Спосіб розробки морських газогідратних покладів

Реферат: Спосіб розробки морських газогідратних покладів включає розкриття гідратовмістного пласта свердловиною та дезінтеграцію породи шляхом механічного подрібнення в результаті дії струменів води високого тиску з домішкою абразиву. Здійснюють попереднє гравітаційне відділення у виробці від утвореної водогідратомінеральної пульпи частини "пустої" породи, пульпу подають до сепаратора, розташованого на дні моря, де від пульпи відділяють частини породи та вільного газогідрату. Газогідрат подають на видобувну платформу, а збіднену на газогідрат пульпу подають під газозбірний купол у морську воду вище верхньої межі стабільності газогідрату для його дисоціації до моменту її падіння нижче рівня рівноважного тиску та за рахунок теплообміну з морською водою для накопичення газу під куполом та його подачі на платформу. Досягається максимальне зниження енерговитрат. UA 109336 C2 (12) UA 109336 C2 UA 109336 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб належить до газовидобувної галузі, а саме до розробки морських газогідратних покладів. Відомі три основні методи вилучення газу з гідратоносних пластів: пониження тиску нижче за рівноважний гідратоутворення при заданій температурі, нагрів гідратовмісних порід до температури вищої за рівноважну, а також їх механічне руйнування. Крім того відомі рішення, в яких пропонується використовувати реагенти, здатні впливати на хімічну активність води і газу, що приводить до зміщення рівноважного стану реакцій утворення і дисоціації газових гідратів у зону нижчих температур (так звані інгібітори - метанол, етиленгліколь, розчини електролітів тощо). Більшість запропонованих способів розробки газогідратних покладів передбачають комбінацію перелічених вище методів. На сьогодні відомий ряд теплових способів розробки газогідратних покладів. Так в патенті US 6192691 В1, 27.02.2001 пропонується під купол для збору газу, встановлений над придонним скупченням газогідрату, закачувати гарячу воду. У заявці US 20050161217 А1, 28.07.2005 запропоновано здійснювати електричний підігрів продуктивного пласта та вилучати газ, що виділився по видобувній свердловині. У міжнародній заявці WO 2007/136485 А2, 29.11.2007 передбачено газогідратний пласт нагрівати за рахунок енергії випромінювання лазера. У патентах US 4424866 А, 10.01.1984 та US 6733573 В2, 11.05.2004 запропоновано комбінувати дію на гідратний пласт теплової енергії та інгібіторів. Проте недоліком теплових методів розробки газогідратних покладів є значні енергетичні витрати. Так, крім порівняно незначних енерговитрат на дисоціацію газогідрату (близько 7 % від енергії згорання видобутого газу), основна їх частина піде на розігрів породи гідратонасиченого пласта та породи його підошві та крівлі. Крім того, виходячи з теплофізичних властивостей порід і газогідрату, зона теплової дії в пласті буде обмежена кількома метрами. Найбільш економічною технологією розробки газогідратних покладів з точки зору енергетичних витрат є зниження пластового тиску нижче за рівноважний з подальшим відбором вільного газу. Приклад такого способу описано в міжнародній заявці WO 2007/072172 В1, 25.10.2007, в якому зниження тиску забезпечується за рахунок відкачування газу з нижніх горизонтів. Проте такий спосіб є прийнятним для пластів, де насиченість гідратами незначна, а газ або вода не втратили свою рухливість. Звичайно, при збільшенні гідратонасичення (а отже зменшенні проникності) ефективність такого способу різко падає. Інший недолік способу, заснованого на зниженні тиску в гідратоносному пласті, пов'язаний із вторинним техногенним утворенням гідратів у привибійній зоні внаслідок ефекту Джоуля-Томсона. Наприклад, при початковій температурі пласта 283 K і тискові 5,74 МПа коефіцієнт ДжоуляТомсона становить 3-4 K на 1 МПа депресії. Таким чином, при депресії 3-4 МПа вибійна температура може досягти температури замерзання води. Процес ускладнюється ще й тим, що породи з вмістом гідрату більше ніж 60 % є фактично непроникними для газу [1]. В результаті газогідрат (газогідратний пласт) на тривалий час, який залежатиме від швидкості надходження тепла і визначатиметься теплофізичними параметрами його самого і пластів (у підошві та покрівлі), що його оточують, буде «надійно» законсервовано шаром льоду. Крім того газові гідрати, крім утворення непроникної для газу і води структури, виконують функцію «цементу» для частинок породи пласта. Дисоціація клатратів в осіданнях приводить до аномально високої пористості та виділення великих мас води [2]. Таким чином дестабілізація газогідратів призведе до істотного зниження міцності осадових структур у зоні дисоціації. Тому руйнування газогідратної структури внаслідок зниження тиску, підвищення температури або введення інгібіторів може призвести до розущільнення зцементованих гідратом порід та перетворення її на перезволожену ґрунтову масу із включенням бульбашок газу. Внаслідок створення депресії для вилучення газу неодмінно відбудеться руйнування перезволоженого пласта і засмоктування до вибою свердловини разом із водою і газом необмеженої кількості породи, унеможливлюючи подальшу експлуатацію свердловини. Відомі також способи одночасного зниження тиску і підводу тепла до свердловини. Причому основне розкладання гідрату відбувається за рахунок зниження тиску, а теплота, що підводиться до вибою, дозволяє скоротити зону вторинного гідратоутворення, що позитивно позначається на дебіті газу. Однак комбінування цих способів не розв'язує описаних вище недоліків. Найближчими аналогами способу, що пропонується, у частині фазового стану корисної копалини у момент її вилучення з пласта, а саме у формі природного газогідрату, є способи, наведені в заявках US 2008/0088171 А1, 17.04.2008, WO 00/47832 А1, 17.08.2000 і RU 1 UA 109336 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2004106857 А, 20.08.2005. Вони передбачають кар'єрну розробку морських газогідратних покладів шляхом їхнього механічного руйнування. Так, у заявці US 2008/0088171 А1, 17.04.2008 описано спосіб відбору придонних гідратовмісних відкладень підводними екскаваторами, їх підйом до поверхні в контейнерах і акумуляції отриманого газу під куполом, розміщеним у днищі судна. Спосіб видобування донних і придонних гідратів, описаний у заявці WO 00/47832 А1, 17.08.2000, передбачає руйнування шару газогідрату стисненим повітрям і спеціальним розчином високої щільності (або води під тиском), які подаються по трубі, відділення від дна і спливання шматків гідрату, їх подальший збір і дисоціацію. Також передбачено можливість підігріву стисненого повітря і рідини. Спосіб видобування газових гідратів з дна моря, описаний у заявці RU 2004106857 А, 20.08.2005, передбачає використання видобувного пристрою у вигляді самохідного комбайну і пристрою доставки їх на поверхню у вигляді баржі, яка самостійно спливає. Однак, враховуючи той факт, що поверхня зон розвантаження газу, до якої приурочені придонні поклади газогідрату, переважно вкрита шаром відкладень (часто субмаринні гідрати зустрічаються починаючи з глибини 0,4-2,2 м нижче від поверхні дна [3]), а виходячи зі швидкості згасання енергії струменя у водному середовищі незначну глибину їх різання, ефективність такого способу буде сумнівною. Це також стосується випадку, коли відношення об'єму газогідрату до мінеральної частини є незначним, що характерно для більшості покладів газогідрату (газогідрат заповнює пори або є цементом мінеральної частини пласта). Таким чином, використання способу, який передбачає руйнування газогідрату за допомогою струменів повітря чи рідини, а також кар'єрними породоруйнівними механізмами, розташованими безпосередньо на морському дні, буде малоефективним. Найбільш близьким аналогом способу, що пропонується, у частині впливу на продуктивний пласт, є спосіб свердловинного гідродобування корисних копалин, описаний у роботі [4], який передбачає розкриття покладу свердловиною, розущільнення породи в місці її залягання шляхом переведення в рухомий стан за допомогою гідромоніторного струменя та вилучення гідросуміші (пульпи) на поверхню. Задачею винаходу є розробка промислово прийнятного для існуючого рівня техніки способу видобування газу з морських газогідратних покладів. Запропонований для вирішення задачі спосіб дає можливість отримати технічний результат, який полягає у максимальному зниженні енерговитрати в результаті комплексного врахування теплофізичних властивостей і параметрів взаємодії складових системи в межах покладу, що розробляється. Для вирішення поставленої задачі у відомому способі розробки морських газогідратних покладів, який включає розкриття газогідратного пласта свердловиною, вплив на гідратовмісну породу, в результаті якого відбувається вилучення газогідрату, відповідно до винаходу розкриття здійснюється на максимальну протяжність горизонтальними, а потужних пластів вертикальними або похило спрямованими до їх підошви свердловинами, вплив на продуктивний пласт, починаючи від вибою свердловини, здійснюється з метою його дезінтеграції шляхом механічного подрібнення при мінімальному рівні дисоціації та перекристалізації газогідрату (внаслідок утворення на короткий час локальних зон із нерівноважними умовами) у результаті дії затоплених струменів високого тиску суміші води і абразивного матеріалу за допомогою гідромоніторного пристрою. Для збільшення об'єму виробки штанги з насадками гідромоніторного пристрою в робочому положенні подовжуються, вони займають перпендикулярне положення до осі свердловини та, обертаючись навколо неї, рухаються вздовж до контакту з фронтом дезінтеграції. У результаті змішування подрібненої гідратовмісної породи з морською водою і абразивним матеріалом утворюється водогідратомінеральна пульпа. На деякій відстані від зони руйнування у виробці відбувається гравітаційне відділення від водогідратомінеральної пульпи частини «пустої» породи. У результаті відбувається збагачення водогідратомінеральної пульпи на газогідрат. Після цього водогідратомінеральна пульпа із виробки через пульпозабірник, вмонтований в колону на деякій відстані від зони руйнування породи, під тиском, вищим за рівноважний гідратоутворення, прокачується через гравітаційний сепаратор, розташований на дні моря. У цьому сепараторі відбувається розділення водогідратомінеральної пульпи на «пусту» породу, газогідрат і збіднену на газогідрат пульпу. Відділена порода у вигляді нижнього потоку сепаратора відкачується на дно моря або через іншу свердловину - у відпрацьовану виробку. Відділений газогідрат у суміші з водою у вигляді верхнього потоку насосом, розташованим біля сепаратора подається для переробки на видобувну платформу. Від потоку збідненої на газогідрат водогідратомінеральної пульпи відбирається частина, яка після додавання морської води під тиском подається до гідромоніторного пристрою, як робоча суміш для руйнування 2 UA 109336 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 породи. Інша частина збідненої на газогідрат водогідратомінеральної пульпи викачується в море під газозбірний купол по трубі, відкритий кінець якої розташований на деякому рівні вище верхньої межі стабільності газогідрату. У результаті потрапляння залишку газогідрату в нерівноважні умови та теплообміну з морською водою відбувається його дисоціація на газ і воду. У результаті порода осідає на дно, а газ накопичується під газозбірним куполом та трубопроводом подається на платформу. Отже запропонований спосіб розробки газогідратного покладу передбачає чотири основні етапи: 1) дезінтеграцію гідратовмісної породи з метою переведення у рухомий стан; 2) попереднє збагачення водогідратомінеральної пульпи у виробці в результаті осідання частини породи на деякій відстані за зоною руйнування пласта; 3) відділення від пульпи вільного газогідрату в гравітаційному сепараторі, розташованому на морському дні; 4) виділення із збідненої пульпи газу у результаті дисоціації залишку газогідрату при її проходженні через товщу морської води в інтервалі вище верхньої межі стабільності газогідрату. На кресленні подано принципову схему способу розробки газогідратних покладів, де ВМСГ верхня межа стабільності газогідрату; 1 - виробка у гідратонасиченому пласті; 2 водогідратомінеральна пульпа; 3 - осад породи; 4 - бурове долото; 5 - пульпозабірник; 6 гідромоніторний пристрій; 7 - свердловина; 8, 9, 11, 12 - насос; 10 - гравітаційний сепаратор; 13 газозбірний купол; 14 - видобувна платформа; потоки: I - водогідратомінеральна пульпа; II пульпа збіднена на газогідрат; III - «пуста» порода; IV - газ, що виділився із пульпи у результаті дисоціації залишку газогідрату; V - газогідрат; VI - морська вода; VII - суміш морської води і збідненої пульпи для руйнування породи. Спосіб здійснюється так. Гідратонасичений пласт газогідратного покладу розкривають свердловиною 7 (пласти середньої потужності - горизонтальною максимальної протяжності, потужні - вертикальними або похилоспрямованими до підошви). Потім, починаючи від вибою свердловини, здійснюється руйнування гідратовмісної породи з метою переведення в рухомий стан за допомогою гідромоніторного пристрою 6 в результаті дії затоплених струменів високого тиску суміші води і збідненої пульпи, як абразиву (потік VII). При такому способі впливу газогідратний пласт піддається дії солей морської води, теплової енергії, яка виділилась при перетворенні частини механічної енергії струменя, коливань тиску в процесі роботи гідромонітора. При цьому газогідрат може опинитися в нерівноважних умовах і частково дисоціювати. Однак, виходячи з теплового балансу процесу й особливостей кінетики, цей вплив буде незначним, нетривалим і носитиме локальний характер. У результаті відбуватиметься дисоціація якоїсь частини газогідрату, зв'язаного з породою, та утворення в іншому місці «вільного». Для збільшення об'єму виробки 1 штанги з насадками гідромоніторного пристрою 6 в робочому положенні подовжуються, займаючи перпендикулярне положення до осі свердловини, обертаючись навколо неї, рухаються вздовж до контакту з фронтом руйнування породи. У результаті змішування подрібненої гідратовмісної породи з водою утворюється водогідратомінеральна пульпа 2, з якої на деякій відстані за зоною руйнування пласта осідає частина мінеральних включень породи 3. Попередньо збагачена пульпа із виробки 1 через пульпозабірник 5 (вмонтований в колону після бурового долота 4) під тиском, вищим за рівноважний гідратоутворення, насосом 9 як потік I прокачується через гравітаційний сепаратор 10, розташований на дні моря. При цьому від пульпи відділяється у вигляді осаду частини «пустої» породи, яка насосом 11 у вигляді потоку III відкачується на дно або через іншу свердловину у відпрацьовану виробку, та у вигляді фракції, що спливає - вільного газогідрату, яка насосом 12, розташованим біля сепаратора 10, а при падінні тиску в трубопроводі в процесі його підйому і часткової дисоціації - газліфтним способом (на схемі не вказано) подається на видобувну платформу 14. Від потоку II збідненої на газогідрат у результаті сепарації пульпи відбирається частина, яка після додавання морської води (потік VI) під тиском насосом 8 у вигляді потоку VII подається до гідромонітору 6 як робоча суміш для руйнування породи, а решта (потік II) - викачується в море під газозбірний купол 13 по трубі, відкритий кінець якої розташований на деякому рівні вище верхньої межі стабільності газогідрату (ВМСГ), де внаслідок її перебування в нерівноважних умовах та теплообміну з морською водою відбувається дисоціація на газ (потік IV) і воду залишку газогідрату. У результаті порода у вигляді потоку III осідає на дно моря, а газ, зібраний під газозбірним куполом 13, подається на платформу 14 та використовується на технологічні потреби. Таким чином, основна ідея запропонованого способу розробки газогідратного покладу полягає у вилученні максимальної кількості газогідрату без витрати енергії на фазовий перехід, 3 UA 109336 C2 5 10 а дисоціація його залишку в пульпі, враховуючи фізичні властивості газових гідратів, за рахунок низькопотенційної енергії морської води та зміни її тиску з глибиною. Література: 1. Способы разработки газогидратных месторождений / К.С. Басниев, В.В. Кульчицкий, А.В. Щебетов, А.В. Нифантов // Газовая промышленность. - М.: - 2006. - № 7. - С. 22-24. 2. Kvenvolden K.A. Gas hydrates - geological perspectives and global change // Rev. Geophysics. - 1993. - Vol. 31. - P. 173-187. 3. Накануне мировой субмаринной метаногидратодобычи / Е.Ф. Шнюков, П.Ф. Гожик, В.П. Краюшкин, В.П. Клочко // Доповіді Національної академії наук України. - 2007. - № 6. - С. 125134. 4. Скважинная гилродобыча полезных ископаемых: Учеб. Пособие / В.Ж. Арене, А.Д. Бабичев, А.Д. Башкатов, О.М. Гридин, А.С. Хрулев, Г.Х. Хчеян - М.: Горная книга, 2007. - 295 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 Спосіб розробки морських газогідратних покладів, що включає розкриття газогідратного пласта свердловиною, вплив на гідратовмістну породу, в результаті якого відбувається вилучення газогідрату, який відрізняється тим, що розкриття здійснюється на максимальну протяжність горизонтальними, а потужних пластів - вертикальними або похило спрямованими до їх підошви свердловинами, вплив на продуктивний пласт, починаючи від вибою свердловини, здійснюється з метою його дезінтеграції шляхом механічного подрібнення при мінімальному рівні дисоціації та перекристалізації газогідрату в результаті дії струменів високого тиску суміші води і абразивного матеріалу за допомогою гідромоніторного пристрою, причому для збільшення об'єму виробки штанги з насадками гідромоніторного пристрою в робочому положенні подовжуються, займають перпендикулярне до осі свердловини положення та, обертаючись навколо неї, рухаються вздовж до контакту з фронтом дезінтеграції, крім того в результаті змішування подрібненої гідратовмісної породи з водою утворюється пульпа, з якої за активною робочою зоною осідає частина породи, після цього попередньо збагачена на газогідрат пульпа з виробки під тиском, вищим за рівноважний гідратоутворення, прокачується через сепаратор, розташований на дні моря, для відділення від неї ще частини породи, яка відкачується на дно або у відпрацьовану виробку, та основної частини вільного газогідрату, який по трубопроводу насосом, а в інтервалі трубопроводу вище верхньої межі стабільності газогідрату, де створюються термобаричні умови його часткової дисоціації, газліфтним способом подається на видобувну платформу, крім того від потоку збідненої на газогідрат у результаті сепарації пульпи відбирається частина, яка після додавання морської води під тиском подається до гідромоніторного пристрою як робоча суміш для руйнування породи, а решта - викачується в море під газозбірний купол по трубі, відкритий кінець якої розташований на деякому рівні вище верхньої межі стабільності газогідрату, де внаслідок її перебування в нерівноважних умовах та теплообміну з морською водою відбувається дисоціація на газ і воду газогідрату, що лишився в породі, в результаті чого газ накопичується під газозбірним куполом та трубопроводом подається на видобувну платформу. 4 UA 109336 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 5