СПОСОБ ДОБЫЧИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ИЗ ГИДРАТОВ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ СОХРАНЕНИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ТОЛЩЕ ПОРОД Российский патент 2013 года по МПК E21B43/16 

Данное изобретение относится к методу добычи метана, накапливаемого в виде газовых гидратов, с одновременным накоплением углекислого газа (CO₂) в геологическом подстилающем грунте

На морском дне накапливаются огромные объемы природного газа в виде твердого «ледяного» гидрата метана. Данные природные месторождения могут содержать больше запасов энергии и углерода (примерно 3000 Гт С), чем все традиционные месторождения угля, нефти и газа на нашей планете. Таким образом, газовые гидраты играют важную роль в качестве источника природного газа будущего. Наличие запасов гидратов метана было подтверждены почти на всех континентальных шельфах на глубине ниже отметки примерно 400 м. Они стабильны только при высоких давлениях и низких температурах и образуются там, где в осадочные отложения заложено достаточное количество органического углерода, при этом условия давления и температуры допускают связывание метана в гидратах метана. Многие прибрежные государства обладают большими национальными месторождениями (например, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Бразилия, Чили, США, Канада, Норвегия, Россия). Более того, гидраты метана были обнаружены в почве под толщей отложений многолетнемерзлых пород. Данные гидратные отложения известны в основном по Сибири, Канаде и Аляске.

На Фиг.1 представлена диаграмма фазового равновесия метана в морской воде, Гидраты метана стабильны только при высоких давлениях и низких температурах. Граница фаз между гидратом и газом применима для чистого гидрата метана с типом решетки I и морской воды с содержанием солей 35% по весу.

Границы фаз применимы для чистого гидрата метана с типом решетки I. Гидраты метана существуют с различными типами решетки. Тип I является наиболее распространенным и наиболее широко представленным вариантом.

На Фиг.2 представлен кластер гидрата метана с типом решетки I; в данном типе присутствует в среднем одни молекула на 5,7 молекул воды. Молекулы метана представлены большими сферами, тогда как маленькие сферы, соединенные черными линиями, представляют решетку гидрата, состоящую из молекул воды.

В настоящее время, месторождения гидратов метана разрабатываются по всему миру для добычи природного газа. Чтобы извлечь природный газ, сначала необходимо расщепить гидраты в геологическом подстилающем грунге. В ходе данного процесса метан, связанный в решетках воды сетках гидратов, выделяется в виде газа, который можно извлечь с помощью одной или нескольких скважин, используя традиционную технологию. В настоящее время, главным образом применяются следующие подходы:

- давление в залежи понижается;

- температура в залежи повышается;

- добавляются химические вещества для расщепления гидратов.

В патенте США 7,222,673 раскрывается процесс замещения метана в газовых гидратах на углекислый газ (CO₂) без нарушения структуры гидрата. В ходе данного процесса гидраты соприкасаются с жидким CO₂. Реакция происходит без внешней подачи энергии, так как образующиеся гидраты CO₂ более стабильны, чем гидраты природного метана. Дополнительным преимуществом такого вида извлечения природного газа является то, что в ходе этого процесса CO₂, вызывающий нагревание Земли в качестве парникового газа, влияющего на изменение климата, может безопасно храниться под землей и, таким образом, не попадать в атмосферу. Недостатком данного метода является низкая скорость реакции замещения при сохранении структуры гидрата, которая обеспечивает лишь очень низкие темпы добычи.

В заявке WO 2005/076904 описывается метод накопления CO₂ под морским дном путем ввода газообразного CO₂ в залежи гидратов метана. Образуется гидрат CO₂, выделяемое тепло приводит к расщеплению гидрата метана и выделению метана. Планируется собирать и использовать выделяемый газ метана. Высокое содержание газообразного CO₂ является недостатком при использовании газа метана, выделяемого для образования энергии путем сжигания. Потенциальные темпы добычи также низкие, так как высвобождение метана из гидрата метана возможно только с помощью тепла, выделяемого при образовании гидрата CO₂.

Таким образом, цель изобретения заключается в создании метода извлечения гидратов углерода, в частности, метана, из гидратов при темпах добычи, превышающих ранее возможные, и при одновременном накоплении CO₂ в геологических формациях.

Цель достигается с помощью способа, охарактеризованного в пункте 1 формулы изобретения.

В зависимых пунктах указаны предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения. Для добычи природного газа и накопления CO₂ в подстилающем грунте предлагается вводить CO₂ в сверхкритическом состоянии в залежи гидратов. В ходе данного процесса гидраты метана расщепляются под термическим и химическим воздействием с высокой скоростью и в широком диапазоне вокруг нагнетательной скважины, так чтобы можно было достичь высоких темпов добычи природного газа.

На Фиг.3 представлена диаграмма фазового равновесия CO₂ в морской воде в зависимости от давления и температуры. Граница фаз между гидратом и жидким CO₂ применима для чистого гидрата CO₂ с типом решетки I и морской воды с содержанием солей 35% по весу. Критической точкой CO₂ является значение 7,4 МПа и 31,48°C. При более высоких значениях температуры и давления CO₂ переходит в так называемую сверхкритическую фазу. Особенностью данной фазы является то, что в ней нет резких переходов и энергетических барьеров между газообразным и жидким состоянием; в подобном случае больше нельзя разграничить газовую и жидкую фазы. CO₂ в сверхкритическом состоянии отличается от жидкого или газообразного CO₂. Он состоит из свободно взаимосвязанных кластеров CO₂. Он характеризуется исключительными свойствами, которые особенно благоприятны для добычи природного газа из гидратов.

CO₂ в сверхкритическом состоянии легко и быстро вступает в реакцию с гидратами метана, так как гидраты метана расщепляются как под термическим, так и под химическим воздействием. При температурах выше 31,48°C гидраты метана нестабильны и, следовательно, расплавляются посредством CO₂ в сверхкритическом состоянии. Термическое расщепление гидрата метана происходит с намного большей скоростью, чем медленный обмен молекулами газа, при этом структура гидрата сохраняется. В то же время, решетки воды вступают в химическую реакцию с кластерами CO₂ и расщепляются. Из-за одновременного действия термической и химической энергии выделение природного газа из гидрата метана с применением CO₂ в сверхкритическом состоянии происходит быстрее, чем с применением жидкого или газообразного CO₂ или теплой воды той же температуры.

Нагнетаемая жидкость CO₂ в сверхкритическом состояний обладает низкой вязкостью и высокой подвижностью. Таким образом, тепло может быстро распространяться в подстилающем грунте благодаря быстрому кругообороту потоков маловязкого CO₂ в сверхкритическом состоянии в норовом пространстве, так что гидраты метана растапливаются на большой площади вокруг нагнетательной скважины. Ввиду характеристик текучести CO₂, в сверх критическом состоянии процесс выделения природного газа из гидрата метана происходит значительно более эффективно, чем при использовании теплой воды той же температуры, так как при той же температуре CO₂ в сверхкритическом состоянии обладает значительно более низкой вязкостью и более высокой скоростью распространения, чем теплая вода.

Дополнительным преимуществом предлагаемого метода является тот факт, что вблизи нагнетательной скважины гидрат CO₂ не выделяется или выделяется лишь в небольших количествах по причине локального повышения температуры, таким образом, позволяя избежать засорения подводящих трубопроводов и порового пространства.

Более того. в предложенном методе поровое пространство и оставшаяся пластовая вода насыщены CO₂, что позволяет избежать обратной реакции, т.е. образования гидрата метана из выделяемого природного газа.

Используя предложенный метод, можно достичь экономически целесообразных темпов добычи природного газа. Таким образом, можно обойтись без остальных методов расщепления гидратов метана, таких как ввод теплой воды, понижение давления или добавление химических веществ.

CO₂ в сверхкритическом состоянии остается в подстилающем грунте. Он будет медленно остывать с течением времени и в итоге преобразуется в гидрат CO₂.

Согласно настоящему изобретению, сначала растапливается и расщепляется гидрат метана, гидрат CO₂ образуется позднее, после того, как была частично или полностью завершена добыча природного газа и из резервуара отведено тепло благодаря теплопроводности.

Данный метод может быть осуществлен в различных вариантах. Например, можно ввести CO₂ в сверхкритическом состоянии в залежь с помощью отдельной нагнетательной скважины. Для этого цели необходимо обеспечить теплоизоляцию скважины, чтобы свести к минимуму потери тепла между буровой платформой и залежью. Выделяемый газ метана может быть извлечен через отдельную скважину. Также можно провести нагнетание CO₂ и извлечение природного газа через одну и ту же скважину. Более того, можно выполнять горизонтальное бурение или использовать методы гидравлического разрыва пласта для повышения проницаемости гидратосодержащих осадочных слоев.

Изобретение относится к методу добычи метана, накапливаемого в виде газовых гидратов, с одновременным накоплением углекислого газа в геологическом подстилающем грунте. Обеспечивает создание метода извлечения метана из газовых гидратов при темпах добычи, превышающих ранее возможные, при одновременном накоплении углекислого газа в геологических формациях. Сущность изобретения: способ включает следующие этапы: подают углекислый газ в залежи гидратов метана; обеспечивают действие углекислого газа на гидрат метана при выделении метана и накоплении углекислого газа в виде гидратов углекислого газа; удаляют выделяемый метан. При этом углекислый газ подают в виде углекислого газа в сверхкритическом состоянии, находящегося под давлением более 7,4 МПа и хранимого при температуре более 31,48°С. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ извлечения метана из гидратов метана, включающий следующие этапы:
- подают углекислый газ в залежи гидратов метана;
- обеспечивают действие углекислого газа на гидрат метана при выделении метана и накоплении углекислого газа в виде гидратов углекислого газа;
- удаляют выделяемый метан;
отличающийся тем, что углекислый газ подают в виде углекислого газа в сверхкритическом состоянии, находящегося под давлением более 7,4 МПа и хранимого при температуре более 31,48°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что залежи гидратов природного метана находятся под водой.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что углекислый газ в сверхкритическом состоянии подают в залежи гидратов метана в теплоизолированных трубах.