УЗЕЛ И СПОСОБ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
ASSEMBLY AND METHOD OF GASEOUS HYDROCARBONS PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в общем, относится к разведке подводных месторождений углеводородов и более конкретно к узлу и способу подводной добычи газообразных углеводородов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В процессе выполнения известных операций подводного бурения газообразные углеводороды иногда выделяются из формации в атмосферу. Одним из примеров таких углеводородов является газообразный метан, содержащийся в поддонных формациях в виде гидрата метана, представляющего собой кристаллизованные отложения метана, которые, в основном, в огромном количестве находятся на небольших глубинах под океанским дном. Кроме того, кристаллизованный метан может служить в качестве покрышки еще более крупных месторождений газообразного метана.
Добыча гидрата метана представляет собой сложный процесс, поскольку гидрат метана не имеет свойств текучести в условиях подземной формации, так как существует только в твердой форме. Кроме того, гидрат метана может улетучиваться в случае реализации явления, которое называется «сублимацией». Сублимация - это процесс, в результате которого при изменении температуры или давления соединение непосредственно переходит из твердой фазы в газовую фазу, минуя промежуточную жидкую фазу. В связи с этим при нарушении хрупкого равновесия давления или температуры внутри скважины гидрат метана сублимирует, просачивается через подземные формации и морскую воду, а затем выделяется в атмосферу, где может только способствовать усугублению спорной проблемы парниковых газов. Таким образом, традиционный способ добычи углеводородов, предусматривающий бурение скважин в формациях, содержащих углеводороды, обеспечение прохождения углеводородов в скважину и подачу на поверхность, не может быть реализован.
Учитывая указанное выше, очевидно, что в данной области техники существует потребность в экономически эффективном способе подводной добычи газообразных углеводородов, обеспечивающем предотвращение выделения в атмосферу вредных газов при одновременном осуществлении сбора ценных углеводородов для последующего использования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 иллюстрирует узел, предназначенный для подводной добычи газообразных углеводородов в соответствии с некоторыми типовыми вариантами реализации настоящего изобретения.
Фиг. 2А иллюстрирует вид сверху морского дна, на котором представлен типовой вариант реализации настоящего изобретения.
Фиг. 2В иллюстрирует вид в разрезе узла, в котором используется множество буровых устройств, в соответствии с некоторыми типовыми вариантами реализации настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее представлены иллюстративные варианты реализации и соответствующие способы осуществления настоящего изобретения, которые могут использоваться в узле и способе подводной добычи газообразных углеводородов. С целью повышения ясности изложения в настоящем описании представлены не все признаки фактической реализации изобретения или способа. Кроме того, описанные в настоящем документе «типовые» варианты реализации изобретения касаются примеров осуществления настоящего изобретения. Очевидно, что в процессе разработки всех указанных фактических вариантов реализации изобретения с целью достижения конкретных целей разработчику приходится принимать множество обусловленных конкретной реализацией решений, например, касающихся обеспечения соответствия ограничениям, связанным с конкретной системой и применением, которые являются различными для различных применений. Кроме того, очевидно, что такая разработка может быть сложным и длительным процессом, однако, тем не менее, будет обычной процедурой для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения. Дополнительные аспекты и преимущества различных вариантов реализации и способов осуществления настоящего изобретения будут очевидными после рассмотрения представленного далее описания и графических материалов.
Фиг. 1 иллюстрирует узел 10, используемый для подводной добычи газообразных углеводородов, в соответствии с некоторыми типовыми вариантами реализации настоящего изобретения. Узел 10 содержит буровое устройство 12, размещенное в забое скважины 14, пробуренной в пласте 15, содержащем углеводороды. Буровое устройство 12 представляет собой автономное самоходное буровое устройство, такое как, например, самоходная буровая система Badger Explorer. Однако для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением могут применяться различные другие самоходные буровые устройства.
Буровое устройство 12 содержит долото 20 и связанный с ним двигатель (не показан), предназначенный для передачи мощности к долоту 20 во время бурения. Хотя это не показано, в некоторых типовых вариантах реализации изобретения буровое устройство 12 может дополнительно содержать второе долото, размещенное на торце бурового устройства, противоположном долоту 20. В таких вариантах реализации изобретения второе долото используется для бурения с целью извлечения бурового устройства 12 из скважины 14, в результате чего обеспечивается возможность бурения буровым устройством 12 в прямом и обратном направлениях в скважине 14. Один или более датчиков 22 и связанные с ними схемы регистрации расположены на буровом устройстве 12 и используются для определения наличия отложений углеводородов (например, гидрата метана) в формации 15, содержащей углеводороды. Для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что в качестве датчиков 22 могут использоваться различные датчики, осуществляющие измерение различными способами. Указанные датчики могут представлять собой акустические (звуковые или ультразвуковые), диэлектрические, резистивные, радиоизотопные или другие подобные датчики. Для специалистов в данной области техники очевидно, что в вариантах реализации изобретения, предусматривающих использование акустических устройств, акустические импульсы могут подаваться, например, с частотой 2-40 кГц.
4
Кроме того, буровое устройство 12 содержит механизм 24 сублимации, обеспечивающий сублимацию отложений углеводородов, находящихся в формации 15, содержащей углеводороды. Для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что сублимация приводит к выделению газообразных углеводородов 26 из формации 15, содержащей углеводороды, и далее с морского дна (или морского ложа). Типовые отложения углеводородов охватывают, например, гидрат метана (CH). Как указано ниже, посредством использования механизма 24 сублимации буровое устройство 12 обеспечивает сублимацию кристаллизованных отложений гидрата, находящегося в зоне 25 сублимации формации 15, содержащей углеводороды, из кристаллической или ледяной фазы непосредственно в газовую фазу 26, в результате чего газ 26 проходит через формацию 15, содержащую углеводороды, и морское дно.
В некоторых вариантах реализации изобретения типовые механизмы сублимации могут охватывать, например, один или более механизмов вибрационной активации, механизмов акустической импульсной/ударной активации или механизмов температурной активации сублимации. В некоторых вариантах реализации изобретения механизм акустической импульсной/ударной активации может генерировать импульсы частотой 50-400 Гц. Механизм вибрационной активации может быть представлен в различных формах, включая, например, самонастраивающийся вибратор со смещенным центром масс, размещенный в буровом устройстве 12. Другие варианты реализации изобретения охватывают, например, пьезоэлектрические устройства, ударники с электрическим или гидравлическим приводом и т.д. Механизм температурной активации может представлять собой, например, электромагнитное устройство, построенное на основе технологии, такой как технология, используемая в системах передачи диапазона сверхвысоких частот. Кроме того, для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что размер зоны 25 сублимации (области, в которой механизм 24 сублимации активирует сублимацию) зависит от мощности механизма 24 сублимации. Таким образом, при подаче или воздействии ударной волны, вибрации или изменения температуры отложений углеводородов гидраты в пределах зоны 25 сублимации непосредственно сублимируют с получением газообразных углеводородов 26, которые проходят через формацию 15, содержащую углеводороды, к морскому дну.
Кабель 16а подключен к буровому устройству 12 и проходит к распределительному блоку 18. Второй кабель 16b проходит от распределительного блока 18 к надводному судну 36, в результате чего в некоторых вариантах реализации изобретения может быть осуществлено дистанционное управление буровым устройством 12. Для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что надводным судном 36 может быть соответствующее наливное судно, такое как, например, баржа, другое плавучее сооружение, танкер или плавучее нефтегазодобычное судно. Распределительный блок 18 выполняет функции обработки и содержит соответствующие схемы, требуемые для анализа данных, хранения и двустороннего обмена данными между буровым устройством 12 и надводным судном 36. В некоторых вариантах реализации изобретения кабель 16а обеспечивает передачу электроэнергии и данных, требуемых для эксплуатации бурового устройства 12, а кабель 16b обеспечивает двусторонний обмен данными с надводным судном 36. Однако в других типовых вариантах реализации изобретения буровое устройство 12 может содержать один или более встроенных систем питания, процессоров, схем обмена данными или соответствующих схем, требуемых для автономного функционирования распределительного блока 18. Указанные выше и другие конфигурации бурового устройства 12 являются очевидными для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения.
Как представлено в типовом варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, скважина 14 проходит от места 28 заложения скважины на морском дне в направлении вниз в формацию 15, содержащую углеводороды. Над местом 28 заложения скважины на морском дне и частью морского дна в пределах зоны 25 сублимации для сбора газообразных углеводородов 26, выделяющихся через формацию 15, содержащую углеводороды, к морскому дну, установлен купол 30. Купол 30 выходит на определенное расстояние за пределы наружного диаметра места 28 заложения скважины на морском дне и зоны 25 сублимации с целью снижения вероятности выделения газообразных углеводородов 28 за пределами купола 30. В некоторых типовых вариантах реализации изобретения купол 30 выходит за пределы места заложения скважины на морском дне на расстояние 100 футов или более. Кроме того, купол 30 прикреплен к морскому дну костылем 32 или другим средством крепления. В некоторых примерах осуществления изобретения купол 30 содержит края, на которые укладывают достаточную массу с целью крепления купола 30 на морском дне. Для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что существуют различные способы крепления купола над местом 28 заложения скважины на морском дне.
Фиг. 2А иллюстрирует вид сверху морского дна, под которым размещена формация 15, содержащая углеводороды. В некоторых типовых вариантах реализации изобретения множество буровых устройств 12 одновременно пробуривают множество скважин 14a-14i. На указанной фигуре также представлены соответствующие места 28 заложения скважин на морском дне для каждой из скважин 14a-14i. Однако в других вариантах реализации изобретения может осуществляться последовательное бурение скважин 14a-14i одним буровым устройством 12. Как указано ранее, купол 30 выходит за пределы участка, на котором размещены скважины 14а-14l и соответствующие зоны 25 сублимации, на расстояние, достаточное для предотвращения и (или) уменьшения вероятности выделения газообразных углеводородов 26 за пределами купола 30 (например, на 100 футов или более). Участок, на котором размещены скважины 14a-14i, может иметь различную форму, в том числе, например, круговую, звездообразную или прямоугольную форму. Фиг. 2В также иллюстрирует рассмотренную концепцию, указывая вариант одновременного бурения скважин 14a-14d буровыми устройствами 12a-12d.
Как проиллюстрировано на фиг. 1, в верхней части купола 30 проложен канал 34, проходящий вверх к надводному судну 36. В некоторых вариантах реализации изобретения канал 34 соединен с насосом 38 с целью создания разрежения под куполом 30 и соответственно фактически осуществления отсоса газообразных углеводородов 26 из формации 15, содержащей углеводороды. Кроме того, насос 38 можно использовать для повышения или снижения давления под куполом 30 с целью регулирования или содействия процессу сублимации и выделения газообразных углеводородов 26. Для удаления паров воды из собранных газообразных углеводородов 26 на надводном судне 36 может быть проложен механизм осушки (не показан). Кроме того, для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего изобретения, очевидно, что на надводном судне 36 может быть также установлено оборудование компримирования и хранения газа.
Далее со ссылкой на фиг. 1-2В представлено описание примеров функционирования вариантов реализации настоящего изобретения. Надводное судно 36 размещено над целевым участком морского дна, причем множество буровых устройств 12 и соответствующих распределительных блоков 18 размещаются на морском дне, например, посредством опускания устройств с судна, с баржи при помощи кранов или с использованием телеуправляемых подводных аппаратов (ТПА). После размещения буровых устройств 12 на морском дне над участком, на котором планируется выполнить бурение множества скважин 14, устанавливается и закрепляется купол 30. После этого буровые устройства 12 начинают бурение множества скважин 14 на соответствующих местах 28 заложения скважин на морском дне.
По мере продвижения буровых устройств 12 в формацию 15, содержащую углеводороды, соответствующие датчики 22 буровых устройств обнаруживают наличие пласта углеводородов вблизи буровых устройств 12. В некоторых вариантах реализации изобретения буровые устройства 12 продолжают бурение до достижения подошвы пласта углеводородов. Соответственно, после обнаружения пласта углеводородов встроенные схемы обработки буровых устройств 12 обеспечивают включение механизма 24 сублимации, в результате чего осуществляется требуемый процесс сублимации. Например, в вариантах реализации изобретения, предусматривающих использование механизма акустической активации сублимации, одна или более акустических волн подаются механизмом 24 сублимации в окружающую формацию, содержащую кристаллизованные гидраты. В вариантах реализации изобретения, предусматривающих использование механизмов температурной активации, механизм 24 сублимации осуществляет нагрев окружающей формации до температуры, достаточной для сублимации кристаллизованных гидратов. В вариантах реализации изобретения, предусматривающих использование механизма вибрационной активации, механизм 24 сублимации генерирует вибрацию, достаточную для сублимации окружающего пласта кристаллизованных гидратов в пределах зоны 25 сублимации. Соответственно, в ответ на колебания, генерированные механизмом 24 сублимации, происходит сублимация кристаллизованных гидратов с получением газообразных углеводородов 26, которые далее выделяются вверх через формацию 15, содержащую углеводороды.
После улавливания куполом 30 выделившиеся газообразные углеводороды 26 подаются по каналу 34 на надводное судно 36. Далее полученные газообразные углеводороды 26 могут быть собраны в соответствующий сосуд, размещенный на надводном судне 36. Как указано ранее, полученным газообразным углеводородом 26 может быть, например, газообразный метан. В некоторых вариантах реализации изобретения для изменения давления под куполом 30 с целью содействия выделению или ускорения выделения газообразных углеводородов 26 из скважин 14 может использоваться насос 38.
Кроме того, в некоторых типовых вариантах реализации изобретения для осушки собранных газообразных углеводородов 26 используется механизм осушки. Далее, после истощения скважины 14 буровые устройства 12 могут осуществлять бурение в обратном направлении для извлечения буровых устройств из скважин 14, как указывалось ранее. Однако в других вариантах реализации изобретения буровые устройства 12 могут просто оставаться в соответствующих скважинах 14. Кроме того, в вариантах реализации изобретения, предусматривающих использование одного бурового устройства 12 для бурения множества скважин 14, после бурения первой скважины 14 буровое устройство 12 извлекается из скважины 14 и начинается бурение второй скважины 14, где указанный процесс повторяется.
Таким образом, в типовых вариантах реализации настоящего изобретения, описанных в настоящем документе, обеспечивается применение систем и способов экономически эффективной подводной добычи гидратов углеводородов. В связи с этим достигается реализация ряда преимуществ. Например, использование буровых устройств 12 как для бурения скважин 14, так и осуществления сублимации кристаллизованных гидратов, позволяет экономить время. Кроме того, при использовании настоящего изобретения не требуется выполнять дорогостоящий процесс заканчивания скважины 14, а необходимо только осуществить бурение скважины 14. Далее, буровые устройства 12 могут оставаться в скважине 14, в результате чего достигается дополнительная экономия времени, затрачиваемого на извлечение буровых устройств. Наконец, настоящее изобретение обеспечивает реализацию экономически эффективного решения, касающегося крупномасштабной добычи гидрата метана.
С учетом указанного выше, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ подводной добычи газообразных углеводородов, включающий доставку с определенного положения на поверхности моря по меньшей мере одного автономного самоходного бурового устройства на морское дно; бурение с морского дна множества скважин в формации, содержащей углеводороды, с использованием по меньшей мере одного автономного самоходного бурового устройства, причем каждая скважина имеет соответствующее место заложения скважины на морском дне; установку купола над местами заложения множества скважин на морском дне; определение наличия отложений углеводородов вблизи автономных самоходных буровых устройств при помощи датчиков, установленных по меньшей мере на одном автономном самоходном буровом устройстве; осуществление сублимации отложений углеводородов с использованием механизма сублимации, установленного по меньшей мере на одном автономном самоходном буровом устройстве, в результате чего газообразные углеводороды выделяются из формации, содержащей углеводороды; и сбор выделившихся газообразных углеводородов куполом. В соответствии с другим способом сбор выделившихся газообразных углеводородов дополнительно включает размещение канала между куполом и указанным местоположением на поверхности моря; и передачу выделившихся газообразных углеводородов из купола в указанное местоположение на поверхности моря при помощи указанного канала.
Еще один способ дополнительно включает сбор выделившихся газообразных углеводородов на судне для сбора углеводородов, размещенном в указанном положении на поверхности моря. В соответствии с другим способом сбор выделившихся газообразных углеводородов дополнительно включает сбор выделившегося газообразного метана. В соответствии с еще одним способом места заложения скважин на морском дне образуют определенную конфигурацию на морском дне, причем установка купола над местами заложения скважин на морском дне дополнительно включает размещение купола, простирающегося также над областью морского дна за пределами указанной конфигурации. В соответствии с другим способом осуществление сублимации отложений углеводородов дополнительно включает по меньшей мере одну операцию из следующих операций: подача ударных волн в формацию, содержащую углеводороды; генерирование вибрации в формации, содержащей углеводороды; и изменение температуры формации, содержащей углеводороды. В соответствии с еще одним вариантом указанный способ включает изменение давления под куполом с целью содействия выделению газообразных углеводородов из формации, содержащей углеводороды. Другой способ дополнительно включает извлечение из скважин посредством бурения по меньшей мере одного автономного самоходного бурового устройства. В соответствии с еще одним способом сбор выделившихся газообразных углеводородов куполом дополнительно включает осушку выделившихся газообразных углеводородов.
В типовом варианте реализации настоящего изобретения предлагается узел для подводной добычи газообразных углеводородов, содержащий автономное самоходное буровое устройство, предназначенное для бурения скважины от места заложения скважины на морском дне к формации, содержащей углеводороды; купол, установленный над местом заложения скважины; датчик, установленный на автономном самоходном буровом устройстве и предназначенный для определения наличия отложений углеводородов в формации, содержащей углеводороды; и механизм сублимации, установленный на автономном самоходном буровом устройстве и предназначенный для осуществления сублимации отложений углеводородов, в результате чего газообразные углеводороды выделяются из формации, содержащей углеводороды, причем выделившиеся газообразные углеводороды улавливаются куполом. В другом варианте реализации изобретения механизм сублимации представляет собой по меньшей мере один из механизмов, таких как механизм вибрационной активации, механизм ударной активации и механизм температурной активации сублимации. В другом варианте реализации изобретения указанный узел дополнительно содержит канал, проложенный между куполом и надводным судном.
В еще одном типовом варианте реализации настоящего изобретения указанный узел содержит насос, соединенный с указанным каналом и предназначенный для изменения давления под куполом. В другом варианте реализации настоящего изобретения автономное самоходное буровое устройство дополнительно содержит механизм обратного бурения, предназначенный для извлечения автономного самоходного бурового устройства из скважины. В еще одном варианте реализации изобретения указанный узел содержит механизм, предназначенный для осушки выделившихся газообразных углеводородов.
В соответствии с еще одним типовым вариантом реализации настоящего изобретения предлагается способ подводной добычи газообразных углеводородов, включающий доставку автономного самоходного бурового устройства на морское дно; бурение скважины в формации, содержащей углеводороды, с использованием автономного самоходного бурового устройства; установку купола над скважиной; размещение самоходного бурового устройства вблизи отложений углеводородов, обнаруженных в формации, содержащей углеводороды; осуществление сублимации отложений углеводородов, в результате чего происходит выделение газообразных углеводородов; и сбор выделившихся газообразных углеводородов куполом. Другой способ дополнительно включает размещение канала между куполом и определенным местоположением на поверхности моря и передачу выделившихся газообразных углеводородов из купола в указанное местоположение на поверхности моря при помощи указанного канала.
В соответствии с еще одним способом осуществление сублимации отложений углеводородов обеспечивается посредством выполнения автономным самоходным буровым устройством по меньшей мере одной из указанных операций: подача ударных волн в формацию, содержащую углеводороды; генерирование вибрации в формации, содержащей углеводороды; и изменение температуры формации, содержащей углеводороды. Другой способ дополнительно включает изменение давления под куполом с целью содействия выделению газообразных углеводородов из формации, содержащей углеводороды. Еще один способ дополнительно включает обратное бурение для извлечения автономных самоходных буровых устройств из скважин.
В представленном выше описании числовые и (или) буквенные обозначения могут повторяться в различных примерах. Такое повторение используется для упрощения и ясности изложения и само по себе не указывает на наличие взаимосвязи между различными вариантами реализации изобретения и (или) рассмотренными конфигурациями. Далее, слова, касающиеся пространственного расположения, такие как «под», «ниже», «нижний», «над», «верхний» и аналогичные слова, используются в настоящем документе для упрощения описания взаимного расположения одного элемента или признака относительно другого элемента (элементов) или признака (признаков), иллюстрируемых на чертежах. Слова, касающиеся пространственного расположения, предназначены для указания ориентации устройства в процессе использования или эксплуатации, отличающейся от ориентации, указанной на чертежах. Например, если устройство изображено на чертежах в перевернутом положении, то элементы, которые указывались как расположенные «под» или «ниже» других элементов или признаков, будут расположены «над» другими элементами или признаками. Таким образом, например, слово «ниже» может охватывать оба случая ориентации - выше и ниже. Устройство может иметь другую ориентацию (может быть повернуто на 90° или на другой угол), а указатели пространственного расположения, используемые в настоящем документе, могут интерпретироваться аналогичным образом.
Хотя были указаны и описаны различные варианты и способы осуществления изобретения, для специалистов в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается представленными вариантами и способами, а охватывает все модификации и изменения. Соответственно, очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными описанными вариантами. Напротив, настоящее изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения, определяемых приложенной формулой изобретения.