ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ В ОТКРЫТОМ МОРЕ
TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR DEVELOPMENT OF GASEOUS-HYDRATE DEPOSITS IN OPEN SEA

Изобретение относится к системам добычи в открытом море природного газа, выделяющегося из поровой структуры донных осадков, содержащих газогидраты, в том числе и в виде газовых факелов.
Известно, что добыча газогидратов из мощных пластов в осадочном чехле связана с дорогостоящими техническими средствами и сложным оборудованием, обеспечивающими технологию глубоководного бурения морского дна (патенты РФ №№2026964, 2066367. Е21В 43/00).
В то же время найдены и исследованы более мелководные районы, где существуют залежи газогидратов, расположенных в придонной области в виде пластов, линз и порозаполняющих образований. Эти залежи характеризуются нестабильным состоянием газогидратов, обусловленным преимущественно колебаниями температуры или гидростатического давления, следствием чего является их переход в газообразную фазу с газовыделением на больших участках дна. Свободно всплывающий газ возможно собирать на больших площадях вблизи морского дна, в том числе, и на производительных газовых факелах (Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. - Санкт - Петербург: ВНИИОкеангеология, 1998. 216 с., Zhang Y. Methane escape from gas hydrate systems in marine environment, and methane-driven oceanic eruptions // Geophysical research letters. 2003. V.30. N.7. Р.511-514).
Известен ряд систем для сбора свободно всплывающего газа, которые включают газосборник, выполненный, как правило, в виде куполообразного гибкого полотна или жесткой пространственной конструкции, установленной на дне в месте свободного выхода газа и снабженной трубопроводом для передачи газа на поверхность (п. США №№6192691, 6299256, Е21В 43/00).
Известно устройство для сбора пузырьков газа, выделяющегося из газогидратного пласта, включающее выполненное в виде установленного на центральной колонне над газовыделяющим участком воронкообразного экрана (в.з. JP №2001280055 А, Е21С 50/00; Е21В 43/00). Через форсунки центральной трубы под высоким давлением в слой вводится теплая морская вода и шлам. Одновременно шлам и морская вода, обогащенная газгидратом, засасывается через отсосный короб в отстойник на платформе для отделения газа, который временно направляют в контейнер, выполненный в виде надуваемого шара (баллона). При необходимости газ сжижают и хранят в емкостях.
Недостатком данных устройств является то, что транспортировка газа из подкупольного пространства газосборника осуществляется по трубопроводу, в котором в условиях термодинамической нестабильности всплывающего газа возможен обратный процесс перехода его в гидратное состояние (твердая фаза) и закупорка каналов отвода газа, что требует дополнительной чистки или введения средств предотвращающих повторное образование гидратов в трубопроводе. Этот процесс известен по эксплуатации наземных газопроводов. Кроме того, принцип эрлифта, осуществляемый с больших глубин, является малоэффективным, а эффект обратного гидратообразования может быть снижен только при увеличении температуры среды под куполом газосборника, что ведет к дополнительным энергозатратам.
Известно устройство для сбора выделенного из залежи газа в виде твердого газогидрата, которое представляет собой коллектор, оборудованный разъемным якорем для установки на дно. Коллектор содержит внутреннюю камеру, имеющую вход, через который по трубопроводу поступает газ из источника, находящегося на дне, и выход для отбора газа при поднятии коллектора на поверхность. Коллектор снабжен множеством трубок, проходящих через камеру и образующих теплообменник, через который прокачивают охладитель, что обеспечивает перевод поступающего газа в твердое состояние. Коллектор также оборудован приспособлением для присоединения внешнего механизма, обеспечивающего его подъем на поверхность после заполнения. Полнота заполнения устройства контролируется установлением в камере индикатора уровня (в.з. US №2007145810, E02F 7/00).
Однако эффективность и производительность данного устройства значительно снижена из-за использования трубопровода для поступления газа в коллектор и необходимости внешнего подъемного механизма.
Наиболее близким к заявляемому комплексу является комплекс для разработки газогидратных залежей, использующий в качестве источника газа донные фонтаны над газовыделяющими участками дна (п. РФ №2078199, Е21В 43/01). Комплекс включает устанавливаемый на поверхности газовыделяющего участка конусообразный или куполообразный газосборник, снабженный в верхней части трубопроводом и коллектором, выполненным в виде газгольдера, при этом коллектор выполняет функции и системы сбора газа и системы его хранения до момента транспортировки. Газгольдер установлен на газосборнике либо стационарно, либо выполнен с возможностью его отделения от газосборника и всплытия. Комплекс может быть снабжен компрессором перевода поступающего в газгольдер газа в жидкое состояние. Для удобства поиска и погрузки собранного газа газосборник снабжен буем-плотом, оборудованным лебедкой-вьюшкой для гибких коммуникаций, связывающих его с газосборником и контрольно-измерительной и радиопередающей аппаратурой.
Существенным недостатком данного комплекса является то, что он не учитывает существующий эффект обратного процесса перехода газа в газогидратное (твердое) состояние в условиях его термодинамической нестабильности при контакте с охлажденными морской водой поверхностями конструкций, что может существенно снизить производительность систем передачи газа по трубопроводам и наполнения газгольдеров, кроме того, эффективность работы комплекса снижается ввиду необходимости замены газгольдеров.
Задача изобретения состоит в разработке нового перспективного технологического комплекса для разработки газогидратных залежей, находящихся на морском дне, обладающего высокой эффективностью, простого в конструктивном решении и обслуживании, обеспечивающего безопасность добычи и транспортировки газа к поверхности.
Поставленная задача решается технологическим комплексом для разработки залежей газогидратов в открытом море, состоящим из конусообразного или куполообразного газосборника, снабженного в верхней части жесткой горловиной, коллектора газогидрата в виде открытой снизу емкости с установленными внутри нее пластинами-ловителями и полой осью, через которую пропущен направляющий буйреп с установленными на нем верхним и нижним ограничителями движения коллектора, притопленной плавучестью, снабженной стыковочной камерой, соединенной гибким трубопроводом с системой хранения газа, при этом горловина газосборника оборудована распорными элементами для обеспечения ее соосности с буйрепом, нижняя часть стыковочной камеры снабжена обтюратором и захватами и имеет конфигурацию, аналогичную верхней части коллектора, нижняя часть которого выполнена в виде центрирующего конуса для посадки на горловину газосборника, а верхняя содержит подпружиненные клапаны, открывающиеся при механическом контакте коллектора с верхним стопором-демпфером.
Система для хранения газа может быть любой, подходящей для этой цели, например, выполнена в виде заякоренного газгольдера-буя, или в виде платформы, на которой установлен компрессор и газгольдер, при этом газгольдер может находиться как на поверхности, так и в притопленном положении.
Для повышения эффективности работы комплекса газосборник может быть оборудован средствами активизации процесса разложения газогидратной залежи, например, вибратором, конструктивно объединенным с якорным устройством, механического ворошителем грунта или другими.
Комплекс может быть оборудован также компрессором, установленным перед системой хранения газа, что позволит хранить газ в жидком состоянии.
На чертеже схематично изображен один из возможных вариантов реализации предлагаемого комплекса, где а) - комплекс в стадии заполнения коллектора, б) - комплекс в стадии стыковки коллектора с притопленной плавучестью, где 1 - якорь, 2 - газосборник, 3 - горловина газосборника, 4 - направляющий буйреп, 5 - притопленная плавучесть, 6 - коллектор газогидрата, 7 - полая ось коллектора, 8 - пластины-ловители, 9 - газогидрат, 10 - клапаны, 11 - ограничители движения коллектора по буйрепу, 12 - стыковочная камера, 13 - трубопровод, 14 - система хранения газа в виде заякоренного газгольдера, 15 - захваты.
Коллектор 6 газогидратов удерживается в вертикальном положении пропущенным сквозь его полую ось 7 буйрепом 4 и в крайнем нижнем положении опирается полой осью на нижний ограничитель 11, образуя замкнутую полость над горловиной 3 газосборника 2. Коллектор 6 открыт снизу, заполнен водой и имеет внутри своего объема ловители 8 в виде пластин, обладающих высокой теплопроводностью. В головной части коллектора 6 имеются подпружиненные рычажные клапаны 10, которые открываются при упоре в верхний ограничитель 11 в верхнем положении коллектора 6 газогидратов и закрываются после отстыковки коллектора от притопленной плавучести 5.
Головная часть коллектора 6 и нижняя часть стыковочной камеры 12 имеют идентичную конфигурацию, что облегчает центрирование их при стыковке. На торце нижней части камеры 12 имеется обтюратор (на фиг. не показан) для предотвращения утечки газа из камеры 12 при открытых клапанах 10 в головной части коллектора 6. Для посадки коллектора 6 на горловину 3 газосборника 2 нижняя часть коллектора 6 выполнена в виде центрирующего конуса. Для обеспечения соосности горловины 3 и буйрепа 4 горловина оборудована распорными элементами (на фиг. не показаны).
Комплекс работает следующим образом. Выделяющийся из морских осадков и всплывающий газ через горловину 3 газосборника 2 попадает в полость коллектора 6, где, ввиду охлаждения влажного газа всплывающих пузырьков при контакте с системой ловителей 8, имеющих низкую температуру, равную температуре придонных слоев воды, а также из-за некоторого избыточного давления внутри коллектора 6, которое возникает в процессе вытеснения воды из его полости, газ переходит в гидратное (твердое) состояние. Кристаллизованный газогидрат 9, обладая положительной плавучестью, накапливается в полости коллектора 6, постепенно заполняя ее и вытесняя воду через открытую снизу горловину 3 коллектора. Коллектор 6 в процессе заполнения газогидратом 8 постепенно приобретает положительную плавучесть и всплывает по буйрепу, стыкуясь с камерой 12 притопленной плавучести 5. При упоре рычагов клапанов 9 в верхний ограничитель 11 клапаны 10 открываются, обеспечивая выход газообразной фракции из полости коллектора 6 в полость стыковочной камеры 12. Плавучесть 5 устанавливают на глубине порядка 50-150 м, где статическое давление существенно ниже давления в придонной области, что и вызывает интенсивный процесс перехода газогидрата, содержащегося в коллекторе, в газообразную фазу. Образующийся из гидрата газ поступает по гибкому трубопроводу 13 в систему хранения газа, например, в заякоренный газгольдер 14. При необходимости система может быть снабжена компрессором (на схеме не показан), что позволит хранить газ в сжиженном состоянии до его извлечения обеспечивающими сбор газа плавсредствами. В процессе высвобождения газа из коллектора 6 он постепенно заполняется снизу водой, общая положительная плавучесть коллектора уменьшается и поэтому до полного удаления газа и заполнения водой коллектор 6 удерживается захватами 15. Захваты 15 обеспечивают удерживание коллектора до полного освобождения от газогидрата и последующую отстыковку от плавучести. Они могут быть выполнены, например, в виде электромеханических устройств, срабатывающих от датчика на верхнем ограничителе 11 (захват коллектора) и датчика заполнения водой стыковочной камеры (освобождение коллектора), а их электропитание и управление возможно по кабелю от обычно располагаемых на заякоренных плавучестях устройствах сигнализации и местоуказания. После освобождения от захватов 15 и отсоединения от притопленной плавучести 5 коллектор 6 под действием собственного веса скользит по буйрепу 4 вниз и вновь занимает место над горловиной газосборника 2 вследствие упора полой оси 7 коллектора в нижний ограничитель 11. Процесс повторяется периодически в зависимости от производительности добычной площадки. Система хранения газа может быть расположена над притопленной плавучестью 5 на общем буйрепе или, как показано на фиг.б), заякорено на отдельном буйрепе что позволяет повысить безопасность технологического процесса и сделать средство общим для нескольких технологических комплексов.
На одну систему хранения газа могут быть заведены несколько гибких трубопроводов от установленных вблизи него технологических комплексов, что значительно повысит общую производительность добычного участка и снизит стоимость комплекса. Следует отметить, что сбор газа предложенным комплексом, не нарушая придонной фауны, сокращает количество парникового газа, растворяемого в воде и переходящего в атмосферу, что в определенной мере служит улучшению экологической обстановки.
Предлагаемый комплекс при сравнении с прототипом позволяет автоматизировать процесс сбора газа без установки трубопроводов большого заглубления и не применять систему подключения и смены всплывающих газгольдеров, упростив технологию добычи и обеспечив безопасную транспортировку газа к поверхности.
Комплекс содержит недорогие и достаточно простые конструктивные элементы, может быть изготовлен обычными технологиями машиностроительного или судостроительного производства. Газосборник, оболочка коллектора, притопленная плавучесть и гибкий трубопровод могут быть выполнены из армированного пластика, что обеспечит малый вес и достаточную прочность конструкции. Гибкий трубопровод может иметь коленчатую конструкцию из жестких труб с приданием ей близкой к нейтральной плавучести. Длина трубопровода определяется величиной максимального расхождения соединяемых плавучестей при данной длине буйрепа и может составлять при радиальном соединении нескольких добычных устройств на одну центральную общую систему сбора газа величину порядка 200-300 м, что технически реализуемо.
Известно, что площади отдельных областей газогидратов в придонном слое осадков могут составлять квадратные километры, поперечные размеры одиночных глубоководных газовых факелов - десятки квадратных метров, поэтому вполне осуществимо наведение купола на участок добычи и его установка над участком с помощью существующих технических средств.