Способ разработки морских газогидратных залежей Советский патент 1992 года по МПК E21B43/00 

Изобретение относится к способам разработки морских газогидратных залежей и может быть использовано для извлечения на поверхность насыщенных газовыми гидратами морских осадков, залегающих в различных структурных зонах Мирового океана - на шельфе, материковом склоне, в пределах океанической впадины или котловины.

Известны способы добычи со дна моря твердых полезных ископаемых с трубопроводным вертикальным гидротранспортом добываемого сырья.

Однако эти способы отличаются повышенной энергоемкостью, низким КПД и ограниченной, в частности по этим причинам, производительностью

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ разработки морских газогидратных залежей, заключающийся в разрушении осадков и транспорте пульпы с газом или гидратами на поверхность (платформу или судно, ведущую добычу), причем пульпа может быть использована в качестве источника энергии (теплоносителя) для разложения газогидратов. С этой целью для образования пульпы в призабойную зону подается вода, температура которой на 1-2°С превышает равновесную для соответствующего условиям

V| VJ

О

to ю

00

со

призабойной зоны парциального давления природного газа.

При этом отпадает сложная операция разделения гидратов и осадков. Отбор газа из пульпы осуществляется благодаря ее дегазации на поверхности.

Недостатком способа является повышенная энергоемкость. Затраты энергии необходимы как на подогрев пульпы до температуры разложения газогидратов, так и на ее транспортировку. Чем больше будет производительность системы, тем большими будут энергетические затраты при прочих равных условиях.

Действительно, для проведенных в исходных условиях теплоемкость веществ 1 м3 пульпы составляет примерно 49-103кДж/°С.

Таким образом, для подогрева всей пульпы на забое до температуры, превышающей равновесную на 2-3°С,.при температуре воды у поверхности дна Мирового океана (на различных широтах она составляет 0-4 С, требуется огромное количество тепла или значительные затраты энергии на подачу подогретой воды из соответствующих горизонтов.

Велики затраты энергии и на подъем пульпы на поверхность гидравлической драгой с системой эрлифта. Для условий, описанных они оцениваются величиной 86,4-103 кДж на 1 м3 осадка.

Цель изобретения заключается в снижении энергозатрат на транспортировку гид- ратосодержащей пульпы и обеспечении бескомпрессорного запуска газлифтной системы.

Поставленная цель достигается гем, что транспортировка пульпы, содержащей предварительно разрушенные и измельченные гидратосодержащие морские осадки, осуществляется за счет выделяющегося в результате разложения газогидратов свободного газа. При запуске газлифта разложение газогидратов осуществляется путем подвода тепла от внешнего источника энергии на забое во вспомогательном канале (каналах) газлифта, например, от подогретой морской воды. После запуска газлифта источником энергии для разложения газогидратов в основном канале газлифта служит вся пульпа. Разложение происходит, в области потока, расположенной выше горизонта с равновесным по условиям гидрато- образования для данной температуры пульпы давлением.

Признак I - транспортировка пульпы осуществляется за счет газа, выделяющегося в результате разложения добываемых газогидратов является новым по отношению к прототипу и неизвестным из других технических решений.

Признак II - разложение добываемых

газогидратов в пульпе при запуске газлифта осуществляется путем подвода тепла от внешнего источника, на забое во вспомогательном канале газлифта, например, от подогретой морской воды, а после запуска

0 газлифта за счет отвода тепла от всей пульпы в области потока, расположенной выше горизонта с равновесным для данной температуры гидратосодержащей пульпы давлением, является новым по отношению к

5 прототипу и неизвестным из других подобных технических решений.

Признак 1 в предлагаемом техническом решении реализует, известную функцию, заключающуюся в использовании газа для

0 получения в вертикальном или наклонном трубопроводе движущейся газожидкостной смеси с целью подъема из глубин моря (недр Земли) жидкостей или пульпы. Совместно с признаком II, позволяющим получить при

5 запуске газлифта на забое во вспомогательном канале газлифта, а после запуска в основной трубе газлифта в области потока с давлением Р Рравн., достаточное для устойчивого вертикального движения среды ко0 личество нерастворенного природного газа, создает условия для осуществления газлиф- тного транспортирования (самодвижения) пульпы, содержащей предварительно разрушенные и измельченные гидратосодер5 жащие морские осадки, и совокупностью заявляемых признаков дает возможность получить положительные эффекты, указанные в цели изобретения - снижение энергозатрат на транспортирование пульпы,

0 обеспечение бескомпрессорного запуска газлифтной системы, а также повышение по этим причинам производительности газлифтной системы.

Очевидно, что для начала устойчивого

5 вертикального движения среды, в трубопроводе необходимо, чтобы количество свободного газа превышало количество газа, способного раствориться в воде на заданной глубине, забоя. В рассматриваемом ре0 шении эти условия реализуются на забое не во всем обьеме трубы газлифта, а во вспомогательном канале (каналах). В этом обьеме при запуске системы обеспечивается соответствующее объемное соотношение

5 газ-вода.

Для количественной оценки условий транспортирования и энергетических затрат примем глубину добычи и содержание, газогидратов в осадочных породах соответствующими условиями источника: глубина

моря 1,5 км; 1 м осадка содержит 90 кг гидратов метана; массовое соотношение вода-твердые осадки в основном канале газлифта 10:1, что обеспечивает объемное соотношение газ-вода в пульпе 1,20 : 1.

На фиг.1 приведены кривые растворимости метана в воде в зависимости от давления и температуры.

Примем температуру подогретой воды на забое равной 20°С. Воду такой температуры можно получить и путем смешивания морской воды на забое с гораздо меньшим количеством воды, подогретой до более вы- Ъокой температуры, например, до температуры 50-100°С или путем непосредственно подогрева во вспомогательном канале газлифта.

Для рассматриваемых условий добычи .на забое во вспомогательном канале газлифта необходимо обеспечить за счет регу- лированил соотношения подогретая вода-осадки местное соотношение газ-вода несколько более 3,2:1. Это в 2,5 раза больше, чем в основной трубе газлифта. Таким образом, соотношение подогретая вода-осадки во вспомогательном канале газлифта должно быть порядка 4:1.

Для разложения содержащихся в 1 м осадков газогидратов подогретой до 20°С водой согласно зависимости, приведенной на фиг.2, требуется около 600-700 кг воды, то есть примерно в 6 раз меньше, чем требуется для обеспечения соотношения газ- вода во вспомогательном канале газлифта. Это значит, что процесс разложения газо- гидрагов будет интенсифицирован. При этом температура пульпы во-вспомогатель- ном канале газлифта понизится всего на 1,8-2,0°С, так как для разложения 90 кг газогидратов требуется примерно 38 тыс. кДж энергии.

Теплоемкость веществ, образующих 1 м3 пульпы во вспомогательном канале газлифта, составляет: воды из осадка 1256 кДж/°С, гидратов 209 кДж/°С, остальных твердых веществ 1675 кДж/°С, воды, добавляемой для приготовления пульпы, примерно 18,8 тыс. кДж/°С, то есть в сумме примерно 22 тыс. кДж/°С по сравнению с 52 тыс. кДж/°С для системы, описанной в (1). Таким образом, для разложения газогидратов и побуждения вертикального движения пульпы во вспомогательном канале газлифта необходимо затратить примерно столько же энергии, сколько необходимо затратить только на подогрев пульпы до 7-9°С в канале газлифта прототипа.

При подъеме газожидкостной смеси во вспомогательном канале газлифта вследствие снижения давления будет происходить

десорбция растворенного в еоде газа, и подъемная сила гэзожидкостной смеси будет увеличиваться. Если ввести поток газожидкостной смеси из вспомогательного в

основной канал газлифта, то за счет эжекци- онного действия он будет побуждать вертикальное движение среды в основном канале.

Приемлемое из угповий нерастворимо0 сти газа соотношение газ-вода в пульпе равное 1,25 : 1, будет на глубине порядка 500-400 м. Это соответствует соотношению вода - твердые гидратосодержащие осадки 10:1 в основном канале газлифта и создает

5 в нем условия для самодвижения пульпы.

Для гидратов метана равновесное давление в пресной воде при температуре t 9°C равно 6,5 МПа. С учетом солености воды это давление повышается до 7 МПа.

0 Нахождение гидратов в пористой осадочной структуре создает депрессию давления порядка 2 МПа и повышает, таким образом, давление разложения до 9,0 МПа. Если принять с определенным запа5 сом величину равновесного давления для разложения газогидратов в основном канале газлифта равной 8 МПа. то это будет соответствовать глубине 800 м. Вынесенные через вспомогательный канал на этот

0 уровень неразложившиеся газогидраты будут разлагаться в термобарических условиях, характерных для пульпы в основном канале газлифта.

Таким образом, для побуждения устой5 чивого вертикального движения среды в ос- новном канале газлифта за счет эжекционного действия целесообразно поток из вспомогательного канала ввести в основной канал на уровне с равновесным

0 для разложения газогидратов при данной температуре пульпы давлением.

С началом устойчивого вертикального движения пульпы в основном канале газлифта частицы твердого осадка, содержа5 щего гидраты, будут подниматься выше уровня равновесного для данной температуры пульпы давления и разлагаться с выделением свободного газа. Таким образом, в дальнейшем транспортировка пульпы будет

0 осуществляться за счет газа, выделяющегося при разложении гидратов в основном потоке.

Оценим возможность транспортировки (самодвижения) пульпы после запуска газ5 лифта за счет разложения газогидратов в основном потоке.

При растворении газа (метана) в пульпе при соотношении газ-вода 1,25 : 1 его парциальное давление при температуре пульпы t 0- 4°С составит

РСЩ - mpx хсн4 2,63 109 1,008 (2,29 -2,65)МПа,

где содержание метана в морской воде в мольных долях

Мн2О С

ХСЩ О МСН4

. 18- 1.25. 0.717 .

103 16

трх (2,27-2,63) 109 - константа Генри ((3), с.24).

Согласно зависимости

Inp 50,635 - (10024,4/Т),

равновесное давление (2,29 - 2,65) МПэ метана над гидратами соответствует температуре пульпы около (5,5 - 6,5)°С.

Таким образом, при температуре пульпы t 8-9°C после запуска газлифт будет работать за счет разложения добываемых газогидратов в основном потоке.

Способ может быть реализован на установке, приведенной на чертеже.

Установка, включает грунтозаборное устройство 1, основной 4 и вспомогательный 2 каналы газлифта, устройство 3 ввода подогретой воды во вспомогательный канал, теплообменник 5 и насос подачи подогретой морской воды G, сепаратор-десорбер 7, компрессор 8 для компримирования добываемого из газогидратов природного газа, трубу 9 возврата отработанной в газлифте воды.

Установка может включать как известные устройства для разработки подводных месторождений твердых полезных ископаемых горнорудными способами (грунтозаборное устройство 1 с механическими, гидравлическими или иными механизмами рыхления и подачи породы в каналы газлифта, основной 4 и вспомогательный 2, изолированный на определенной длине от основного, каналы газлифта, устройства 3 ввода подогретой воды, теплообменник 5, насос 6 и другие общеизвестные устройства, указанные в описании), так и аналогичные по назначению на общеизвестные устройства, каждое из которых может быть предметом изобретения.

Установка работает следующим образом.

Исходное положение установки: газлифт с грунтозаборным устройством позиционированы относительно добычной платформы и забоя; основной л вспомогательный каналы газлифта заполнены морской водой.

При запуске газлифта грунтозаборное устройство 1 рыхлит, измельчает гидратосо- держащие морские осадки и подает их вна0 чале только во вспомогательный канал 2 газлифта на уровень устройств 3 подачи насосом 6 подогретой в теплообменнике 5 морской воды. Подогрев морской воды может осуществляться и непосредственно во

5 вспомагательном канале газлифта. В качестве внешнего источника энергии можно ис- пользонать энергоисточник добычной платформы, подводного аппарата, термальные воды, воды из горизонтов с более высо0 кой, чем на забое, температурой и др.

Регулированием подачи осадков и подогретой морской воды во вспомогательном канале 2 поддерживается требуемое их соотношение. При этом в результате разложе5 ния газогидратов во вспомогательном канале обеспечивается, необходимое для образования газожидкостной смеси соотношение газ-вода. Газожидкостная смесь по мере образования начинает вертикальное0 движение, которое постепенно распространяется на всю длину вспомогательного канала.

На выходе из вспомогательного канала газожидкостная смесь с включениями час5 тиц твердых осадков (пульпы) истекает в основной канал 4 газлифта, перемешивается со всей массой жидкости, находящейся в нем, побуждая за счет эжекционного действия вертикальное движение последней.

0 По мере распространения вертикального движения на всю глубину основного канала увеличивают производительность грун- тозаборного устройства 1 с целью обеспечения требуемого в основном кана5 ле газлифта соотношения твердые осадки- вода 1:10. Расход пульпы через основную трубу газлифта достигает заданного значения в зависимости от производительности установки по извлекаемым морским осад0 кам.

Частицы твердого гидратосодержащего осадка, достигнув зоны равновесного для данной температуры пульпы давления, начинают разлагаться с выделением свобод5 ного газа, что по мере развития этого процесса обеспечивает непрерывное восходящее самодвижение пульпы в основном канале газлифтной системы.

В случае необходимости регулирование работы газлифта может осуществляться, как

и при его запуске, путем подачи во вспомогательный канал подогретой от внешнего источника морской воды. В условиях полярных морей может потребоваться непрерывная работа вспомогательного канала с подогревом воды от внешнего источника (например, за счет использования энергии части добываемого из гидратов газа). Так как транспортировка гидратосодержащей пульпы осуществляется за счет газа, выделяющегося при разложении газогидратов, то производительность такой газлифтной системы (всей добычной установки) может быть весьма значительной. Регулирование ее работы подчиняется тому, чтобы на выходе из газлифта отобрать из пульпы выделившийся при разложении гидратов газ.

Отбор газа из пульпы осуществляется в сепараторе-десорбере 7 компрессором 8. Отработанная вода из сепаратора-десорбе- ра по трубе 9 возвращается на заданную глубину, твердые осадки, содержащие ценные компоненты, направляются, например, на дальнейшую переработку.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет существенно снизить энергетические затраты на транспортировку гидратосодержащей пульпы, обеспечить бескомпрессорный запуск и работу, гибкое регулирование режимов работы, повыше- ние производительности газлифтной системы.

Формула изобретения

Способ разработки морских газогидрат- ных залежей, включающий разрыхление насыщенных газовыми гидратами донных осадков, подъем пульпы на поверхность по основному каналу и подвод рабочего агента

по вспомогательному каналу, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа, снижения энергозатрат и обеспечения возможности бескомпрессорного запуска газлифтной системы,

на забой подают подогретую воду для создания условий самодвижения пульпы во вспомогательном канале и последующего ее ввода в поток основного канала на уровне с равновесным условием гидратообразования для данной температуры пульпы давлением.

Изобретение позволяет повысить эффективность способа, снизить энергозатраты и обеспечить возможность бескомпрессорного запуска газлифтной системы за счет того, что на забой подают подогретую воду для создания условий самодвижения пульпы во вспомогательном канале и последующего ее ввода в поток основного канала на уровне с равновесным условием гидратообразооания для данной температуры пульпы давлением. 1 ил. fe

wBiB/aia/fff8fgjfff8ffffljfffii.jijs//ti)ttii}f}fi Составитель В.Карминский

Техред М.Моргентал

Коррект

Корректор М.Шароши