Універсальний спосіб підводного видобутку газу зі скупчень газових гідратів в осадовій товщі

Реферат: UA 100522 U UA 100522 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до гірничої промисловості, зокрема до способів підводного видобутку газу зі скупчень газових гідратів в осадовій товщі. Газові гідрати являють собою тверді сполуки природного газу та води, утворюються в умовах відносно високого тиску і низької температури. Вони являють собою кристалічні, макроскопічно льодоподібні речовини, що належать до особливого типу сполук, які описуються загальною формулою: МnН2О, де М - молекула газу-гідратоутворювача, а n - число молекул води (від 6 до 17), що характеризує склад сполуки і залежить від умов гідратоутворення. Більшість компонентів природного газу, за винятком водню, гелію, неону, бутану і більш важких вуглеводнів, здатне до утворення газових гідратів. Найбільш поширеним газомгідратоутворювачем є метан [1]. Один кубічний метр природного метанового гідрату в твердому 3 стані містить 175 м метану [2]. Для утворення та існування газових гідратів необхідні певні термобаричні та геологічні умови. Підводні газогідрати приурочені в основному до глибоководних акваторій і полярних шельфів, утворюються на глибинах більше 500 м в низьких і середніх широтах, і більше 150-200 м - у високих. Також можуть утворюватися на глибині до сотень метрів під морським дном. Товщина зони стабільності коливається залежно від температури, тиску, складу газу, геологічних умов (пористості, щільності гідратовмісної породи), глибини та інших факторів. Утворення газогідратів в морських осадках відбувається в зонах розвантаження газовмісних флюїдів, що приурочені до розломів, грязьових вулканів тощо. При припиненні підтоку газу порушуються умови стабільності і відбувається поступовий розпад гідрату на газ і воду [1]. За оцінками, наведеними у світових літературних джерелах, сумарні запаси газогідратів і підгідратного газу а Світовому океані в сотні разів перевищують початкові сумарні газові 3 ресурси суші - 0,180•103 трлн. м (В.Н. Панов, А.А. Трофімчук, Н.В. Черский, В.П. Царьов, В.А. Краюшкин та ін.) [3]. Утворення газогідратів у Чорному морі термодинамічно можливо при глибині води 300-350 м, а для чистого метану - починаючи з глибин 700-750 м. Нижня межа розвитку гідратів в товщі опадів визначена за геотермічними даними цифрою в середньому 400-500 м нижче дна моря, максимум 800-1000 м [3]. За результатами науково-дослідних експедицій в Чорному морі на глибинах 200-800 м виявлені родовища газогідратів метану і природного газу товщиною 2501200 м під поверхнею морського дна з шарами товщиною десятки метрів [2]. Фізико-хімічні властивості газових гідратів, термобаричні, геологічні умови їх утворення та існування визначають методи розробки газогідратних родовищ. В роботі [2] виділені три найбільш відомі технології видобутку газу зі скупчень газогідратів: штучне зниження тиску в пласті газових гідратів до рівня їх розпаду через відкачування води зі свердловини; ця технологія реалізована на Месояхському родовищі (Росія) в 1967 р, її істотний недолік - значні енерговитрати на відкачування води; нагрів покладу до температури розпаду газових гідратів; технологія полягає у закачуванні пари або гарячої води в пласт, випробувана канадськими дослідниками біля річки Маккензі за участю вчених США, Японії, Німеччини та Індії; встановлений високий рівень енерговитрат при видобутку, зіставний з енергоємністю газу, що вивільнюється; закачування інгібіторів, таких як метанол або гліколь, що призводить до розпаду газогідратів і виділенню газу; технологія вимагає експериментального підтвердження ефективності та екологічної безпеки. Перспективними є технології видобутку природного газу, що припускають механічне руйнуванням газогідратів, зокрема спосіб, пов'язаний з руйнуванням гідратовмісної породи шнековим буром [1], за допомогою гідророзриву пласта [2], у тому числі спрямованого [4]. Значний інтерес фахівців різних країн викликає технологія вилучення газу, що полягає у закачуванні в газогідратний пласт вуглекислого газу, це супроводжується витісненням метану і утворенням гідратів вуглекислого газу, більш стабільних, ніж гідрати метану [2; 5; 6]. Така технологія дозволяє не тільки витягти метан з газових гідратів, але й вирішити актуальну проблему нашого часу - зменшення обсягів парникових газів в атмосфері за рахунок депонування вуглекислого газу під землею. Дана технологія, як і деякі інші методи впливу на газогідрати: електромагнітні, акустичні, вимагають більш широкого експериментального вивчення. В даний час на практиці підводний видобуток газу може здійснюватися з вже діючих джерел: газових факелів. Спосіб безперервного відбору газу з газових факелів [3] передбачає використання газовідбірного зонду з вбудованим шлангом, який з борту спеціалізованого судна лебідкою спускається на морське дно і встановлюється над газовим факелом при маневруванні судна. Зібраний газ через гнучкий рукав подається на судно, де встановлений спеціальний блок, що забезпечує вологовідділення, оцінку інтенсивності газовиділення і подачу газу в 1 UA 100522 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 спеціальні ємності. Недолік способу неможливість активації джерела і збільшення інтенсивності газовиділення. Найбільш ефективним і близьким до запропонованої корисної моделі по сукупності ознак (прототипом) є вже згаданий вище [1] спосіб видобутку газу з придонних скупчень газових гідратів, що включає розміщення на дні водойми над скупченням гідратів куполоподібного газозбірника, механічне руйнування породи, що знаходиться під газозбірником і містить газові гідрати, з одночасним її розпушенням і перемішуванням, збір під куполом газозбірника продуктів руйнування породи і розпаду газових гідратів, сепарацію і відведення з газозбірника виділеного газу в ємності, розміщені на плавучому засобі, наприклад судні. Механічне руйнування породи проводиться з використанням бура, зокрема шнекового, з подачею під купол води, яку беруть з верхніх, більш теплих шарів водної товщі, що сприяє розпаду газогідратів. Недолік способу полягає в забезпеченні розробки лише придонних покладів і тільки під куполом газозбірника, тоді як глибина їх залягання під морським дном, як показано вище, може становити 1000 і більше метрів, а протяжність покладів — значно перевищувати розміри купола. Задача корисної моделі є підвищення ефективності способу підводного видобутку газу зі скупчень газових гідратів в осадовій товщі, збільшення глибини розробки цих покладів. Поставлена задача вирішується тим, що універсальний спосіб підводного видобутку газу зі скупчень газових гідратів в осадовій товщі включає: установку всередині корпусу газозбірника напрямної труби з перфорацією, виконання його спуско-підйому з борту плавучого засобу на колоні труб, нижня частина якої приєднана до газозбірника з можливістю обертання, співвісно з напрямною трубою, а верхня частина з'єднана з корпусом плавзасобу з можливістю осьового переміщення; здійснення видобутку газу зі свердловин, що пробурені від газозбірника за його межі по породі, що містить гідрати, з використанням різних методів впливу на гідрати для їх розпаду: механічних, фізико-хімічних та інших, причому застосування певного методу впливу або їх комплексу здійснюється як в процесі буріння, так і по завершенні проходки свердловин; установку на зовнішній, бічній поверхні корпусу газозбірника одного або декількох двигунів з гребними гвинтами; переміщення технічних засобів для руйнування породи і розпаду гідратів в зону розробки покладу по вертикальній колоні труб, напрямної трубі газозбірника і стовбуру свердловини. Суть корисної моделі пояснюється наступними кресленнями: Фіг. 1 - схема спеціалізованого судна з газозбірником; Фіг. 2 - вид А на Фіг. 1; Фіг. 3 - схема видобутку газу з використанням забійного двигуна; Фіг. 4 - схема видобутку газу гідродинамічним розмивом породи. На Фіг. 1: 1 спеціалізоване судно; 2 - насосно-компресорна станція; 3 - лебідка бурового верстата; 4 бурова вишка; 5 - крон-блок; 6 - талевий блок; 7 - корпус ротора бурового верстата; 8 - колона труб; 9 - перехідник; 10 - корпус газозбірника; 11 - двигун; 12 - гребний гвинт; 13 - напрямна труба; 14 - поверхня дна; 15 - поклад газогідратів; 16 - якір; Н - глибина водойми; L - протяжність покладу гідратів; d - діаметр основи газозбірника. На Фіг. 3: 17 - елеватор; 18 - колона бурильних труб; 19 - гвинтовий забійний двигун; 20 - породоруйнівний інструмент; n - частота обертання бура; Lc - довжина свердловини. На Фіг. 4: 21 - броньований шланг; 22 гідродинамічна насадка; f - напрямок струмені рідини. Для підводного видобутку газу здійснюється постановка спеціалізованого судна 1 (Фіг. 1) на якорі 16 над покладом газогідратів 15. У корпусі спеціалізованого судна виконана шахта, через яку проводиться спуск-підйом обсадних і бурильних труб, а також різного устаткування. Над шахтою розміщений ротор 7 і бурова вишка 4 з талевою системою 5-6. Судно обладнане, також, лебідкою 3 для виконання спуско-підйомних операцій, насосно-компресорною станцією для нагнітання на вибій свердловин води і газоповітряних сумішей, ємностями для збору газу, здобутого з гідратів, супутниковою системою навігації, системою динамічного позиціонування та іншими спеціальними технічними засобами. Виконується спуск з борту судна колони труб 8, до нижньої частини якої за рахунок перехідника 9 з можливістю обертання приєднаний газозбірник 10, всередині якого закріплена напрямна труба 13 з перфорацією, а зовні - встановлені двигуни 11 з гребними гвинтами 12 (Фіг. 2). Доцільно використання асинхронних електродвигунів типу ПЕДВ, призначених для підводних робіт; працездатність цих двигунів у водному середовищі забезпечується за рахунок застосування спеціальних ізолюючих обмоток і гумометалевих підшипників. При роботі у воді ці двигуни не герметизуються кожухом, їх обмотки омиваються водою, що забезпечує їх ефективне охолодження і виключає перегрів; у водному середовищі надійно працюють гумометалеві підшипники двигунів. Спуск труб завершується після розміщення газозбірника безпосередньо над поверхнею дна 14. 2 UA 100522 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Включенням одного з електродвигунів виконується поворот газозбірника на певний кут із забезпеченням заданого положення направляючої труби. При спуску колони труб газозбірник встановлюється на дні (Фіг. 3). Слід зазначити, що при даному положенні газозбірника, за рахунок вертикальних переміщень судна на хвилях, можливий вплив динамічних навантажень на газозбірник, колону труб і корпус судна, для зменшення або виключення цього впливу верхня частина колони труб з'єднана з корпусом судна з можливістю відносного осьового переміщення. Надалі, до поверхні дна через колону труб з використанням елеватора 17 на бурильних трубах 18 здійснюється спуск гвинтового забійного двигуна 19 з породоруйнівним інструментом 20. Через колону бурильних труб насосом нагнітається вода, відбір якої відбувається поблизу судна, з верхніх, найбільш теплих шарів водної товщі, забезпечується обертання забійного двигуна і буріння свердловини по скупченню газогідратів. Характерно, що запропонований спосіб забезпечує можливість буріння свердловини в заданому напрямку на довжину Lc, яка перевищує діаметр газозбірника d, тобто за його межами. В процесі буріння за рахунок механічного впливу відбувається руйнування породи і розпад гідратів, в результаті виділяється газ, який по стовбуру свердловини надходить в газозбірник, по кільцевому зазору між колонами труб піднімається вгору, на судні газ збирається в спеціальні ємності. Крім механічного вплив. факторами розпаду гідратів є температурний вплив, що обумовлений застосуванням теплої води з верхніх шарів водойми, а також зниження пластового тиску за рахунок підйому газу, що виділяється, по трубах і утворення при цьому газоповітряної суміші, що має більш низьку щільність, ніж вода. При певній довжині свердловини її проходка завершується, проводиться підйом бурового інструменту і його розміщення на судні. Довжина свердловини визначається геологічною будовою ділянки проведення робіт, інтенсивністю газовиділення, фізико-механічними властивостями породи, що містить гідрати, характеристикою застосовуваної техніки, іншими факторами. При цьому по вертикальній колоні труб продовжує надходити газ з покладу гідратів, триває його збір в ємності. В даному випадку розпад гідратів і виділення газу визначається одним фактором: зниженням пластового тиску, що, як було показано вище, пов'язано з заповненням газоповітряною сумішшю вертикальної колони труб. Можливе зниження газовиділення визначає необхідність застосування додаткових заходів, а саме в свердловину здійснюється спуск броньованого гнучкого шлангу 21 (Фіг. 4) з гідродинамічною насадкою 22; плунжерним насосом, встановленим на судні, в шланг 3 нагнітається морська вода під тиском не менше 13 МПа з подачею - 0,5 дцм /с і більше, яка з високою швидкістю витікає з сопел насадки в напрямку вектора f (Фіг. 4), виконує руйнування породи і розпад газогідратів з виділенням газу. Виділений газ по відкритому стовбуру свердловини і вертикальній колоні труб надходить в ємності на судні. В даному випадку видобуток газу супроводжується багаторазовими зворотно-поступальними переміщеннями шланга з насадкою уздовж осі свердловини; його рух від устя свердловини до вибою визначається реактивними силами, зумовленими витіканням рідини з насадки, рух від вибою свердловини до устя - лебідкою, встановленою на судні. При зниженні інтенсивності газовиділення шланг з насадкою витягується зі свердловини і колони труб. Газозбірник піднімається над поверхнею дна (Фіг. 1), включенням одного з двигунів 11 здійснюється його поворот на певний кут, наприклад 90 або 180°, відповідно повертається напрямна труба газозбірника, після чого газозбірник знову встановлюється на дні (Фіг. 3), комплекс операцій з видобутку газу повторюється, проте свердловина буде пробурена вже в зміненому напрямку, розроблятися буде нова ділянка покладу гідратів. У міру розробки покладу навколо газозбірника 10, останній знову піднімається над поверхнею дна, судно знімають з якорів, без підйому труб 8, при включенні двох двигунів 11, газозбірник переміщують в задане положення над покладом газогідратів. Надалі здійснюється постановка судна на якорі, спуск газозбірника на дно, видобуток газу за вказаною методикою. Видобуток газу з пробуреної свердловини може проводитися не тільки за рахунок гідророзмиву породи і гідратів, але, як показано вище, і за рахунок впливу на них спеціальними реагентами або вуглекислим газом, подача яких в свердловину забезпечується по гнучкому шлангу. Джерела інформації: 1. Пат. РФ 2403379, МПК Е21В 43/01. Способ добычи газа из придонных скоплений газовых гидратов/ Т.В. Матвеева, В.А. Соловьев, Л.Л. Мазуренко. - Заявл. 24.06.2009; Опубл. 10.11.2010; Бюл. № 31. 2. Бондаренко В.И., Ганушевич К.А., Сай Е.С. К вопросу скважинной подземной разработки газовых гидратов// Науковий вісник НГУ. -2011. - Т. 1. - С. 60-66. 3 UA 100522 U 5 3. Шнюков Е.Ф., Зиборов А.П. Минеральные багатства Черного моря. -К.: ОМГОР НАН Украины. 2004. - С. 81-105. 4. Пат. 82371 Україна, МПК Е21В 43/16; 43/25. Спосіб локального спрямованого гідророзриву пласта/ Б.М. Васюк. - Заявл. 07.03.2013; Опубл. 25.07.2013, Бюл. № 14. 5. Пат. 2370642 РФ, МПК Е21В 43/22. Добыча свобідного газа конверсией газового гидрата/ Арне Грэуэ и др. - Заявл. 16.09.2005; Опубл. 20.10.2009. 6. Пат. 65280 Україна, МПК Е21В 43/00. Спосіб добування газу метану з морських газогідратних родовищ/ B.I. Бондаренко та ін. - Заявл. 05.07.2011; Опубл. 25.11.2011, Бюл. № 22. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 1. Універсальний спосіб підводного видобутку газу зі скупчень газових гідратів в осадовій товщі, що включає розміщення на дні водойми куполоподібного газозбірника, механічне руйнування породи, що містить газові гідрати, з одночасним її розпушенням і перемішуванням, збір під куполом газозбірника продуктів руйнування породи і розпаду газових гідратів, сепарацію і відведення з газозбірника виділеного газу в ємності, розміщені на плавучому засобі, наприклад судні, який відрізняється тим, що всередині корпусу газозбірника встановлена напрямна труба з перфорацією, його спуск-підйом виконується з борту плавучого засобу на колоні труб, нижня частина якої приєднана до газозбірника з можливістю обертання, співвісно з напрямною трубою, а верхня частина - з'єднана з корпусом плавзасобу з можливістю осьового переміщення; видобуток газу робиться зі свердловин, що пробурені від газозбірника за його межі по породі, що містить гідрати, при цьому використовуються різні методи впливу на гідрати для їх розпаду: механічні, фізико-хімічні та інші, причому певний метод впливу або їх комплекс застосовується як в процесі буріння, так і по завершенні проходки свердловин. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на зовнішній, бічній поверхні корпусу газозбірника встановлений один або кілька двигунів з гребними гвинтами. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що технічні засоби для руйнування породи і розпаду гідратів переміщуються в зону розробки покладу по вертикальній колоні труб, напрямній трубі газозбірника і стовбура свердловини. 4 UA 100522 U 5 UA 100522 U 6 UA 100522 U 7 UA 100522 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8