Спосіб видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ

Реферат: UA 92206 U UA 92206 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб належить до газової промисловості, а саме до морського видобування природного газу і його транспортування. Аналіз даних, що належать до відомих на сьогодні гідратопроявів і їх ознак у Світовому океані й озерах, дозволяє зробити висновок, що підводні газові гідрати можуть утворювати скупчення двох типів. До першого належать скупчення, які знаходяться на значній піддонній глибині (сотні метрів) і контролюються зонами проникності в умовах розосередженої фільтрації флюїдів. Скупчення другого типу розташовано в безпосередній близькості від дна моря, на дні або на дуже незначній піддонній глибині (перші метри). Гідрати у своїй більшості присутні в грубозернистих осадових відкладеннях, проте під час виконання досліджень гідрати також виявлено і в дрібнозернистих відкладеннях у вигляді невеликих прошарків, лінз і тонких, майже вертикальних жил. Так, наприклад, при дослідженні свердловини NGHP-01-10 виявлено потужний інтервал тріщинуватих глин, вміст гідратів у яких є одним з найвищих у світі [1]. На сьогодні відомо 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). Способи теплової обробки газогідратних покладів, наприклад, наведено в патентах US 6192691, US 20050161217, WO 2007/136485 та інших. У патентах US 4424866 та US 6733573 запропоновано комбінувати дію на гідратний пласт теплової енергії й 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 в 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. Прикладом такого способу є заявка WO 2007/072172, в якій зниження тиску забезпечується за рахунок відкачування газу з нижніх горизонтів. Однак застосування цього способу може призвести до вторинного гідратоутворення у призабійній зоні внаслідок ефекту Джоуля-Томсона та прояву ефекту самоконсевації гідрату в пласті. Так, при початковій температурі пласта 283 К і тискові 5,74 МПа коефіцієнт Джоуля-Томсона становить 3-4 К на 1 МПа депресії. Таким чином, при депресії 3-4 МПа забійна температура може досягти температури замерзання води. Процес ускладнюється ще й тим, що породи з вмістом гідрату більше ніж 60 % є фактично непроникними для газу [2]. Крім того, результати експериментальних досліджень фільтрації газу через гідратонасичені породи, які наведено в роботах [3], указують на те, що їх проникність по газу на два, три і більше порядків менша, ніж проникність зразків, не насичених гідратами. Низька проникність пов'язана, зокрема, і з початковою водонасиченістю, оскільки при деякому її значенні гідрат утворюється в усьому об'ємі пористого середовища, заповнюючи всі пори й мікротріщини. Крім утворення непроникної для газу і води структури, газові гідрати виконують також функцію "цементу" для частинок породи пласта. Дисоціація клатратів в осіданнях призводить до аномально високої пористості та виділення великих мас води [4]. 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. При 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. Найбільш близькими аналогами до способу, що пропонується у частині фазового стану видобутої корисної копалини, а саме кристалогідрату, є способи, наведені в заявках US 2008/0088171, WO 00/47832 і RU 2004106857/03. Вони передбачають кар'єрну розробку морських газогідратних покладів шляхом їхнього механічного руйнування. Так, у заявці US 2008/0088171 описано спосіб відбору придонних гідратовмісних відкладень підводними екскаваторами, їх підйом до поверхні в контейнерах і акумуляції отриманого газу під куполом, розміщеним у днищі судна. 1 UA 92206 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб видобутку донних і придонних гідратів, описаний у заявці WO 00/47832, 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 збір і дисоціацію. На ефективність технології видобування газу значною мірою впливає також рівень досконалості технічних і технологічних рішень операцій його підготовки та транспортування. На сьогодні газ морем транспортується як у газоподібному стані (трубопроводами та танкерами для стисненого газу), та у зрідженому (LNG-технологія). Крім того, останніми роками активно розвивається технологія морського транспортування природного газу в газогідратній формі [5, 6]. У зв'язку із цим розроблено ряд технологій, які передбачають виробництво штучного газогідрату з якостями, що відповідають вимогам його транспортування і зберігання. Прикладом є патенти US 5536893 і UA 101882. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі, що пропонується у частині способу (форми) транспортування видобутого газу, є спосіб видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ [7], який включає вилучення із покладу газу в результаті його розкриття свердловиною, зв'язування видобутого газу в газогідрат і транспортування газогідрату на рухомому транспортному засобі. Переробку газу здійснюють на морській видобувній платформі за допомогою спеціальної установки, яка включає ємність для підготовки води до гідратоутворення, холодильник для напрацювання дрібного льоду із цієї води, реактор, разділювач гідрату і води, пристрої для заморожування і завантаження виробленого газогідрату на транспортний засіб. Установки для плавлення газогідрату і підготовки (осушки) виділеного газу перед подачею споживачеві розміщено на березі. Однак, здійснення відомого способу потребує розміщення на видобувній платформі важкого і громіздкого обладнання. До того ж, у випадку розробки газогідратних родовищ відомий спосіб передбачає, що на платформу буде надходити газ. Тобто розглядається спосіб, який передбачає дисоціацію газогідрату. Але, як було показано вище, такий спосіб впливу на продуктивний пласт ускладнює отримання стабільного і промислово прийнятного дебіту видобувних свердловин. Крім того, у випадку застосування для цього термічних методів це призводить до нераціональної витрати значної кількості енергії в результаті зворотних процесів: плавлення гідрату в пласті, його виробництво на платформі та плавлення на березі. Враховуючи особливості розробки газогідратних покладів та необхідність підвищення ефективності технології, найбільш прийнятною формою транспортування газогідрату, яка максимально задовольняє вимоги способу видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ є запропоновані в роботі [8] газогідратні блоки великого розміру, законсервовані льодяною кіркою. Вони придатні до транспортування і тривалого зберігання за атмосферного тиску та незначної від'ємної температури. Часто існує необхідність підвищення тиску видобутого газу. Для цього є кілька типів компресорного обладнання. Всі вони являють собою складні високотехнологічні пристрої, вимогливі до умов експлуатації й якості палива. Поряд з тим, відомо спосіб безмашинного компримування гідратоутворюючих газів, який полягає у їх переведенні через газогідратний стан та плавленні в обмеженому просторі [9]. У патентах UA 97296 і UA 97411 запропоновано спосіб і установку, в яких поєднано струминну і газогідратну технології безмашинного компримування природного газу. Враховуючи обмеженість розміру видобувної платформи та у випадку, коли технологією передбачено видобування чи виробництво на ній газогідрату, принцип компримування газу, описаний в патентах UA 97296 і UA 97411, максимально задовольнить вимоги способу видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ. Задачею корисної моделі є розроблення промислово прийнятного для існуючого рівня техніки способу видобування газу з морських газогідратних покладів, підвищення ефективності технологічного ланцюга видобування, підготовки, транспортування і зберігання газу (газогідрату) шляхом максимального зниження енерговитрат в результаті комплексного врахування теплофізичних властивостей і параметрів взаємодії складових системи в межах покладу, що розробляється та особливостей послідовних процесів на основі інноваційних рішень газогідратних технологій. Для вирішення поставленої задачі у відомому способі видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ, який включає вилучення з покладу газу в результаті його розкриття свердловиною, зв'язування видобутого газу в газогідрат і транспортування газогідрату на рухомому транспортному засобі, відповідно до корисної моделі на видобувну платформу надходить суміш води і газогідрату або суміш води, газогідрату і газу з 2 UA 92206 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 максимально можливим умістом газогідрату, яка при розробці газогідратного покладу утворюється в процесі впливу на нього, результатом якого є переведення гідратовмісної породи і/або газогідрату в рухомий стан без дисоціації газогідрату, а при розробці газового покладу зв'язування максимальної кількості видобутого зі свердловини газу в склад газогідрату до надходження на видобувну платформу в процесі його контактування з пластовою чи морською водою та утилізації теплоти гідратоутворення в результаті теплообміну з морською водою на ділянці трубопроводу з оребренням, створення в обох випадках у трубопроводі умов для підйому суміші газліфтним способом, фазове розділення суміші води, вільного газу і газогідрату, скидання води в море, плавлення частини газогідрату в обмеженому об'ємі для отримання газу високого тиску, компримування газу в струминному апараті за рахунок енергії газу високого тиску, концентрування газогідрату шляхом переведення залишку води в склад газогідрату в процесі його охолодження і контактування з компримованим газом, при цьому залишкова вологість газогідрату після сепарації узгоджується з кількістю вільного газу, який необхідно перевести в гідратну форму, заморожування підготовленої газогідратної маси, формування газогідрату в блоки великого розміру, транспортування газогідратних блоків за атмосферного тиску без додаткового охолодження, зберігання газогідратних блоків у гідратосховищах за атмосферного тиску та температури не вище ніж 278 К, плавлення газогідрату з метою отримання газу і прісної структурованої води за рахунок низькопотенційної енергії альтернативних джерел. Поєднання ідей видобування газогідрату з пласта без його дисоціації, переведення видобутого газу в газогідрат за рахунок енергії моря, методу газогідратного компримування, технології транспортування і зберігання газу в газогідратній формі дозволяє відмовитись від найбільш енерговитратної операції - плавлення газогідрату на родовищі (в пласті чи на платформі) і тим самим підвищити ефективність технології розробки газових і газогідратних покладів. Така організація технологічного процесу дозволяє плавити газогідрат безпосередньо в місцях і в міру споживання газу, використовуючи для цього альтернативні джерела енергії. На кресленні подано принципову схему способу видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ, де 1 - видобування газу; 2 - видобування газогідрату у вигляді суміші води і газогідрату чи води, газогідрату і газу; 3 - переведення видобутого газу в склад газогідрату; 4 - сепарація суміші води, газогідрату і газу; 5 - плавлення частини газогідратної маси для отримання високонапірного потоку; 6 - концентрування газогідратної маси шляхом переведення залишку води в склад гідрату; 7 - компримування газу; 8 - заморожування газогідратної маси; 9 - виробництво холоду; 10 - формування газогідратних блоків; 11 - транспортування і зберігання газогідрату; 12 - дисоціація газогідрату; потоки: І суміш води, газу і газогідрату; II - вода; III - зволожена газогідратна маса; IV - підведення тепла; V - газ низького тиску; VI - газ високого тиску; VII - газ середнього тиску; VIII - газогідрат концентрований; IX - охолодження; X - газогідрат концентрований і охолоджений; XI газогідратні блоки; XII - газ. Спосіб здійснюється таким чином. Переважна частина газу з видобувної свердловини 1, контактуючи з потоком води II у пристрої 3 та віддаючи тепло процесу морській воді, що оточує пристрій, зв'язується в газогідрат, утворюючи суміш води, газогідрату і газу. У випадку газогідратного покладу його розробка здійснюється обладнанням 2, яке дозволяє вилучити газогідрат без його дисоціації у вигляді суміші води, газогідрату і газу. Суміш води, газогідрату і газу (потік 7) газліфтним способом подається на видобувну платформу, де в процесі сепарації 4 розділяється на фази (потоки II, III, V). Частина зволоженого газогідрату після сепарації 4 в пристрої 5 плавиться для отримання газу високого тиску (потік VI). У пристрої 7, який являє собою струминний компресор, енергія газу високого тиску (потік VI) спрацьовується при компримуванні газу низького тиску (потоку V). У пристрої 6 в результаті контакту основної частини зволоженого газогідрату (потік III) і газу середнього тиску (потік VII) та відведені тепла (IX) відбувається зв'язування залишку води і вільного газу в гідратну форму. Далі концентрований газогідрат (потік VIII) у пристрої 8 охолоджується до рівня, необхідного для здійснення транспортування без додаткового охолодження. У пристрої 10 охолоджений газогідрат (потік X) формується у блоки великого розміру. Газогідратні блоки транспортуються морем переобладнаними транспортними засобами та до моменту споживання зберігаються в гідратосховищах за атмосферного тиску та температури не вище ніж 278 К. Дисоціація гідратних блоків після їх відбору з гідратосховища 11 здійснюється за рахунок сонячної енергії та інших альтернативних джерел низькопотенційного тепла. Джерела інформації: 3 UA 92206 U 5 10 15 20 1. US Geological survey "Results of the Indian National Gas Hydrate Program (NGHP) Expedition 01" // http://energy. usgs. gov-2010. 2. Способы разработки газогидратных месторождений / К.С. Басниев, В.В. Кульчицкий, А.В. Щебетов А.В. Нифантов // Газовая промышленность. - М.: - 2006. - № 7. - С. 22-24. 3. Безносиков А.Ф., Маслов В.Н. Влияние воды, льда, гидратов в коллекторе на его проницаемость // Труды ВНИИЭГазпрома. - 1975. - № 8, - С. 84-89. 4. Kvenvolden K.A. Gas hydrates-geological perspectives and global change // Rev. Geophysics. 1993. - Vol. 31. - P. 173-187. 5. Gudmundsson J.S. Hydrate non-pipeline technology for transport of natural gas / J.S. Gudmundsson, O.F. Graff. [Электронный ресурс] http://www.igu.org/html/wgc2003/WGCpdffiles/10056_1046347297_14776_1.pdf. 6. Тарко Я.Б. Перспективи газогідратної технології на ринку морських перевезень природного газу / Я.Б. Тарко, Л.О. Педченко, М.М. Педченко // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - Івано-Франківськ, 2012. -№ 2 (43). - С. 49-55. 7. Gudmundsson J.S., Hveding F., Borrehaug A. Frozen Hydrate Compared to LNG. Trondheim, Norwegian Institute of Technology. - 1995, - P. 9-11, - fig. 2-3. 8. Педченко Л.О. Обґрунтування способу утворення льодогазогідратних блоків із метою транспортування та зберігання гідратоутворюючого газу / Л.О. Педченко, М.М. Педченко // Науковий вісник національного гірничого університету. - 2012. - № 1 (127). - С. 28-34. 9. Макогон Ю.Ф. Природные гидраты: открытие и перспективы / Ю.Ф. Макогон // Газовая промышленность. - 2001. - № 5. - С. 10-16. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 45 Спосіб видобування і транспортування природного газу газових і газогідратних морських родовищ, що включає вилучення з покладу газу в результаті його розкриття свердловиною, зв'язування видобутого газу в газогідрат і транспортування газогідрату на рухомому транспортному засобі, який відрізняється тим, що на видобувну платформу надходить суміш води і газогідрату або суміш води, газогідрату і газу з максимально можливим умістом газогідрату, яка при розробці газогідратного покладу утворюється в процесі впливу на нього, результатом якого є переведення гідратовмісної породи і/або газогідрату в рухомий стан без дисоціації газогідрату, а при розробці газового покладу - зв'язування максимальної кількості видобутого зі свердловини газу в склад газогідрату до надходження на видобувну платформу в процесі його контактування з пластовою чи морською водою та утилізації теплоти гідратоутворення в результаті теплообміну з морською водою на ділянці трубопроводу з оребренням, створення в обох випадках у трубопроводі умов для підйому суміші газліфтним способом, фазове розділення суміші води, вільного газу і газогідрату, скидання води в море, плавлення частини газогідрату в обмеженому об'ємі для отримання газу високого тиску, компримування газу в струминному апараті за рахунок енергії газу високого тиску, концентрування газогідрату шляхом переведення залишку води в склад газогідрату в процесі його охолодження і контактування з компримованим газом, при цьому залишкова вологість газогідрату після сепарації узгоджується з кількістю вільного газу, який необхідно перевести в гідратну форму, заморожування підготовленої газогідратної маси, формування газогідрату в блоки великого розміру, транспортування газогідратних блоків за атмосферного тиску без додаткового охолодження, зберігання газогідратних блоків у гідратосховищах за атмосферного тиску та температури не вище ніж 278 К, плавлення газогідрату з метою отримання газу і прісної структурованої води за рахунок низькопотенційної енергії альтернативних джерел. 4 UA 92206 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5