УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПОДВОДНЫХ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Полезная модель относится к средствам разработки подводных, преимущественно, морских газогидратных залежей и может быть использована для извлечения на поверхность насыщенных газовыми гидратами морских осадков, залегающих на шельфе, материковом склоне, в пределах океанической впадины или котловины, а также на дне глубоких пресноводных водоемов.
Известна установка для разработки морских газогидратных залежей, включающая плавучее основание, трубопровод выполненный с возможностью транспорта пульпы с газом или гидратами на поверхность, снабженный средствами подачи к забою воды, температура которой на 1-2°C превышает равновесную для условий разработки, и грунтозаборное устройство, выполненное с возможностью подачи через него подогретой воды, средство сбора газа из пульпы (см. Обз. информ. Сер. Информационное обеспечение общесоюзных, научно-технических программ, вып.З. М.: ВНИИЭгазпром, 1986).
3
3
Недостатком устройства является повышенная энергоемкость. Затраты энергии, необходимы как на подогрев пульпы до температуры разложения газогидратов, так и на ее транспортировку. Чем больше будет производительность системы, тем большими будут энергетические затраты при прочих равных условиях. Действительно, для проведенных в исходных условиях теплоемкость веществ 1 м пульпы составляет примерно 49-10 кДж/°C.
3
3
Таким образом, для подогрева всей пульпы на забое до температуры, превышающей равновесную на 1-2°C,.при температуре воды у поверхности дна Мирового океана (на различных широтах она составляет 0-4°C, требуется огромное количество тепла или значительные затраты энергии на подачу подогретой воды из соответствующих горизонтов. Велики затраты энергии и на подъем пульпы на поверхность гидравлической драгой с системой эрлифта. Для данных условий они составляют порядка 86,410 кДж на 1 м осадка.
Известна также установка для разработки подводных газогидратных залежей, включающая плавучее основание, трубопровод выполненный с возможностью транспорта пульпы с газом и/или гидратами на поверхность, снабженный каналом подачи воды к грунтозаборному устройству снабженным компрессором, средство сбора газа из пульпы и средство разложения газогидрата в трубопроводе (см. SU №1776298, E21B 43/00, 1992).
Недостаток этого технического решения - недостаточная эффективность из-за ограниченной по площади зоны взаимодействия грунтозаборного устройства с газогидратами, кроме того, разложение гидратов на воду и газ осуществляется за счет подвода подогретой воды (правда в ограниченную по площади зону трубопровода), что с учетом транспортировки подогретой воды к зоне ее выпуска, также требует достаточно больших энергетических затрат.
Задача полезной модели заключается в повышении площади одновременного воздействия на газогидратную залежь, при снижении энергозатрат на добычу и транспорт газогидрата.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в, расширении площади взаимодействия грунтозаборного устройства с газогидратами. Обеспечивается упрощение конструкции установки, при обеспечении возможности безопасной (по условиям выбросов газа) отработки запасов газогидратов. Кроме того, установка может эксплуатироваться в тяжелых ледовых условиях, характерных для северных морей, омывающих побережье РФ. Кроме того, упрощается позиционирование установки на месте за счет компенсации силы действия течений.
Поставленная задача решается тем, что установка для разработки подводных газогидратных залежей, включающая плавучее основание, трубопровод выполненный с возможностью транспорта пульпы с газом и/или гидратами на поверхность, снабженный каналом подачи воды к грунтозаборному устройству, подключенным к компрессору, средство отбора газа из пульпы и средство разложения газогидрата в трубопроводе, отличается тем, что плавучее основание выполнено в виде конического водоизмещающего корпуса, с возможностью погружения ниже поверхности моря, при этом трубопровод, выполнен с возможностью автоматического изменения его длины, причем, в полости трубопровода, по меньшей мере, на двух его участках, размещены шнекообразные лопасти, кроме того, на платформе размещен компрессор с рабочим давлением до 700 атмосфер, выходной патрубок которого сообщен с каналом подачи воды на грунтозаборное устройство, выполненным с возможностью автоматического изменения длины, при этом, грунтозаборное устройство выполнено с возможностью формирования струй воды высокого давления и снабжено коническим сборным кожухом, выполненным с возможностью сбора газогитрата и направления его в трубопровод, при этом, средство разложения газогидрата в трубопроводе, выполнено в виде спирально изогнутого верхнего участка трубопровода, находящегося на плавучем основании, причем средство отбора газа из пульпы выполнено в виде емкости, газовый выход которой через вакуум насос сообщен с газгольдером, а водный выход, сообщен со входом компрессора, кроме того, выходной патрубок компрессора сообщен со средством позиционирования, выполненным в виде трубы с отгибом у нижнего конца, установленной с возможностью поворота вокруг оси симметрии плавучего основания, снабженной ориентирующей плоскостью проходящей через продольные оси трубы и ее отгиба, при этом участок подвода воды к средству позиционирования снабжен средством регулирования расхода воды. Кроме того, спиральный участок трубопровода снабжен теплозащитным кожухом, выполненным с возможностью подачи в его полость подогретой воды. Кроме того, для обеспечения возможности автоматического изменения длины трубопровода и канала подачи воды к грунтозаборному устройству, они снабжены телескопически выдвигающимися участками.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивают решение заявленной технической задачи, а именно, обеспечивает возможность повышения площади одновременного воздействия на газогидратную залежь, при снижении энергозатрат на добычу и транспорт газогидрата.
На чертеже схематически показано заявленное устройство.
На чертежах показано плавучее основание 1, трубопровод 2, снабженный телескопическим выдвижным участком 3 (т.е. средствами изменения его длины, выполненными с возможностью автоматического срабатывания), размещенным в верхней зоне трубопровода 2, под корпусом плавучего основания 1, при этом в полости трубопровода 2, размещен, снабженный вторым телескопическим раздвижным участком 4, канал 5 подачи воды к грунтозаборному устройству 6 (канал 5 подачи воды снабжен компрессором 7). Кроме того, показаны средство отбора газа из пульпы 8 и средство разложения газогидрата 9 в трубопроводе 2, шнекообразные лопасти 10.
Плавучее основание выполнено в виде конического водоизмещающего корпуса, с возможностью погружения ниже поверхности моря 11 (до 10-20 м), для чего корпусу приданы соответствующие прочность и герметичность. В полости трубопровода 2, по меньшей мере, на двух его участках, размещены шнекообразные лопасти 10. Средство разложения газогидрата 9 в трубопроводе 2, выполнено в виде спирально изогнутого верхнего участка трубопровода 2, находящегося на уровне плавучего основания, при этом целесообразно, чтобы радиус изгиба этого участка трубопровода соответствовал радиусу изгиба корпуса плавучего основания 1, на уровне размещения соответствующего витка трубопровода, что позволяет существенно увеличить длину трубопровода на спиральном участке и, тем самым увеличить продолжительность процесса взаимодействия поднимаемого газогидрата с нагревающими его тепловыми потоками. Однако возможен и показанный на рисунке вариант, когда размеры витков спирального участка существенно меньше. Средство отбора газа из пульпы выполнено в виде емкости 12, газовый выход 13 которой через вакуум насос 14 сообщен с газгольдером 15, предпочтительно, снабженным средствами сжатия или ожижения газа (на чертежах не показаны), а водный выход 16, сообщен со входом компрессора 7. Кроме того, спиральный участок трубопровода 2 (средство разложения газогидрата 9) снабжен теплозащитным кожухом 17, выполненным с возможностью подачи в его полость 18 подогретой воды от ее источника 19.
Грунтозаборное устройство 6 выполнено в виде системы параллельных, заостренных снизу патрубков 20, сообщенных с каналом 5 подачи воды, в стенках которых выполнены отверстия 21 для вывода струй воды высокого давления (предпочтительно снабженные сопловыми насадками, усиливающими «работу» подаваемых через них струй воды), при этом, грунтозаборное устройство снабжено коническим сборным кожухом 22, широкий торец которого обращен вниз, а верхний сообщен с трубопроводом. Площадь его широкого торца в несколько раз превышает площадь на которой распределены патрубки 20 грунтозаборного устройства, кроме того, конический сборный кожух 22 телескопически связан с концом трубопровода 5.
Канал 5 подачи воды к грунтозаборному устройству 6 подключен к выходному патрубку 23 компрессора 7, который также сообщен со средством позиционирования, выполненным в виде трубы 24 с отгибом 25 у нижнего конца, установленной с возможностью поворота вокруг оси симметрии 26 плавучего основания, снабженной ориентирующей плоскостью 27 проходящей через продольные оси 28 и 29, соответственно, трубы 24 и ее отгиба 25, при этом участок подвода воды от выходного патрубка 23 компрессора 7 к средству позиционирования (трубе 24) снабжен средством регулирования расхода воды 30, предпочтительно выполненным в виде дистанционно управляемого клапана известной конструкции.
Кроме того показан объем газогидратов 31 и направление течения 32.
Заявленная установка работает следующим образом.
Исходное положение установки: плавучее основание 1 позиционировано относительно добычного участка (при этом используется известная система из как минимум трех якорей - на чертежах не показана, или система динамического позиционирования, выполненная известным образов и включающая несколько движителей размещенных по периметру плавучего основания), при этом, трубопровод 2 опущен до дна акватории, так, что грунтозаборное устройство 6 непосредственно контактирует с поверхностью объема газогидратов 31, при этом конический сборный кожух 22 также опущен своей нижней кромкой на поверхность объема газогидратов 31, изолируя рабочую зону патрубков 20 от остального объема акватории. В этом положении трубопровод 2, канал 5 и полость кожуха 22 заполнены морской водой.
При запуске компрессора 7 в работу, вода под давлением до 700 атм. проходит по каналу 5, из него попадает в патрубки 20 грунтозаборного устройства 6 из которых выходит в виде струй высокого давления. Эти струи, взаимодействуя с газогидратами рыхлят, измельчают гидратосодержащие морские осадки которые увлекаются в трубопровод 2 вследствие перепада давления в зоне разрушения газогидратов 400-700 атм. на входе и 0 на выходе трубопровода 2. Таким образом, скоростной поток поднимается на поверхность со скоростью 8-15 м/сек, дополнительно закручиваясь при взаимодействии со шнекообразными лопастями 10.
Вследствие этого начинается диссоциация газогидрата с выделением газа, которая тем более усиливается после подъема газогидратной пульпы до уровня где термодинамическое равновесие не выполняется. Таким образов «включается» газлифтный компонент сил способствующих подъему пульпы содержащей смесь воды и газогидратов по трубопроводу 2.
После прохождения спирально изогнутого верхнего участка трубопровода 2, при взаимодействии с теплом подогретой воды, подводимой от ее источника 19 в полость 18 теплозащитного кожуха 17 газогидраты в емкости 12 оказываются полностью разложившимися на газ, воду и взвесь твердых включений. Газ, через газовый выход 13 емкости 12, с помощью вакуум насоса 14 сбрасывается в газгольдер 15, вода, через водный выход 16 емкости 12 уходит на вход компрессора 7 и снова используется в работе. Твердая взвесь накапливается в соответствующем бункере (на чертежах не показан) и либо сбрасывается в воду, либо известным образом отвозится на берег для утилизации, если содержат какие-либо ценные компоненты.
Раздвижность трубопровода 2 обеспечивает возможность варьирования его длины в зависимости от глубины акватории на месте разработки. Раздвижность канала 5 обеспечивает возможность автоматического изменения его длины, по мере заглубления грунтозаборного устройства 6 в объем газогидратов 31. Кроме того, это обеспечивает сохранность трубопровода при погружениях-подъемах плавучего основания относительно поверхности акватории, например при опасности раздавливания льдом или при аварийной ситуации с газонакопительным оборудованием.
Средство позиционирования, работает следующим образом - течение 32 действует на ориентирующую плоскость 27, обеспечивая ее разворот вдоль направления течения, этот разворот плоскости 27 реализуется за счет поворотного соединения трубы 24 с плавоснованием, что в результате приводит к соответствующему повороту отгиба 25, который также ориентируется вдоль течения, так, что его выпускной канал оказывается расположен в направлении течения. Таким образом струя воды под давлением истекающая из отгиба 25 формирует реактивное усилие 33, направленное против течения 32, компенсируя его действие, величина которого регулируется средством регулирования расхода воды 30.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет существенно снизить энергетические затраты на транспортировку гидратосодержащей пульпы, обеспечить работу установки и гибкое регулирование режимов работы, при повышенной производительности газлифтной системы.