СПОСОБ ДОБЫЧИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ИЗ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF NATURAL GAS FROM GAS-HYDRATE POOLS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Настоящее изобретение относится к газовой отрасли горнодобывающей промышленности и может быть использовано для добычи газа из месторождений газовых гидратов (газогидратов), залегающих под морским дном или на суше под покровной толщей вышележащих отложений горных пород.
При значительных объемах открытых к настоящему времени газогидратных месторождений началу промышленной добычи природного газа из газовых гидратов препятствуют отсутствие экономичного способа - технологии добычи газа из газогидратных месторождений и отсутствие положительного производственного опыта такой добычи. Создавшаяся ситуация свидетельствует об актуальности разработки нового, нетрадиционного способа добычи газа из газогидратных месторождений, залегающих под морским дном или на суше (напр. Dittrick P. New look at gas hydrates. - Oil and Gas Journal, Oct. 23,2006, p.17, Watkins E. Japan exploring methane hydrate. - Oil and Gas Journal, Oct. 16, 2006, p.26).
Известен способ разработки газогидратных залежей сооружением горизонтальной скважины и добычей через нее природного газа путем разложения газовых гидратов теплоносителем - паром, нагнетаемым в газогидратную залежь через одну из вертикальных скважин, соединенных между собой горизонтальным участком, и отбора выделяющегося газа по другой скважине (Патент RU №2180387 от 10.04.2001). Недостатками данного способа являются:
- применение сложных по конструкции вертикально-горизонтальных скважин, стоимость сооружения которых в среднем втрое выше, чем традиционных вертикальных скважин для добычи газа;
- невысокая производительность этого способа, из-за малого объема обрабатываемой залежи, зависящего от ограниченного сечения горизонтальной скважины;
- очень высокие энергозатраты, а отсюда экономические, технические и экологические проблемы при создании требуемых, весьма больших количеств пара, особенно в отдаленных, неосвоенных местах.
Известен также способ термической разработки месторождений твердых углеводородов, предложенный в патенте RU №2231635 от 15.12.2002 г.
Согласно этому изобретению из горизонтального участка вертикально-горизонтальной скважины бурят по кровле газогидратной залежи ряд параллельных нагревательно-газоотводящих горизонтальных стволов. Из расположенного ниже второго горизонтального участка той же скважины бурят другую систему горизонтальных, параллельных, нагревающих стволов, каждый из которых соединен с вышележащим горизонтальным стволом наклонно - вертикальными участками. Подземный насос закачивает воду в горизонтальные стволы, проходящие по залежи термальных вод, в которых вода нагревается и затем она закачивается в первую (верхнюю) систему горизонтальных стволов этой скважины, расположенных в кровле газогидратной залежи. Разлагая нагревом газовые гидраты, вода выдавливает в исходную скважину образующуюся в результате разложения газовых гидратов водогазовую эмульсию - смесь воды с пузырьками газа. Эту водогазовую эмульсию направляют для разделения в заранее созданный, встроенный в скважину подземный сепаратор. Добытый газ поступает на подготовку для транспортировки к потребителю.
Недостатками рассмотренного способа являются:
- крайне высокая сложность конструкции скважины, делающая ее по сумме технических и экономических параметров практически не реализуемой;
- зависимость от наличия в районе разрабатываемой залежи горячих термальных вод;
- трудности управления процессом разложения газогидратов;
- необходимость применения подземного нагнетательного скважинного насоса, устанавливаемого в вертикально - горизонтальной скважине и создания встроенного в скважину подземного сепаратора.
Эти особенности рассматриваемого способа, делают его нетехнологичным и экономически несостоятельным (даже при использовании естественного тепла подземных термальных вод). Кроме того, при этом способе существует зависимость от наличия в районе залежи горячих термальных вод.
Известны также агрегаты для разработки газогидратных залежей по патентам RU №2027002 от 16.05.1991, №2029089 от 20.05.1991, №2029856 от 31.05.1991, которые аналогичны по сути, и отличаются в деталях.
Согласно патенту RU №2027002, газогидратную залежь, залегающую между дном акватории и кровлей подстилающих горных пород, разрабатывают через скважину, пробуренную от поверхности дна до упомянутой кровли. Разработка проходит путем нагрева залежи водой, самотеком поступающей из акватории по специальному патрубку, соединяющему наружную поверхность опускаемой с поверхности воды с плавсредства тройной системы соосных подвесных колонн с центральной колонной в центральную колонну, и далее в забойный снаряд, опущенный вплотную к стенкам скважины в гидратную залежь. Эта вода через систему каналов в снаряде вводится тангенциально в цилиндрическую полость, прилегающую к наружной стенке снаряда, и через нее отдает избыток тепла гидратам, которые разлагаются на газ и воду. За счет разложения гидратов происходит охлаждение приповерхностного слоя под дном акватории, где образуется непроницаемая перемычка, из-под которой газ по системе отверстий в снаряде поступает в межтрубья наружной и промежуточной колонн и газлифтом выдает на поверхность остывшую воду акватории из цилиндрической камеры по межтрубью промежуточной колонны, а образовавшуюся от разложения гидратов воду - по межтрубью наружной колонны.
Рассмотренное техническое решение неработоспособно по следующим причинам:
1) Естественная циркуляция теплоносителя (воды) в предлагаемом устройстве (необходимая для начала процесса) невозможна, поскольку гидраты начнут разлагаться и создавать эффект газлифта только после ее начала, а движущая разность температур воды в центральной колонне и обеих межтрубьях вначале отсутствует;
2) Охлаждение оставшихся гидратов за счет частичного их разложения недостаточно для их проморозки и создания непроницаемой перемычки. Это тем более нереально, поскольку необходимая перемычка удалена от зоны разложения. В то же время, теплопередача от воды в цилиндрической полости по металлу трубы забойного снаряда немедленно приведет к оттаиванию и разложению гидратов на контакте со снарядом и неизбежной потере герметичности этого контакта, по которому выделившийся газ сразу же начнет уходить в воду акватории (по каналу наименьшего гидравлического сопротивления по сравнению с отверстиями в колонне и межтрубьям), замещаясь встречным нисходящим потоком воды из акватории, в результате чего самопроизвольное возникновение газлифта в межтрубьях недостижимо, а добытый газ будет безвозвратно утрачен в толще воды акватории.
3) Даже если допустить работоспособность предлагаемого устройства, эффективность его неприемлемо мала, поскольку гидрат разлагается только за счет теплопроводности гидрата или водоносных пористых грунтов вблизи стенок цилиндрической камеры, тепловой поток которой прогрессивно уменьшается по мере радиального удаления границы разложения гидратов от стенок камеры.
4) Поскольку гидраты в донных отложениях занимают поровое пространство, то образующиеся после разложения гидратов рыхлые грунты немедленно заполнят все каналы и полости забойного снаряда, доступные для поступления их с водой.
5) Предлагаемая конструкция сложна в изготовлении и монтаже и не сочетается с принятой технологией бурения газодобывающих скважин. Погружение в скважину забойного снаряда впритык со стенками скважины без цементажа и стыковку подвесных колонн с плавсредства с установленным в скважине на дне акватории забойным снарядом, (судя по Фиг.1 рассматриваемого патента), надо провести с погрешностью в доли миллиметра, обеспечив при этом абсолютную герметичность стыковочных узлов трех колонн со снарядом. Провести такую операцию на морском дне (на глубине в сотни метров) существующими в настоящее время техническими средствами практически невозможно.
Главным отличием технического решения, изложенного в патенте RU №2029089 по сравнению с патентом RU №2027002 является нагрев обсадной колонны токами Фуко (электромагнитной индукции) с помощью системы постоянных магнитов, закрепленных на внутренней подвесной колонне в забойном снаряде, повороты которой наводят токи в наружной колонне торцами скользящих по ней магнитов, в результате чего колонна нагревается и разлагает гидраты на контакте с нею.
Слабость электрических токов в стальной колонне при таких поворотах очевидно не позволяет достигнуть экономичного и эффективного разложения газогидратов, и это служит дополнительным недостатком устройства при сохранении недостатков технического решения, перечисленных выше.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является агрегат, предложенный в патенте RU №2029856, главное отличие которого от предложенного в патенте RU №2029089 заключается в том, что он усовершенствован путем ликвидации промежуточной подвесной колонны за счет объединения газлифтных потоков обратного потока воды-теплоносителя и воды, образовавшейся в результате разложения гидратов. Однако все недостатки, перечисленные по отношению к патенту RU №2027002, присущи и этому техническому решению по существу, вследствие чего применить его па практике для промышленной добычи газа из газогидратных залежей под дном акватории невозможно.
Таким образом, агрегаты, предложенные в патентах RU №2027002 и RU №2029089, могут быть приняты в качестве аналогов заявляемого изобретения, а агрегат, предложенный в патенте RU №2029856, учитывая, что в описании его работы в динамике фактически описан способ добычи газа тепловым разложением газогидратов, может быть принят в качестве прототипа.
Общим недостатком всех рассмотренных выше аналогов предлагаемого изобретения является использование исключительно термического разложения гидратов путем или внешнего нагрева, или закачек теплоносителя в массив газогидратов. Причем последнее (закачка теплоносителя и прокачка его через газогидратпый массив) на самом деле трудно осуществимо в виду практически полной непроницаемости газовых гидратов в их естественном залегании (как аналогов льда) для воды и газов.
Целью предлагаемого изобретения является создание технологичного, имеющего относительно малые трудозатраты, способа и устройства для добычи газа из газогидратных залежей, находящихся под морском дном или на суше, при максимально возможном приближении к традиционной, классической схеме добычи газа из обычных газовых скважин.
Эти особенности достигаются созданием условий для интенсивного и управляемого разложения залегающих под морским дном или на суше газовых гидратов.
В предлагаемых способе и устройстве на газовые гидраты производится комбинированное воздействие нагревом теплоносителя, а также автоматически возникающим снижением воздействующего на пласт давления (депрессией). При этом достигается возможность управления и интенсификации скорости и объема разложения газовых гидратов.
Предлагаемая схема добычи газа максимально приближена к традиционной, классической схеме добычи газа из обычных газовых скважин.
Поставленная цель достигается тем, что в центре выбранного для разработки приблизительно круглого в плане (при взгляде сверху) блока газогидратной залежи бурят (см. Фиг.1) эксплуатационную скважину (1), по возможности, до подошвы (5) залежи (7). Эту скважину обсаживают на полную глубину обсадной колонной труб, нижний участок которой в интервале высоты газогидратной залежи перфорируют. Снаружи обсадную колонну труб оборудуют в районе подошвы залежи гидрогеологическим противопесочным фильтром Ф (показан на Фиг.1 пунктиром).
В обсадную колонну скважины (1) опускают до подошвы залежи подвесную теплоизолированную колонну труб (2), оборудованную в месте внедрения в залежь (на «забое») герметизирующей межтрубье обсадной и подвесной колонн заглушкой-«пакером» (3).
Трубопровод (16), отводящий газоводяную смесь из «устья» скважины (верхней, выходной части межтрубья обсадной и подвесной колонн) выводят в напорный сепаратор «газ-вода» высокого давления (13). В процессе добычи газа в этом напорном сепараторе (13) поддерживается избыточное давление, достаточное для поступления самотеком к «забою» отделяемой в сепараторе воды по трубопроводам (12), (17).
Через газопламенный теплообменник-нагреватель воды (18) по подвесной колонне (2) эта вода (показана на Фиг.1 стрелками (4)), нагретая до температуры, превышающей естественную температуру разложения газовых гидратов, поступает в район подошвы (5) газогидратной залежи (7) и нагревом гидратов на подошве залежи и вдоль обсадной колонны разлагает их на газ и воду.
Добытый природный газ в сепараторе отделяется от воды, а затем выпускается из верхней части сепаратора (13) через автоматический регулятор давления типа «до себя» (15). При этом некоторая часть этого добытого газа направляется на сжигание в теплообменнике (18) для нагрева нагнетаемой по трубопроводам (12) и (17) воды, а большая часть добытого газа отводится в систему очистки и обработки газа (14) для его подготовки к транспортированию до потребителя.
Закачивая нагретую воду в залежь (на глубину - до «башмака» обсадной колонны) и, одновременно, возбуждая режим «естественного» газлифта ведут управляемое разложение газогидратов в блоке разрабатываемой залежи, постепенно повышая температуру и/или расход оборотной воды, нагнетаемой по подвесной колонне.
Газоводяная смесь выводится на поверхность и подается в сепаратор «газ-вода» (13), где эта смесь разделяется на товарный природный газ и воду.
Депрессия в толще газовых гидратов искусственно создается за счет создания эффекта пониженного противодавления газо-водяной смеси (при создании режима газлифта) исходному «естественному» давлению, действующему на газогидратную залежь. Это «естественное» давление в залежи определяется суммарным воздействием на залежь атмосферного давления, гидравлического давления расположенной над залежью толщи воды (19), и давления лежащих над залежью пластов породы.
3
3
2
Закачиваемая в залежь вода, имея более высокую температуру, чем вмещающие залежь горные породы, поднимается вверх и за счет конвекции и теплопроводности нагревает газовые гидраты, ускоряя этим их разложение в порах породы на воду и пузырьки газа, которые всплывают по воде вверх и за счет пониженного давления в межтрубье колонн втягиваются в газолифтный поток и усиливают его. Газонасыщенность этого потока при этом доходит (при нормальных условиях) до 500 м газа на 1 м воды, выдаваемой на поверхность. Фактический же объем пузырьков в потоке газоводяной эмульсии при реальных условиях эксплуатации (при существующих в залежи высоких давлениях) будет обратно пропорционален давлению в потоке эмульсии, т.е. на глубине 2000 м (при давлении 200 кгс/см) он будет в 200 раз меньше. При приближении к «дневной» поверхности давление в водогазовой смеси может понижаться, будет усиливаться выделение газа в водогазовой смеси и увеличиваться объем газа относительно сопровождающего его объема воды.
Тенденция к движению теплой воды вверх приводит в разрабатываемом блоке газогидратной залежи к более ускоренному разложению газовых гидратов в этом направлении (вверх) по сравнению со скоростью разложения газогидратов в горизонтальном направлении. Таким образом, формируется вытянутый вверх по вертикали эллиптический контур (8) зоны разложенных газогидратов.
Газовые гидраты в порах грунта представляют собой по существу лед, в кристаллической решетке которого «защемлены» молекулы природного газа (метана). После разложения газогидратов в верхней части купола разгидраченных пород за счет их естественного самоуплотнения образуется слой свободной воды, служащий каналом (К) ускоренного (из-за малого гидравлического сопротивления) движения воды и пузырьков газа. Канал (К), идущий вдоль непроницаемой для воды и газа границы разложения газогидратов к обсадной колонне (1), обеспечивает ускоренный подвод теплой воды к зоне разложения газогидратов. Одновременно канал (К) обеспечивает передачу депрессии давления к этой зоне разложения газогидратов. Комбинированное воздействие указанных факторов (тепла и пониженного давления - депрессии) приводит к ускоренному разложению газогидратов в пределах отрабатываемого блока.
На устье скважины выдаваемую газлифтом газоводяную смесь (эмульсию) разделяют в сепараторе (13) на газ, воду и твердый осадок. Этот осадок является экологически безвредным и его периодически через вентиль (11) сбрасывают. При морской добыче - сброс осуществляют в море. При добыче на суше сброс осуществляют в передвижные накопительные емкости для последующего захоронения осадка в установленном порядке.
Добычу газа регулируют комбинированным воздействием на массив газовых гидратов:
- изменением (повышением) температуры закачиваемой в пласт воды или пароводяной смеси;
- изменением количества закачиваемой воды;
- регулированием величины депрессии давления в отрабатываемом массиве газогидратов.
Широкие возможности для управления процессом разложения газогидратов и его оптимизации обеспечиваются как раздельным применением перечисленных воздействий, так и комбинированным одновременным их применением в любом сочетании.
Разработку блока заканчивают тогда, когда зона разложения газогидратов дойдет до кровли газогидратной залежи, что немедленно вызовет утечки газа на «дневную» поверхность помимо обсадной колонны, и одновременно прекращение газолифтного подъема газоводяной эмульсии по межтрубью обсадной и подвесной колонн. К этому времени следует подготовить для аналогичной разработки другие блоки газогидратной залежи, например, смежные с отработанным блоком.
Существенные особенности и преимущества изобретения:
1. В отличие от применяемых в настоящее время методик, использующих исключительно термическое разложение газовых гидратов, в настоящем изобретении кроме термического воздействия используется также эффект понижения исходного давления (депрессия) в разрабатываемой залежи газовых гидратов, что оказывает существенный положительный эффект - значительно ускоряет разложение отрабатываемых газогидратов. Причем эта величина понижения давления, может (на глубинах 1000-2000 м) достигать значительных величин, вплоть до нескольких десятков атмосфер (до нескольких МПа), что, при прочих равных условиях весьма заметно повысит интенсивность разложения газовых гидратов.
2. По мере создания условий разложения газогидратов нижняя поверхность этого разрабатываемого газогидратного блока, начиная с его подошвы, будет постепенно принимать форму полусферы, со временем как бы «всплывающей» по массиву вверх. При этом, по аналогии с оттаиванием вечномерзлых грунтов, под этой сферической поверхностью создается слой воды. Эта вода (в отличие от случая ее движения в малопористой среде газогидратного льда) не встречает при своем движении в разгидраченных отложениях значительного гидравлического сопротивления. Поэтому вода движется вдоль поверхности еще не разложенного газового гидрата быстрее, ускоряя этим, во-первых, теплопередачу от закачиваемого теплоносителя к поверхности газового гидрата, во-вторых, обеспечивая лучшую передачу пониженного давления от межтрубья колонн - эта особенность также повышает интенсивность разложения газовых гидратов и ускоряет перенос газовых пузырьков к межтрубью обсадной и подвесной колонн.