колокол 1 представляет собой цилиндрическую металлическую конструкцию, где на верхней торцевой поверхности 2 установлены трубы 3 с устройствами в виде баков 4 для распределения и подачи воды и трубы 5 для отбора образующейся смеси.

На платформе 6 или судне расположены насосы 7 и измерительные приборы для контроля подачи воды. Насосы 7 могут быть погружными и расположенными на торцевой поверхности 2 колокола 1 или установленными в слое воды в зависимости от технологической необходимости.

Вода, поступающая под давлением по трубам 3, распределяется внутри устройств - баков 4, установленных на верхней торцевой поверхности 2 колокола 1, и по тонким трубам 8, на конце которых расположены гидранты-форсунки 9, выходит под напором в нижней торцевой части колокола.

На платформе 6 также размещают насос 10 и приборы для контроля за системой откачки образующегося продукта, а также бак-разделитель 11. Система труб 12 соединяет трубы 5 для отбора образующейся смеси газа и воды с баком-разделителем 11 газа. Бак-разделитель 11 имеет насос и трубопровод 13 для откачки воды на глубину. На трубах 14 для закачки воды из слоя воды с низким содержанием газа и на трубах 5 для отбора образующейся водной смеси установлены односторонние клапаны 15.

Насосы могут быть также погружными и расположенными как вблизи колокола, так и в слое воды с низким содержанием метана.

Пример 1.

При осуществлении способа платформу с установленными на ней баком-разделителем 11, насосами для принудительной подачи воды, снабженными измерительными приборами 6, насосом и приборами для осуществления откачки образующейся смеси в бак-разделитель, колокол 1 с системой труб 3 и 4 буксируют при помощи судна к месту добычи, расположенному в районе газогидратного поля озера Байкал у п.Большое Голоустное. В заданной точке с помощью спуско-подъемных устройств в виде лебедок производят медленный спуск колокола 1 с присоединенными к нему трубами 3 и 8 на дно. Также на заданную глубину погружается труба для забора воды с низким содержанием газа. Глубина слоя воды с низким содержанием газа должна быть определена заранее. Глубина воды в районе работ у п.Большая Голоустная составляла 400 метров, а слой воды с низким содержанием газа начинался с глубины 50 м.

При достижении колоколом 1 дна включаются системы подачи и откачки воды. Воду, забираемую из водоема по трубам 14, подают по трубам 3 в баки 4, установленные на внешней торцевой поверхности колокола 1. Далее под напором вода распределяется по трубам 8 и с силой выходит в нижней части колокола 1 через форсунки-гидранты 9, размывая поверхностный слой. Выход воды через форсунки-гидранты 9 осуществляется в разных направлениях таким образом, чтобы достичь максимального эффекта размыва слоя. По мере размыва донных отложений и слоев газовых гидратов направляемыми через форсунки-гидранты 9 силовыми потоками воды колокол под собственным весом погружается внутрь осадочного слоя. При этом внутри колокола 1 идет принудительная откачка образующейся смеси по трубам 5 при помощи насоса 10. Откачка продолжается до тех пор, пока плотность смеси, которая первоначально выше плотности подаваемой воды из-за большого количества частиц донных отложений, не станет ниже плотности воды по мере подъема наверх по трубе. Во время подъема размываемой смеси из-за снижения в ней давления газовые гидраты распадаются на воду и газ, газ образуется в пузырьковой форме. Растворимость газа в воде уменьшается, и излишки газа выделяются из раствора. При замкнутой системе откачки образуется эффект газлифта. Необходимость в принудительной откачке смеси отпадает. Опускание колокола 1 может продолжаться до полного его заглубления, после чего систему откачки смеси перекрывают и с помощью спуско-подъемных механизмов колокол переносится на новое место, где весь цикл повторяют.

Пример 2.

Подготовительный этап работ осуществляют, как в примере 1. Для подачи природной воды к слою газовых гидратов используют погружные насосы 7. Погружной насос 7 устанавливают на верхней торцевой поверхности 2 колокола 1. В этом случае водозабор в слое воды с низким содержанием газа идет без подъема смеси на поверхность, а непосредственно через трубы 14 и насос 7 и далее по трубам 3 в баки 4. Насос 7 может быть установлен в слое воды. В этом случае вода из места установки насоса 7 по трубам 3 подается в баки 4 колокола 1. Разделяясь на потоки в трубах 8 через форсунки 9, вода с силой действует внутри колокола, размывая слой газогидратов. Как и в примере 1, вначале применяют принудительную откачку образующейся смеси. И далее процесс идет в соответствии с изложенным в примере 1.

Добыча газогидратов может производиться точечно и периодично на ограниченной территории и возобновляться через некоторое время, так как приповерхностные гидраты будут образовываться вновь на этой же площади. Такой способ добычи допускает минимальные и ограниченные по площади изменения на дне, которые не приводят к катастрофическим и необратимым изменениям в биоценозе водоема.

Источники информации

1. Крейнин Е.В. Нетрадиционная термическая технология добычи трудноизвлекаемого углеводородного сырья / Е.В.Крейнин // Газовая промышленность. - 2005. - №3. - С.22.

2. Дядин Ю.А. Газовые гидраты / Ю.А.Дядин, А.Л.Гущин. Соросовский образовательный журнал. - 1998. - №3. - С.35-64.

3. Кэрролл Дж. Гидраты природного газа / Дж. Кэролл. Пер. с англ. М.: Издательство Технопресс, 2007. - 316 с.

4. Патент 2198285 RU. МПК Е21В 43/01. Способ добычи и транспорта природного газа из газовых и газогидратных морских месторождений - «Цветы и пчелы» / Якушев B.C.; Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий Российского акционерного общества «Газпром». - №98113838/03; заявл. 13.07.1998; опубл. 10.02.2003.

5. Заявка 2004106857/03, Российская Федерация, МПК Е21С 50/00. Установка для добычи газовых гидратов / Тихонов К.С. - №2004106857/03; заявл. 09.03.2004; опубл. 20.08.2005.

6. Заявка 2005139956, Российская Федерация, МПК Е21В 43/28. Способ добычи метана из газогидратов / Кудрин И.В., Орлянкин В.Н., Кудрин К.И. - №2005139956/03; заявл. 20.12.2005; опубл. 27.06.2007.

Изобретение относится к получению газа, метана и его гомологов, из приповерхностных скоплений твердых газовых гидратов донных отложений. Обеспечивает снижение материальных и эксплуатационных затрат, а также снижение экологической нагрузки на территорию добычи газа. Сущность изобретения: способ характеризуется тем, что проводят постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов водой, имеющей естественную температуру водоема и не являющейся насыщенным раствором газа, с подачей ее в колокол, спущенный на дно, с образованием в нем водно-газовой смеси с метаном и его гомологами, откачивают смесь метана и его гомологов на поверхность вначале принудительно, затем за счет эффекта газлифта, подаваемую в колокол воду распределяют по внутренней поверхности его стенки при помощи тонких труб, снабженных на конце в нижней части колокола гидрантами-форсунками для силовой подачи воды в разных направлениях для размыва донных отложений газовых гидратов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ добычи газа, метана, его гомологов из скоплений газовых гидратов в донных отложениях водоема с использованием природной воды, характеризующийся тем, что проводят постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов водой, имеющей естественную температуру водоема и не являющейся насыщенным раствором газа, с подачей ее в колокол, спущенный на дно, с образованием в нем водно-газовой смеси с метаном и его гомологами, откачивают смесь метана и его гомологов на поверхность вначале принудительно, затем за счет эффекта газлифта, подаваемую в колокол воду распределяют по внутренней поверхности его стенки при помощи тонких труб, снабженных на конце в нижней части колокола гидрантами-форсунками для силовой подачи воды в разных направлениях для размыва донных отложений газовых гидратов.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что подачу воды в трубы осуществляют при помощи оборудования, снабженного измерительными приборами и установленного на плавучей платформе или судне.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что подачу воды в трубы осуществляют при помощи погружного оборудования.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что откачку образующейся водно-газовой смеси газовых гидратов осуществляют через систему труб, соединенных с баком-хранилищем, установленным на плавучей платформе или судне.