ДОБЫЧА СВОБОДНОГО ГАЗА КОНВЕРСИЕЙ ГАЗОВОГО ГИДРАТА
GAS RECOVERY BY CONVERSION OF GAS HYDRATE

Один аспект настоящего изобретения относится к добыче углеводородов из подземного пласта. Другой аспект изобретения относится к способу извлечения свободного газа из природных залежей газовых гидратов. Еще один аспект изобретения включает способ изоляции парниковых газов в подземных пластах.
1
4
Газовые гидраты представляют собой кристаллические твердые вещества, состоящие из молекул газа, окруженных каркасом из молекул воды. Данные молекулы газа обычно представляют собой молекулы легких углеводородов (C-C). Газовые гидраты образуют твердую фазу при давлениях выше и температурах ниже, чем те, которые необходимы для образования льда. Первоначально газовые гидраты считали источником помех в нефтегазовой промышленности, поскольку они спонтанно образуются в нефте- и газопроводах, что препятствовало бы течению нефти по трубопроводу.
Однако в последние годы залежи природных газовых гидратов привлекают внимание как альтернативный источник топлива для энергетической промышленности. Наряду с нетрадиционными резервуарами, обнаруженными в вечной мерзлоте и в придонных отложениях глубоководных морских сред, крупные природные залежи газовых гидратов найдены вблизи многих существующих нефтяных залежей. По оценкам некоторых источников только в одних Соединенных Штатах количество метана, содержащегося в природных залежах гидрата метана, в 200 раз больше количества, приходящегося на свободный метан залежей природного газа. Кроме того, приблизительно подсчитано, что количество энергии, которое потенциально возможно получить из залежей гидратов природного газа, вдвое больше суммарного количества энергии, которое можно получить из обнаруженных в настоящее время залежей нефти, угля и природного газа.
Общепринятые способы извлечения природного газа из газовых гидратов включают воздействие нагревания и/или пониженного давления на газовые гидраты с целью высвобождения природного газа. Однако существуют две основные проблемы, присущие данным общепринятым способам. Во-первых, они требуют подвода к системе значительного количества энергии, что ведет к высоким затратам на извлечение. Во-вторых, они дестабилизируют гидратные пласты, поскольку как сброс давления, так и подвод тепла вызывают плавление гидрата. Это может вести к дестабилизации и/или к внезапному обрушению отложений, которые содержат гидраты, и других близлежащих подземных пластов. Так как обычно газовые гидраты извлекают около залежей нефти и природного газа, такая нестабильность может приводить к затруднениям при извлечении нефти и природного газа.
Актуальная проблема, несвязанная с извлечением газовых гидратов, относится к выбросам парниковых газов в атмосферу Земли. Многие современные промышленные производства вырабатывают парниковые газы, особенно диоксид углерода, в чрезмерных количествах, что в случае их непрерывного выброса в атмосферу может способствовать катастрофическим изменениям климата. Однако удаление избыточных количеств парниковых газов путем постоянного предотвращения выбросов данных газов может быть весьма дорогостоящим. Следовательно, было бы желательно предоставить новый способ изоляции парниковых газов, таких как диоксид углерода, который является более эффективным и экономически выгодным, чем предшествующие способы удаления.
Стремясь к решению данных и других проблем желательно предоставить более экономичный и эффективный способ извлечения газа из гидратов природного газа.
Кроме того, желательно предоставить способ извлечения газа из гидратов природного газа, который не требует воздействия значительного нагрева или пониженного давления на гидраты природного газа.
Кроме того, желательно предоставить способ извлечения газа из гидратов природного газа, который не дестабилизирует гидратный пласт.
Кроме того, желательно предоставить способ постоянной изоляции значительных количеств диоксида углерода.
Необходимо отметить, что все вышеперечисленные требования необходимо удовлетворить при помощи изобретения, описанного в приведенной здесь формуле изобретения, и другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания изобретения и прилагаемой формулы изобретения.
В соответствии с одним осуществлением настоящего изобретения предоставлен способ, по которому из пласта гидрата природного газа высвобождают углеводороды без существенного плавления пласта гидрата природного газа.
В соответствии с другим осуществлением данного изобретения предоставлен способ высвобождения углеводородов из газового гидрата, включающего углеводород, связанный с твердофазной водой. Способ изобретения включает замещение углеводорода высвобождающим агентом с целью высвобождения углеводорода из твердофазной воды, что приводит к получению замещенного гидрата, включающего высвобождающий агент, связанный с твердофазной водой.
В соответствии с другим осуществлением изобретения предоставлен способ добычи углеводородов из подземных газовых гидратов, расположенных вблизи подземного канала. Способ включает (a) введение высвобождающего агента в подземный канал; (b) приведение высвобождающего агента в контакт с газовым гидратом, что тем самым приводит к высвобождению углеводорода в канал без плавления газового гидрата; и (c) извлечение из канала высвобожденного углеводорода.
Предпочтительные осуществления изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые иллюстрирующие чертежи, где:
на фиг.1 представлен пояснительный чертеж, схематически иллюстрирующий замещение метана в гидрате метана на диоксид углерода, служащий высвобождающим агентом, что тем самым приводит к гидрату диоксида углерода и свободному метану; и
на фиг.2 представлен пояснительный чертеж, иллюстрирующий одно осуществление данного изобретения, используемого для высвобождения газа из гидратного пласта, расположенного вблизи нефтяной скважины или скважины природного газа.
Согласно настоящему изобретению газ удаляют из газового гидрата приведением в контакт гидрата с высвобождающим агентом. Когда высвобождающий агент контактирует с газовым гидратом, высвобождающий агент самопроизвольно замещает газ в гидратной структуре. Данное самопроизвольное замещение газа высвобождающим агентом в гидратной структуре высвобождает газ из гидратной структуры без плавления гидратной структуры.
1
4
Газовый гидрат, приводимый в контакт с высвобождающим агентом, предпочтительно включает углеводород, заключенный в твердофазной воде. Более предпочтительно газовый гидрат представляет собой гидрат легких углеводородов (C-C). Наиболее предпочтительно газовый гидрат представляет собой гидрат метана. В одном осуществлении газовый гидрат представляет собой природный гидрат, содержащийся в пористом подземном пласте. Данный пласт мог бы включать пористую породу или отложения, которым сопутствуют подходящие термобарические условия, необходимые для образования гидратов природного газа.
Приводимый в контакт с газовым гидратом высвобождающий агент предпочтительно представляет собой соединение, которое формирует термодинамически более стабильную гидратную структуру, чем газ, первоначально содержащийся в гидратной структуре, поэтому высвобождающий агент самопроизвольно (то есть не нуждаясь в подводе энергии) замещает газ в газовом гидрате, не требуя значительного изменения температуры, давления или объема гидрата. Гидрат высвобождающего агента, состоящий из связанного с твердофазной водой высвобождающего агента, является термодинамически более стабильным, чем исходный гидрат природного газа, если реакция, в которой высвобождающий агент замещает газ, благоприятствует образованию гидрата высвобождающего агента. Рассчитав значение свободной энергии Гиббса образования каждого гидрата, взяв за основу теплоту образования газового гидрата и гидрата высвобождающего агента в естественных условиях, в которых находится газовый гидрат, можно сравнить термодинамическую стабильность исходного гидрата природного газа и гидрата высвобождающего агента. Если значение свободной энергии Гиббса для образования гидрата высвобождающего агента меньше, чем значение свободной энергии Гиббса для образования газового гидрата, то реакция благоприятствует высвобождающему агенту. Предпочтительно значение свободной энергии Гиббса способствует тому, что образование гидрата высвобождающего агента преобладает над образованием газового гидрата, по меньшей мере, примерно на 2%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 5% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 10%. Данное замещение газа в гидратной структуре высвобождающим агентом приводит к высвобождению газа из гидрата.
Относительную термодинамическую стабильность гидрата высвобождающего агента также можно определить путем сопоставления диапазонов температур и давлений, в пределах которых он является стабильным, с диапазонами температур и давлений, в пределах которых стабилен газовый гидрат. Если гидрат высвобождающего агента при неизменном давлении стабилен при более высоких температурах, чем газовый гидрат, и если при неизменной температуре гидрат высвобождающего агента стабилен при меньшем давлении, чем газовый гидрат, то высвобождающий агент образует термодинамически более стабильную гидратную структуру, чем газ. Следовательно, применение такого высвобождающего агента, который образует термодинамически более стабильный гидрат, может сделать возможным высвобождение газа без плавления гидрата и без дестабилизации гидратной структуры. В итоге любые изменения температуры или давления гидратной структуры будут минимальными, так что согласно наиболее вероятной оценке изменения температуры составят менее чем 10% по шкале в Цельсиях и изменения давления составят менее чем 10% по шкале в Паскалях. Кроме того, поскольку в ходе замещения исходного газа замещающим агентом происходит либо лишь незначительное плавление гидрата, либо плавление гидрата не происходит совсем, то любое изменение объема будет минимальным, составляющим согласно наиболее вероятной оценке менее чем 10%.
Высвобождающий агент, контактирующий с газовым гидратом, предпочтительно представляет собой малую, полярную молекулу, у которой размер и химическое взаимодействие с молекулами воды гидрата таковы, что высвобождающий агент образует такую же или подобную гидратную структуру, что и гидрат метана. Высвобождающий агент также предпочтительно находится в виде жидкой фазы при контакте с газовым гидратом. Предпочтительно высвобождающий агент имеет молекулярный диаметр в диапазоне от примерно 1 до примерно 8 ангстрем, более предпочтительно от 2 до 5 ангстрем. Далее предпочтительно, чтобы молекулярный диаметр высвобождающего агента находился в пределах примерно 100% молекулярного диаметра метана, более предпочтительно - в пределах 50% молекулярного диаметра метана. Высвобождающий агент предпочтительно выбирают из группы, состоящей из диоксида углерода, закиси азота и их смесей. Наиболее предпочтительно высвобождающий агент представляет собой диоксид углерода в виде жидкой фазы. Смеси диоксида углерода с малыми количествами других газов, таких как азот, гелий и неон, также могут быть использованы как высвобождающий агент. Однако предпочтительно, чтобы контактирующий с газовым гидратом высвобождающий агент включал, по меньшей мере, примерно 50 мольных процентов диоксида углерода, более предпочтительно включал, по меньшей мере, 90 мольных процентов диоксида углерода. Когда гидрат природного газа контактирует с высвобождающим агентом, предпочтительно, чтобы высвобождающий агент имел ту же или близкую к ней температуру, что и исходный гидрат природного газа, предпочтительно, имел температуру в диапазоне примерно 10°C относительно температуры исходного гидрата природного газа.
Обращаясь теперь к фиг.1, в предпочтительном осуществлении способа изобретения жидкий диоксид углерода 10 приводят в контакт с гидратом 12 метана, что приводит к образованию гидрата 14 диоксида углерода и высвобождению свободного метана 16 без плавления гидрата. Не ограничиваясь теорией, полагают, что данная реакция происходит самопроизвольно, поскольку значение свободной энергии Гиббса для замещения метана диоксидом углерода в гидрате благоприятствует гидрату диоксида углерода на несколько ккал/моль, если исходить из теплоты образования обоих гидратов при температуре и давлении в стандартных условиях.
Настоящее изобретение может быть применено в системе, представленной на фиг.2. На фиг.2 изображена скважина 18 для добычи нефти или природного газа, которая модифицирована для применения принципов настоящего изобретения. Скважина 18 обычно включает надземную часть 20 и обсадную трубу 22. Скважину 18 ранее использовали для добычи нефти и/или газа из подземного резервуара 24 через находящиеся на большей глубине отверстия 26 в обсадной трубе 22. После прекращения добычи нефти и/или газа из подземного пласта 24 пробку 28 вставляют в обсадную трубу 22 выше отверстий 26 и непосредственно ниже пласта 30 гидрата метана. Верхние отверстия 32 создают в обсадной трубе 22 выше пробки 28 и вблизи гидратного пласта 30. Как только пробка 28 и отверстия 32 установлены должным образом, жидкий диоксид углерода из питающего источника 34 диоксида углерода может быть введен в обсадную трубу 22 с помощью нагнетателя 36 диоксида углерода. Жидкий диоксид углерода, введенный в обсадную трубу 22, затем выпускают из обсадной трубы 22 в гидратный пласт 30 через верхние отверстия 32. Как подробно описано выше, когда диоксид углерода контактирует с гидратами метана гидратного пласта 30, молекулы диоксида углерода самопроизвольно замещают молекулы метана в гидратной структуре, высвобождая тем самым свободный газообразный метан без плавления гидратного пласта 30. Высвобожденный свободный газообразный метан течет в обратном направлении к обсадной трубе 22 и поступает в обсадную трубу 22 через отверстия 32. Высвобожденный свободный газообразный метан затем может быть откачан из обсадной трубы 22 с помощью нагнетателя 38 метана. Извлеченный газообразный метан можно хранить на месте в хранилище 40 метана или немедленно транспортировать за пределы участка добычи для дальнейшей переработки. Диоксид углерода, использованный для замещения/высвобождения метана, непрерывно изолируют в подземном гидратном пласте.
Стадии нагнетания диоксида углерода в гидратный пласт 30 и извлечения высвобожденного метана могут быть повторены до тех пор, пока количество свободного газообразного метана не уменьшится до уровня, который делает дальнейшую добычу экономически невозможной. Вышеупомянутые стадии предпочтительно повторяют до тех пор, пока, по существу, весь метан гидратного пласта не будет извлечен. Поскольку в гидратном пласте диоксид углерода является термодинамически более предпочтительным, чем метан, то для извлечения метана нет необходимости подвергать данный пласт воздействию пониженного давления или нагреву. Следовательно, гидрат внутри пласта не расплавится, и не будет происходить дестабилизация гидратного пласта.
Вышеприведенное описание со ссылкой на фиг.2 описывает способ извлечения метана из гидратов природного газа применительно к существующей, истощенной нефтяной скважине или истощенной скважине природного газа. Следует понимать, что система по настоящему изобретению может быть легко применена для извлечения метана из гидратов природного газа в месте расположения скважины до начала добычи нефти и природного газа. Кроме того, система по настоящему изобретению могла бы быть использована для извлечения метана из гидратов природного газа безотносительно к добыче нефти или природного газа.
Несмотря на то что данное изобретение описано в терминах изложенных предпочтительных осуществлений, специалистами в данной области техники могут быть внесены приемлемые видоизменения и модификации, и такие видоизменения находятся в рамках описанного изобретения и прилагаемой формулы изобретения.