СИСТЕМА УСКОРЕНИЯ ДИССОЦИАЦИИ ГИДРАТА МЕТАНА И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО МЕТАНА
METHOD OF ACCELERATING METHANE HYDRATE DISSOCIATION AND METHANE GAS EXTRACTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе извлечения гидрата метана.
Уровень техники
Согласно результатам недавних исследований и наблюдений существует возможность того, что в окружающем Японию море наличествует гидрат метана в количестве, эквивалентном потреблению бытового газа в течение 100 лет. Гидрат метана представляет собой потенциальные запасы, которые присутствуют под морским дном в глубинах океана, и в которых метан и вода находятся в твердом состоянии в условиях высокого давления и низкой температуры.
Современная технология извлечения гидрата метана является экономически невыгодной вследствие низкой продуктивности. Однако если исходить из того, что разработан недорогой способ добычи и реализована оптимизация производственных условий, можно ожидать, что будет найден путь использования гидрата метана как будущего источника энергии.
В качестве метода извлечения газообразного метана из гидрата метана были предложены способ со сбрасыванием давления и способ с нагреванием. В качестве базовой концепции был также испытан комбинированный способ, в котором способ, использующий сбрасывание давления, сочетается со способом, применяющим нагревание.
Способ со сбрасыванием давления представляет собой метод снижения давления в пласте гидрата метана, с удерживанием гидрата метана в зоне диссоциации и извлечением образованного в результате диссоциации газообразного метана (например, смотри Патентный Документ 1). Этот способ включает приспособление для сбрасывания пластового давления и приспособление для сбора газообразного метана. В способе со сбрасыванием давления топливо не расходуется, поскольку нет необходимости в искусственном источнике теплоты (используют естественную теплопередачу между пластами). Поскольку не является необходимой также скважина для нагревания, расходы на бурение могут быть значительно сокращены. Однако в технологии при использовании способа с простым сбрасыванием давления существуют многочисленные характеристики, которые препятствуют реализации таковой в промышленном масштабе, такие как низкая скорость подведения теплоты, необходимой для испарения гидрата метана, огромные количества извлекаемых песка и воды, наличие опасностей повторной гидратации и замораживания извлекаемого флюида и плохая эксплуатационная эффективность производственного оборудования вследствие резких изменений производственного режима.
По общим исследованиям способа с нагреванием таковой представляет собой способ нагнетания горячей воды в пласт гидрата метана под морским дном и разложения гидрата метана для извлечения газообразного метана (например, смотри Патентный Документ 2).
Например, в этом способе на платформе сооружают установку для получения горячей воды нагреванием морской воды и введения тепловой энергии в пласт гидрата метана через нагнетательную скважину. Однако для этого требуется огромный объем капиталовложений вследствие расхода большого количества топлива для целей получения горячей воды и распределения тепловой энергии в пласте гидрата метана через нагнетательную скважину.
В настоящий момент наиболее перспективным способом извлечения газообразного метана является способ с простым сбрасыванием давления. Однако со способом связаны следующие проблемы, которые должны быть разрешены.
(А) Повышение степени сбрасывания давления представляет собой один и единственный способ ускорения добычи, и интенсивное сбрасывание давления представляет собой непреложное требование. Поэтому существуют опасности оседания породы, растрескивания и утечки газа на поверхность морского дна.
(В) Высоки накладные расходы на всю систему разработки месторождения вследствие больших рисков выброса песка и воды, обусловленных интенсивным сбрасыванием давления.
(С) Поскольку подведение теплоты является недостаточным, существует проблема внезапного падения продуктивности или серьезного сбоя в добыче вследствие, например, повторной гидратации и замораживания геологических и эксплуатационных каналов течения.
(D) Поскольку в условиях интенсивного сбрасывания давления происходит засасывание избыточного количества воды, повышаются расходы на обработку воды, ускоряется уплотнение пласта гидрата метана и падает проницаемость пласта.
(Е) Кривая производственных показателей приобретает нежелательную форму, и тем самым неизбежно возрастание расходов на подводную разработку большинства месторождений гидрата метана.
(F) Коэффициент извлечения с трудом поддается улучшению при кривой производственных показателей, присущей способу со сбрасыванием давления.
Патентный Документ 1: Японская Выложенная Патентная Заявка № 2006-45128
Патентный Документ 2: Японская Выложенная Патентная Заявка № 2005-213824
Описание изобретения
Наибольшая проблема при разработке месторождения гидрата метана заключается в низкой экономической эффективности. Важнейшим фактором влияния, связанным с экономической эффективностью, считается продуктивность. Однако существенное повышение продуктивности при использовании способа с простым сбрасыванием давления, который в настоящее время рассматривают как эффективный метод добычи, является затруднительным.
Главная причина, которая препятствует повышению продуктивности способа со сбрасыванием давления, состоит в недостаточной возможности подведения теплоты. В подходе, который ограничивается только способом со сбрасыванием давления, согласно соотношению между давлением и температурой в кривой фазового равновесия температура пласта гидрата метана снижается ввиду низкой скорости подведения теплоты. Поэтому неизбежны опасности внезапного падения продуктивности, повторной гидратации извлекаемого флюида и замораживания каналов течения.
Между тем, способ с нагреванием системой нагнетания горячей воды связан с такими проблемами, как необходимость большого количества топлива, техническая сложность нагнетания теплой воды в пласт гидрата метана и высокая стоимость.
В настоящем изобретении предприняты попытки устранить недостатки способа со сбрасыванием давления и способа с нагреванием и преодолеть экономические и технические трудности в разработке месторождения гидрата метана. Более конкретно настоящее изобретение стремится: снизить стоимость разработки, например, путем подавления выбросов больших количеств песка и воды, которые характерны для способа со сбрасыванием давления, сделать продуктивность равномерной и предотвратить повторную гидратацию и замораживание эксплуатационных протоков; и, с другой стороны, обеспечить значительное повышение экономической эффективности устранением потребления большого количества топлива, которое характерно для способа с нагреванием системой нагнетания горячей воды.
В настоящем изобретении можно устранить многие препятствия, обусловленные способом со сбрасыванием давления. Кроме того, можно использовать неисчерпаемую геотермальную энергию при низких затратах.
Настоящее изобретение устраняет вышеописанные препятствия и проблемы, обусловленные способом со сбрасыванием давления, и представляет систему ускорения диссоциации гидрата метана и извлечения газообразного метана, отличающуюся тем, что таковая включает нижеследующие пункты (а)-(d).
(а) Нагревательная скважина для выкачивания теплоносителя из глубинного водоносного горизонта.
Эта нагревательная скважина представляет собой скважину, сформированную пробуриванием морского дна вниз до глубины от 1000 до 1500 м так, чтобы извлекать геотермальную энергию выкачиванием теплоносителя, нагретого подземным теплом, из глубинного водоносного горизонта, например, теплой воды или горячей воды, и подачей теплоносителя в пласт гидрата метана.
(b) Эксплуатационная скважина для извлечения газообразного метана.
Эта эксплуатационная скважина принимает подводимую геотермальную энергию и извлекает газообразный метан, образуемый диссоциацией гидрата метана. Для предотвращения попадания песка в скважину в положении выше пласта гидрата метана предусмотрен высококачественный фильтр.
(с) Возвратная скважина для возвращения теплоносителя, который был подвергнут теплообмену, в глубинный водоносный горизонт.
Подобно нагревательной скважине эту возвратную скважину формируют бурением морского дна вниз на глубину от 1000 до 1500 м. Назначение возвратной скважины состоит в извлечении воды, охлажденной в результате теплообмена вблизи граничной поверхности зоны диссоциации, и возвращении этой воды в глубинный водоносный горизонт.
(d) Приспособление для подачи теплоносителя к граничной поверхности зоны диссоциации гидрата метана.
Это приспособление представляет собой приспособление для извлечения теплоносителя, такого как теплая вода или горячая вода, из глубинного водоносного горизонта и подведения геотермальной энергии теплоносителя в пласт гидрата метана. Приспособление состоит, например, из насосной установки, устройства для регулирования расхода потока и включает разнообразные измерительные приборы и контрольные устройства.
В системе извлечения газообразного метана согласно настоящему изобретению, когда таковую используют в сочетании со способом со сбрасыванием давления для эксплуатационной скважины, продуктивность улучшается. Приспособление для диссоциации состоит из системы добычи с морского дна, такой как сепаратор (установка для разделения газа, воды и песка) или вспомогательный насос (установка для ускорения сбрасывания давления). По сравнению со способом с простым сбрасыванием давления можно уменьшить степень сбрасывания давления, поскольку повышена скорость подведения тепловой энергии.
Нагревательная скважина может представлять собой скважину, сформированную удлинением нижнего конца эксплуатационной скважины до глубинного водоносного горизонта.
Кроме того, возвратная скважина может представлять собой скважину, сформированную удлинением нижнего конца эксплуатационной скважины до глубинного водоносного горизонта. Следовательно, число скважин сокращается наполовину, и общие затраты на разработку месторождения заметно снижаются.
В настоящем изобретении в качестве источника теплоты употребляют подземное тепло, которое в неисчерпаемом количестве присутствует под землей. Поэтому, согласно настоящему изобретению, геотермальная энергия стабильно поставляется в пласт гидрата метана в течение длительного периода времени без необходимости в специальном топливе или тому подобном. Есть возможность реализовать расширение граничной поверхности зоны диссоциации гидрата метана путем подведения достаточного количества теплоты.
По сравнению со способом с нагреванием системой нагнетания горячей воды, согласно настоящему изобретению отпадает необходимость не только в установке для получения горячей воды и огромных затратах на топливо, но и в трубопроводе теплоснабжения с морской платформы к скважине. Поэтому настоящее изобретение устраняет бремя огромных расходов на оборудование, связанных с получением горячей воды на платформе и транспортированием таковой в скважины.
Согласно настоящему изобретению, когда отдельные преимущественные параметры способа со сбрасыванием давления и способа с нагреванием используются в сочетании и надежно действуют средства управления технологическим процессом в двух системах, можно эффективно производить теплообмен на граничной поверхности зоны диссоциации ниже гидрата метана и одновременно ускорять диссоциацию на большой площади. Поэтому есть возможность обеспечить выравнивание кривой производственных показателей, повысить коэффициент извлечения и увеличить среднесуточную добычу. Все эти факторы весьма существенно способствуют улучшению экономической эффективности.
В этом случае, поскольку диссоциация гидрата метана ускоряется при нагревании, может быть снижена степень сбрасывания давления в способе со сбрасыванием давления, который используют в сочетании со способом с нагреванием.
Поскольку пропорция остаточной воды внутри пласта увеличивается при снижении степени сбрасывания давления, снижаются затраты на обработку воды. Более того, благодаря меньшему проявлению эффекта уплотнения пласта можно избежать ухудшения проницаемости. Вынос песка и воды зависит от степени сбрасывания давления. Можно сократить нагрузку на производственное оборудование, обусловленную выносом песка и воды, путем снижения степени сбрасывания давления, и существенно упростить технические нормы на проектирование подводной системы. Поэтому можно ожидать заметного сокращения расходов на сооружение установки.
Согласно настоящему изобретению есть возможность избежать снижения температуры извлекаемого флюида, который проходит через пласт гидрата метана, забой скважины и систему добывающего оборудования, благодаря непрерывному подведению геотермальной энергии, получаемой из глубинного водоносного горизонта, к пласту гидрата метана в течение длительного периода времени. Также возможно снизить расходы на мероприятия, направленные на предотвращение повторной гидратации и замораживания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет концептуальную схему системы добычи газообразного метана согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет график, схематически показывающий пример температурных условий в пласте и флюиде.
Фиг.3 представляет график, показывающий соотношение между глубиной и температурой пласта.
Фиг.4 представляет схематический вид сверху, показывающий пути циркуляции теплой воды между нагревательной скважиной и возвратной скважиной.
Фиг.5 представляет график, показывающий взаимосвязи с кривой фазового равновесия.
Фиг.6 представляет график, показывающий взаимосвязи с кривой фазового равновесия согласно варианту осуществления.
Фиг.7 представляет график, показывающий изменение суточной добычи в течение большого промежутка времени.
Фиг.8 представляет график, показывающий соотношение между толщиной пласта и продуктивностью.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Если исходить из того, что глубина воды составляет 1000 м, температура у морского дна составляет 4°С, и градиент температуры в грунте составляет от 3 до 4°С на 100 м, то температура грунта на глубине 1000 м ниже морского дна предполагается достигающей от 34 до 44°С. Предел глубины безрайзерного бурения составляет около 1500 м ниже морского дна. Пластовое давление обычно невелико почти до такой глубины, и поэтому допустимо, что может быть использован безрайзерный вращающийся превентор (BOP, ПВП) низкого давления. Когда бурение выполняют на бóльшую глубину, стоимость буровых работ резко возрастает, так как из соображений безопасности требуется применение полномасштабного противовыбросового превентора (ВОР) и водоотделяющей колонны (райзера). Предельная глубина глубинного водоносного горизонта, который можно экономично эксплуатировать, составляет около 1500 м ниже морского дна.
Поэтому в отношении глубинного водоносного горизонта, который должен быть использован, сравнение и испытание выполнено в диапазоне глубин от 1000 м до 1500 м ниже уровня морского дна, и выбран песчаный пласт, имеющий наибольшую способность поставлять геотермальную энергию. Хотя стоимость бурильных работ изменяется соответственно глубине, в этом диапазоне факторы влияния на экономические показатели проявляются очень мало, поскольку градиент температур грунта и повышение стоимости буровых работ с ростом глубины компенсируют друг друга.
Чем больше толщина глубинного водоносного горизонта, тем проще обеспечивать расход потока теплоносителя, и возрастает количество подводимой теплоты. В основном желательно, чтобы применимый пластовый резервуар для теплоносителя был большим.
Согласно настоящему изобретению теплую воду в таком глубинном водоносном горизонте выкачивают с помощью насоса, смонтированного в нагревательной скважине, и подают в область поблизости от граничной поверхности зоны диссоциации в нижней части пласта гидрата метана. В качестве насоса может быть использован недорогой однофазный забойный насос.
Первоначальная проницаемость пласта гидрата метана невелика. Однако после разрушения структуры твердого гидрата метана проницаемость пласта гидрата метана становится высокой. Поэтому, если в качестве проточного теплообменника используют песчаный пласт, достигающий зоны диссоциации в нижней части пласта гидрата метана, то снижается мощность, необходимая для обеспечения течения теплоносителя. Нижний конец пласта гидрата метана изначально находится в условиях граничной линии зоны диссоциации.
Пока проницаемость не будет доведена до уровня абсолютной проницаемости, диссоциацию гидрата метана на граничной поверхности зоны диссоциации производят сначала соответственно способу со сбрасыванием давления. Если диссоциация на граничной поверхности начинается и проницаемость изменяется до уровня абсолютной проницаемости, может быть создан канал течения для теплообмена.
На основе показательного эксперимента и тому подобного сделан прогноз, что вблизи граничной поверхности зоны диссоциации в нижней части пласта гидрата метана присутствует песчаный пласт, имеющий высокую проницаемость. Главная неопределенность заключается в неоднородностях распределения трещиноватости и гидравлического сопротивления.
Согласно базовым представлениям относительно основ бурильных работ и традиционной разработки нефтяных и газовых месторождений абсолютная проницаемость вблизи граничной поверхности зоны диссоциации в нижней части пласта гидрата метана составляет от 200 миллидарси (md, мД) до 1 дарси (d, Д) в горизонтальном направлении. Абсолютная проницаемость глинистого пласта варьирует от нескольких микродарси (μd) до 0,7 миллидарси (md). Предполагается, что пласт гидрата метана представляет собой пласт перемежающихся песка и глины. Вода едва ли протекает до верхнего пласта.
Если циркуляция теплоносителя в заданном диапазоне давлений затруднена, то насос начинает работать после того, как структура твердого гидрата метана полностью разрушена и обеспечена проницаемость для воды вблизи граничной поверхности. Поэтому рекомендуется монтировать на насосе дифференциальное реле давления.
Например, когда глубина воды составляет 1000 м, то, если используют способ со сбрасыванием давления, температура пласта, накопившего гидрат метана, на глубине около 300 м ниже морского дна достигает примерно 14°С, и, даже если сбрасывание давления не происходит, гидрат метана входит в зону диссоциации при температуре около 16°С. Теплоноситель, подвергнутый теплообмену, возвращают в глубинный песчаный пласт с помощью насоса, установленного в возвратной скважине. Таким образом, предотвращают накопление воды в пласте гидрата метана и устраняют повышение пластового давления как потенциальный проблемный фактор.
Конструкция нагревательной скважины и возвратной скважины упрощена, как описано ниже. Размещение труб в скважинах не предусмотрено. Расположенное в таковых оборудование имеет конструкции, в которых обеспечена возможность сборки и ремонта путем подъема и опускания за один проход (одной спускоподъемной операцией) с использованием проволочного каната. Это позволяет проводить ремонтные работы с использованием вспомогательного судна вместо дорогостоящей буровой установки.
Пласт гидрата метана в результате диссоциации образует свободный газообразный метан и воду. Во-первых, бóльшую часть пласта гидрата метана занимает эмульсия. Однако, вследствие неоднородности геологических параметров и участия микротрещин, небольших разломов или тому подобных, с течением времени становится все более заметным гравитационный режим. Когда извлекают воду и песок, стоимость добычи заметно возрастает. Поэтому во избежание такого повышения целесообразно снижать степень сбрасывания давления при использовании способа со сбрасыванием давления и ускорять гравитационное разделение газа и воды в пласте и в забое скважины.
В условиях интенсивного сбрасывания давления избирательное извлечение только газа затруднительно. Однако отношение газа к воде в извлекаемом флюиде явно улучшается при снижении степени сбрасывания давления. Поэтому можно ожидать существенного сокращения количеств выносимых песка и воды. Снижение количеств выносимых песка и воды является исключительно эффективным для сокращения стоимости разработки месторождения, составляющей основную долю расходов на подводные работы.
Расширение граничной поверхности зоны диссоциации убыстряется, показатели продуктивности во времени выравниваются, и может быть достигнуто улучшение коэффициента извлечения при непосредственном подведении геотермальной энергии на глубине к граничной поверхности зоны диссоциации. Далее, благодаря повышению температуры извлекаемого флюида снижается риск гидратации или замораживания пласта гидрата метана и канала течения.
С другой стороны, предполагается, что в результате диссоциации гидрата метана давление в пласте гидрата метана в некоторой степени повышается. В способе с нагреванием при нагнетании горячей воды пластовое давление еще более заметно возрастает, поскольку вода накапливается в пласте гидрата метана. Поэтому увеличивается опасность повреждения герметизирующего слоя. Далее, сводится на нет эффект сбрасывания давления. Более того, увеличивается количество извлекаемой воды, и ухудшаются экономические показатели.
В системе согласно настоящему изобретению создается циркуляция теплоносителя внутри пласта, и песчаный пласт в нижней части гидрата метана используется в качестве проточного теплообменника. Поэтому можно свести к минимуму опасность повреждения герметизирующего слоя.
Течение выделяющегося при диссоциации газа зависит от разнообразных условий. Однако сокращение отношения газа к воде и отношения воды к песку в извлекаемом флюиде непосредственно связано с улучшением экономических показателей. В целях улучшения экономических показателей в верхней части пласта гидрата метана размещают фильтр, и в нижней части пласта гидрата метана располагают канал для циркуляции теплоносителя. Из соображений сокращения стоимости добычи извлечение промежуточного слоя (эмульсии) с недостаточным разделением газа и воды является нежелательным. Поэтому положения входного канала для газообразного метана и канала для циркуляции теплоносителя разделены по вертикали настолько, насколько возможно, чтобы в еще большей мере обеспечить снижение степени сбрасывания давления.
В соответствии с улучшением степени диссоциации гидрата метана путем комбинированного применения нагревания и сбрасывания давления можно добиться повышения среднесуточной добычи из эксплуатационной скважины и улучшения коэффициента извлечения. Выравнивание продуктивности и снижение количеств выносимых песка и воды позволяет упростить технические нормы на проектирование производственной системы и является исключительно эффективным для сокращения расходов на сооружение установки. Согласно настоящему изобретению, благодаря синергическому эффекту этих факторов можно ожидать значительного улучшения экономических показателей.
Ниже с привлечением чертежей будет описан вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1 показывает схематическую диаграмму системы добычи газообразного метана при разработке месторождения гидрата метана согласно настоящему изобретению. Под верхней частью 500 пласта гидрата метана находятся пласт 100 гидрата метана, пласт 200, не насыщенный гидратом метана, и глубинный водоносный горизонт 300.
Скважина в правой части фиг.1 представляет собой скважину, полученную путем состыковки по вертикали эксплуатационной скважины 20 и нагревательной скважины 30. Эта скважина пронизывает не ненасыщенный гидратом метана пласт 200, находящийся ниже пласта 100 гидрата метана, и выкачивает теплоноситель из глубинного водоносного горизонта 300, расположенного под пластом 200, не насыщенным гидратом метана. Благодаря вертикальной состыковке эксплуатационной скважины 20 и нагревательной скважины 30 предотвращается повышение стоимости бурения. В скважине 10 сформирована секция 11 для нагнетания цемента в межслойные промежутки в необходимых местах для обеспечения стабильности.
В эксплуатационной скважине 20 в верхней части предусмотрен фильтр 12 на входном канале для газа, и уплотнительная перегородка 13 предусмотрена в средней части. В верхней части пласта 100 гидрата метана на входном канале для газа размещен фильтр 12, который обеспечивает перепад давления для отбора газа, образованного диссоциацией в пласте 100 гидрата метана, заставляет газ подниматься по скважине 10 и собирает газ на поверхности моря. Уплотнительная перегородка 13 разделяет каналы течения для извлекаемого газа и теплоносителя.
Нагревательная скважина 30 выкачивает теплоноситель из глубинного водоносного горизонта 300 и непрерывно подает теплоноситель к граничной поверхности 105 зоны диссоциации пласта 100 гидрата метана. Поэтому нагревательная скважина 30 включает всасывающий насос 31 и тому подобный.
Недиссоциированная зона (твердая фаза) 101 в пласте гидрата метана последовательно диссоциирует от периферических областей 102 и 103 скважины при нагревании и преобразуется в диссоциированную фазу газообразного метана и воды. Вода и песок постепенно отделяются и опускаются вниз под действием силы тяжести. Извлекаемый флюид, содержащий главным образом газообразный метан, поступает в газосборный трубопровод через фильтр на входном канале для газа, размещенный в верхней части эксплуатационной скважины.
Поток теплоносителя в пласте регулируется соответственно давлению в пласте, градиенту температур в пласте, перепаду давлений, силе тяжести, проницаемости и тому подобным факторам. Теплоноситель течет в проницаемом пласте 104 в нижней части пласта гидрата метана, как обозначено стрелкой 34, и непосредственно нагревает граничную поверхность 105 зоны диссоциации гидрата метана в нижней части недиссоциированной зоны (твердой фазы) 101.
Скважина 10, показанная в левой части фиг.1, включает эксплуатационную скважину 20 в верхней части и включает возвратную скважину 40 в нижней части. Конструкция и назначение эксплуатационной скважины 20 являются такими же, как таковые, описанные выше. Возвратная скважина 40 сформирована протяженной от нижнего конца пласта 100 гидрата метана до глубинного водоносного горизонта 300. По возвратной скважине 40 теплоноситель, который был подвергнут теплообмену в процессе протекания вблизи граничной поверхности 105 зоны диссоциации гидрата метана, возвращается в глубинный водоносный горизонт 300. В результате включения насоса 41, например, давление в пласте поблизости от нижнего конца возвратной скважины 40 возрастает примерно на 3 МПа. Поэтому в глубинном водоносном горизонте 300 появляется градиент давлений, и вода течет в направлении стрелки 33. Протекая через глубинный водоносный горизонт 300, охлажденный теплоноситель поглощает достаточное количество геотермальной энергии. Температура теплоносителя вновь повышается почти до исходной температуры грунта.
Давление флюида в глубинном водоносном горизонте 300 в общем обусловливается специфическими условиями давления в пласте. После этого теплоноситель течет в отстойник 35 нагревательной скважины 30, в то же время накапливая геотермальную энергию, в соответствии с имеющим место перепадом давлений. Теплоноситель, собравшийся в отстойнике 35, выкачивается насосом 31 и выводится из канала 36 вблизи граничной поверхности 105 зоны диссоциации гидрата метана.
Теплоноситель, выведенный вблизи граничной поверхности 105 зоны диссоциации в нижней части пласта гидрата метана, течет через песчаный пласт 104, имеющий высокую абсолютную проницаемость. Теплоноситель течет, как показано стрелкой 34, под действием повышенного давления от насоса 31 как основного источника мощности. Повышенное давление от насосов 31 и 41 варьирует в зависимости от условий, но составляет, как предполагается, например, около 3 МПа.
Теплообмен происходит между теплоносителем и пластом гидрата метана, когда теплоноситель течет в песчаном пласте 104 в нижней части пласта 100 гидрата метана. Теплоноситель, передавший свою тепловую энергию, засасывается насосом 41 в возвратной скважине 40. Поэтому между насосами 31 и 41 может быть обеспечен перепад давлений около 6 МПа. Циркуляция теплоносителя между глубинным водоносным горизонтом 300 и пластом 100 гидрата метана продолжается в течение длительного периода времени с использованием перепада давлений, созданного насосами 31 и 41, как основной движущей силы.
В системе сбора газообразного метана согласно варианту осуществления настоящего изобретения, основу которой составляет контур циркуляции для круговорота теплоносителя в грунте, разность давлений между пластом 100 гидрата метана и глубинным водоносным горизонтом 300 не увеличивается.
Поскольку в способе с нагреванием системой нагнетания горячей воды принудительное нагнетание теплой воды не производится, может быть предотвращено накопление пластовой воды. Поэтому опасность вызвать нарастание пластового давления мала, тем самым снижая риск нарушения герметизации. Следовательно, повышается надежность, и в то же время могут быть сокращены расходы на мероприятия, направленные на предотвращение проседания поверхности морского дна и уплотнения породы.
В принципе, в системе сбора газообразного метана согласно настоящему изобретению может быть использована комбинация сбрасывания давления и нагревания. Следовательно, поскольку возможно сокращение степени сбрасывания давления по сравнению с прошлым способом с простым сбрасыванием давления, снижается риск выноса песка и воды. Зона 101 недиссоциированного гидрата метана сокращается по мере диссоциации гидрата метана. Однако расширение граничной поверхности зоны диссоциации при сбрасывании давления едва ли будет иметь место поблизости от центра недиссоциированной области 101. Области, где происходит развитие поверхности зоны диссоциации, находятся вблизи верхней и нижней периферических областей 102 и 103 недиссоциированной области 101. Скорость диссоциации в области 102 у верхнего конца низка вследствие малого количества подводимой теплоты.
В прошлом способе со сбрасыванием давления возможность подведения теплоты, необходимой для ускорения диссоциации гидрата метана, недостаточна вблизи нижней граничной поверхности 105. В системе сбора газообразного метана согласно настоящему изобретению обеспечена искусственная циркуляция геотермальной теплой воды в глубине через песчаный пласт 104 вблизи такой нижней граничной поверхности 105, где возможность подведения теплоты недостаточна, и непосредственно происходит теплообмен с использованием высокой разности температур между пластами.
По сравнению с эксплуатационной скважиной 20 на левой стороне, эксплуатационная скважина 20 на правой стороне фиг.1 может снижать отношение газа к воде путем сокращения степени сбрасывания давления в некоторой мере. Поскольку скважина расположена на стороне выше по потоку циркулирующей геотермальной воды, количество подводимой тепловой энергии является более высоким. Это трактуется так, что, поскольку степень сбрасывания давления и уровень влияния теплообмена взаимно скомпенсированы, продуктивности левой и правой скважин аналогичны друг другу.
В системе сбора газообразного метана согласно настоящему изобретению теплоноситель циркулирует в пласте, тем самым непосредственно подводя геотермальную энергию к граничной поверхности зоны диссоциации гидрата метана. Успех и неудача этого в значительной мере зависят от величины расхода потока теплоносителя и текучести такового.
Поэтому было проверено настолько, насколько возможно, может ли быть обеспечено количество циркулирующего теплоносителя, необходимое для диссоциации гидрата метана. Геологические условия рассматривали как однородные, и применяли закон Дарси.
В качестве формулы для расчета способности собирать нефть (воду) с использованием колонны труб использовали следующую формулу.
Расчетная формула:
e
w
Q = 2×PI()×k×h×100×ΔP/1,03323/μ/LN(r/r),
e
w
3
где PI(): π, k: абсолютная проницаемость = 300 миллидарси, h: толщина пластового резервуара = 17,6 м, ΔP: разность давлений = 3 МПа, μ: вязкость = 1,00 сантипуаз (cП), r: радиус пластового резервуара = 180 м, и r: радиус скважины = 17,8 см. В результате способность прогонять воду насосом была рассчитана составляющей около 1202 м/день.
С другой стороны, провели расчет количества теплоты и расхода потока, необходимых для обеспечения заданного уровня суточной добычи.
3
3
3
В результате количество теплоносителя, которое необходимо, когда продуктивность скважины была рассчитана на 40000 м/день, разность температур до и после теплообмена вблизи граничной поверхности зоны диссоциации была задана на уровне 20°С, тепловой коэффициент полезного действия был принят равным 100%, и зависимость диссоциации от способа с нагреванием была принята равной 20%, было рассчитано составляющим около 254 м/день/скважину. Если тепловой коэффициент полезного действия всей системы в целом принять на уровне 30%, то необходимое количество теплоносителя составляет около 846 м/день/скважину.
3
Результаты вышеописанного расчета и других расчетов были истолкованы так, что было вполне возможно обеспечить циркуляцию геотермальной энергии, необходимой для поддержания продуктивности. Если продуктивность скважины равна или меньше 40000 м/день, необходимое количество теплоты еще более снижается, и улучшаются возможности использования доступной мощности.
Насос, установленный в нагревательной скважине, не испытывает ограничений в обеспечении количества теплоносителя в той мере, насколько имеется глубинный водоносный горизонт, имеющий высокую проницаемость. Кроме того, без труда можно использовать несколько глубинных песчаных пластов в качестве источников тепла.
Предполагается, что современный забойный насос имеет повышенную мощность и мощность нагнетания, необходимые для циркуляции теплоносителя в пласте, и оба показателя могут быть реализованы почти на 100%.
Фиг.2 представляет график, схематически показывающий механизм системы сбора газообразного метана согласно настоящему изобретению, с использованием теплоты земных глубин, и пример температурных условий в пласте и флюиде. Поскольку на данном этапе нельзя представить показательные результаты, этот график построен на основе общеизвестных фактов.
По ординате на график нанесены глубина залегания пласта 100 гидрата метана, не содержащего гидрат метана пласта 200 и глубинного водоносного горизонта 300, и по абсциссе нанесена температура. Схематически показаны линия 610 градиента температур грунта и диаграммы (601-608) теплового цикла системы диссоциации и сбора газообразного метана согласно настоящему изобретению.
Когда глубина воды составляет 1000 м, линия 610 градиента температур грунта прогнозирована как отрезок от морского дна до глубинного водоносного горизонта 300. Поэтому вблизи глубинного водоносного горизонта 300 ожидается температура грунта около 42ºС. Процесс откачивания теплоносителя из глубинного водоносного горизонта (точка 601) насосом и нагнетания теплоносителя в песчаный пласт 110 поблизости от пласта гидрата метана обозначен линией 602. Температура теплоносителя в конечной точке 603 линии составляет около 40°С. Точка 603 обозначает температуру теплоносителя в момент, когда теплоноситель подходит вплотную к фронту диссоциации гидрата метана. Как показано линией 604, температура падает почти до 20°С, когда теплоноситель проходит вблизи граничной поверхности зоны диссоциации. Теплоноситель отдает тепловую энергию при разности температур теплоносителя около 20°С (40°С→20°С) и достигает конечной точки 605. Теплоноситель, охлажденный до температуры 20°С, возвращается в глубинный водоносный горизонт в процессе, обозначенном линией 606, под действием насоса и тому подобного, установленного в возвратной скважине. Разность температур в 20°С не является непреложным требованием. В расчете количество теплоты, необходимое для диссоциации, является удовлетворительным даже при тепловом коэффициенте полезного действия 30%.
Далее, теплоноситель поглощает теплоту из грунта, как обозначено линией 608, когда протекает через глубинный водоносный горизонт 300, и возвращается к геотермальной температуре около 42°С (точка 601). Теплота грунта варьирует в зависимости от местоположения. Там, где толщина глубинного водоносного горизонта 300 мала, или когда желательно повысить тепловую энергию, предпочтительно использовать несколько более глубокий водоносный горизонт.
В фиг.2 схематически показано одномерное течение теплоносителя. Однако на самом деле теплоноситель течет, например, двумерно. Поэтому вариации теплообмена во времени являются несколько более усложненными.
Кривая 620 качественно изображает изменение температуры грунта, каковое происходит, когда добыча продолжается способом с простым сбрасыванием давления. Поскольку скорость подведения теплоты низка, температура пласта падает соответственно диссоциации. Кривая 630 показывает прогноз температуры пластового флюида во время извлечения с использованием системы сбора газообразного метана согласно настоящему изобретению. Температура грунта может в известной степени повыситься, если геотермальная энергия является равной или более высокой, чем теплота, которая поглощается пластом гидрата метана и потребляется для диссоциации. Температуру флюида вблизи граничной поверхности зоны диссоциации, которая влияет на продуктивность, можно регулировать вариацией производительности насосной установки.
Фиг.3 представляет график, показывающий соотношение между глубиной и температурой пласта, прогнозированное в отдаленной от берега зоне южного моря. Поскольку объем исследований еще не является достаточным, численные значения, показанные в графике, слегка различаются в зависимости от местоположения. Однако градиент температур грунта в широком диапазоне оценен как составляющий от 3°С до 4°С на 100 м.
Соотношение между глубиной и давлением предполагается как по существу линейное отношение и показывает, что температура пласта соответствует условиям нормального давления в пласте почти до глубины 1350 м.
Хотя имеют место отклонения в зависимости от местоположения в отдаленной от берега зоне южного моря, при глубине воды около 1000 м прогнозируется, что глинистый пласт присутствует до глубины 1100 м, ниже глинистого пласта располагается пласт из перемежающихся песка и глины, и нижний конец насыщенной гидратом метана области находится на глубине около 1350 м. Температура пласта на нижнем конце насыщенного гидратом метана пласта считается равной примерно 14°С.
Согласно кривой фазового равновесия гидрата метана, температуру на граничной поверхности зоны диссоциации у нижнего конца насыщенного гидратом метана пласта считают равной примерно 16°С. Поэтому разность между температурой пласта и температурой на граничной поверхности у нижнего конца насыщенного гидратом метана пласта оценивают как равную примерно 2°С. Тем самым предполагается, что предельно недорогой комбинированный способ получается при возможности подведения теплой воды с температурой около 40°С без употребления топлива и выполнения эффективного теплообмена вблизи граничной поверхности зоны диссоциации.
Согласно фиг.3 предполагается, что теплая вода с температурой, равной или превышающей 40°С, может быть относительно легко добыта из водоносного горизонта на глубине 1000 м ниже морского дна или глубже (когда температура у морского дна составляет 4°С и градиент температур грунта составляет 4°С/100 м, то, согласно расчету, температура водоносного горизонта на глубине 1000 м ниже морского дна составляет около 44°С).
Пластовое давление возрастает, если продолжается принудительное нагнетание теплой воды. Однако при использовании производственного оборудования, основанного на системе циркуляции внутри пласта согласно настоящему изобретению, нет необходимости в принудительном нагнетании флюида под высоким давлением. Поэтому можно избежать нарастания давления в пласте гидрата метана. Если проницаемость водоносного горизонта является достаточной, то можно ожидать спокойной циркуляции теплой воды, обеспечиваемой однофазным забойным насосом.
Фиг.4 представляет вид сверху, схематически показывающий путь перемещения теплоносителя, который движется от верха нагревательной скважины 30, показанной в фиг.1, до нижней части возвратной скважины 20 через область, ближайшую к граничной поверхности зоны диссоциации в пласте гидрата метана. В фиг.4 эти скважины равномерно распределены в плоскости, и плоская область пласта гидрата метана, из которой извлекают газообразный метан, для удобства показана в виде квадрата. Направление течения теплоносителя в плоскости зависит от положения скважины, температурного градиента, анизотропии, угла падения пласта, градиента физического давления в пласте, силы тяжести, проницаемости и тому подобных факторов. Направление течения только должно быть в состоянии переносить геотермальную энергию к песчаному пласту вблизи граничной поверхности зоны диссоциации гидрата метана. Вне зависимости от того, как расположены скважины, предполагается, что теплоноситель течет по существу радиально вдоль поверхности пласта, как показано стрелками.
Фиг.5 представляет график, показывающий соотношение между глубиной, давлением и температурой пласта гидрата метана, прогнозированное согласно способу с простым сбрасыванием давления и кривой фазового равновесия. Кривая 702 фазового равновесия гидрата метана вычерчена относительно глубины, показанной в логарифмической шкале по ординате, и температуры, нанесенной по абсциссе.
Заштрихованная область с нижней левой стороны кривой 702 представляет собой область твердой фазы гидрата метана. Далее, область с верхней правой стороны от кривой 702 представляет область газообразного метана. Далее, область на стороне температур ниже 0°С представляет область смеси газообразного метана, воды и льда. Далее, область на стороне температур выше 0ºС представляет область смеси газообразного метана и воды. В дополнение к глубине, по ординате нанесена шкала давлений.
К примеру, температура пласта гидрата метана на глубине 1000 м составляет около 14°С. Когда давление снижается до около 3 МПа, пласт гидрата метана переходит в состояние, соответствующее точке 710, и гидрат метана может быть извлечен в виде газа. Однако, поскольку скорость подведения теплоты низка, удовлетворительную продуктивность поддерживать невозможно, и пласт гидрата метана ввиду снижения температуры переходит в состояние, соответствующее точке 711. Поэтому испарение затрудняется, и продуктивность заметно падает.
В способе с простым сбрасыванием давления, хотя первоначальная продуктивность является удовлетворительной, количество подводимой теплоты с течением времени снижается. В начале добычи теплота подводится из нижней части гидрата метана и глинистого пласта, который формирует пласт, перемежающийся с пластом гидрата метана. Однако верхняя часть гидрата метана и глинистого пласта не вносят вклада в продуктивность, недостаток теплоты становится очевидным, тогда как извлечение продолжается.
Подведение теплоты из нижней части пласта гидрата метана поддерживается до завершения добычи. Однако, поскольку скорость переноса низка, температура пласта снижается, и условия температуры и давления на граничной поверхности зоны диссоциации достигают состояния, соответствующего границе раздела кривой фазового равновесия. Вследствие этого становится неизбежным внезапное снижение продуктивности. Поэтому форма кривой производственных показателей ухудшается, обусловливая падение эффективности работы установки и возрастание затрат на строительство.
Фиг.6 представляет график, показывающий основанную на кривой фазового равновесия ситуацию, которая имеет место, когда используют систему извлечения газообразного метана согласно настоящему изобретению. Масштабы выставлены аналогичным образом, как в фиг.5. В настоящем изобретении можно поддерживать извлечение со сбрасыванием давления вплоть до 7 МПа путем получения геотермальной энергии из глубины с использованием насоса и непосредственного подведения геотермальной энергии к граничной поверхности зоны диссоциации гидрата метана. Поскольку может непрерывно подводиться достаточное количество теплоты, падения температуры не происходит, и можно предотвратить внезапное снижение продуктивности.
Поддержание продуктивности на стабильном уровне может быть обеспечено корректированием скорости подведения геотермальной энергии. Резкий подъем продуктивности может быть подавлен снижением степени сбрасывания давления. Более конкретно, выравнивание продуктивности обеспечивают с помощью средств регулирования продуктивности в двух системах. Поэтому можно заметно упростить конструкцию производственного оборудования. В то же время достигается сокращение количеств выносимых песка и воды.
Фиг.7 представляет график, в котором долговременное изменение 801 суточной добычи, прогнозированное согласно способу со сбрасыванием давления при фиксированном давлении на забое скважины, сравнивают с долговременным изменением 811 суточной добычи, ожидаемым при использовании этой системы извлечения, в которой применяют глубинное тепло. По ординате показана суточная добыча из скважины, и по абсциссе отмечено количество лет добычи. В способе с простым сбрасыванием давления при фиксированном давлении на забое скважины, как показано линией 801, суточная добыча внезапно возрастает в начале извлечения. Однако, даже если интенсивное сбрасывание давления продолжается при фиксированном давлении на забое скважины, суточная добыча быстро падает.
С системой согласно настоящему изобретению можно удержать уровень пиковой добычи на должном уровне снижением степени сбрасывания давления, и поддерживать долговременную стабильную добычу на постоянном уровне путем непрерывного подведения геотермальной энергии, в то же время контролируя количество теплоты.
Более конкретно, можно спрямить кривую производственных показателей для способа со сбрасыванием давления, подобную линии 811, снижением степени сбрасывания давления и регулированием количества подводимой геотермальной энергии.
В этом примере линия 802, соответствующая техническим нормам на проектирование установки, в зависимости от кривой производственных показателей способа со сбрасыванием давления изменяется так, как показано линией 812, при выборе этой системы. В результате технические нормы на проектирование подводной системы снижаются, и, с другой стороны, возрастает средняя продуктивность. Коэффициент извлечения явственно улучшается в результате автоматического расчета согласно экономической модели, в которую введены кривые 801 и 811 производственных показателей.
Это значит, что затраты на сооружение производственной установки значительно сокращаются, и, с другой стороны, растет доход от продажи газа, и тем самым можно ожидать заметного экономического эффекта.
Фиг.8 представляет график, показывающий соотношение между толщиной пласта гидрата метана и продуктивностью, прогнозируемое согласно способу со сбрасыванием давления, и возможности повышения продуктивности. Толщина пласта гидрата метана нанесена на график по ординате, и по абсциссе нанесена продуктивность скважины. Кривая 832 обозначает прогнозированное значение продуктивности для способа со сбрасыванием давления. В способе со сбрасыванием давления, когда толщина превышает толщину, при которой начинает проявляться недостаточность подведения теплоты, увеличение толщины не обеспечивает повышения продуктивности, и возрастает только величина недиссоциированной области. Другими словами, даже если в море много толстых пластов гидрата метана, это преимущество не может быть эффективно реализовано для повышения продуктивности.
С другой стороны, когда используют систему извлечения газообразного метана согласно настоящему изобретению, в которой употребляется глубинное тепло, подведение теплоты ускоряется. Поэтому предотвращается расширение недиссоциированной области. Когда толщина пласта гидрата метана возрастает, это преимущество может быть непосредственно использовано для повышения продуктивности. Линия 833 показывает верхнее предельное значение, ожидаемое для этой системы, в которой подводят геотермальную энергию. Зона между линией 833 и линией 832 показывает ожидаемую область, которая изменяется соответственно количеству подводимой теплоты. Однако на настоящем этапе количественно проверить эту область нельзя.
Линия 831 обозначает продуктивность для усредненной традиционной добычи газа в океане.
В общем, при традиционной разработке газового месторождения толщина пласта велика, продуктивность улучшается, и в результате также улучшаются экономические показатели. Настоящая система извлечения в основном разработана с целью увеличения скорости диссоциации гидрата метана, и в то же время представляет собой попытку использовать преимущества толщины газоносного пласта столь же эффективно, как при разработке традиционного газового месторождения.