СПОСОБ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ ЗАЛЕЖИ ГИДРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR HYDROCARBON EXTRACTION FROM DEPOSIT OF HYDRATE USING WASTE HEAT (VERSIONS), AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к добыче углеводородов из подземных залежей гидратов, содержащих углеводороды.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
3
3
3
2
2
Гидраты природного газа (ГПГ или клатратные гидраты природных газов) образуются тогда, когда молекулы воды и природного газа соединяются вместе в соответствующих условиях при относительно высоком давлении и низкой температуре. При указанных условиях молекулы воды, являющиеся "хозяином", образуют структуру клетки или кристаллической решетки, содержащей внутри "гостевые" молекулы газа. По данному механизму плотно упаковываются большие количества природного газа. Например, 1 м гидрата метана содержит 0,8 м воды и, как правило, 164, а иногда до 172 м метана. Хотя из клатратов в природе чаще всего встречается гидрат метана, но другие газы также образуют гидраты, включая такие углеводородные газы, как этан и пропан, и такие неуглеводородные газы, как диоксид углерода (CO) и сероводород (HS).
ГПГ широко распространены в природе и часто встречаются в осадочных донных отложениях, связанных с глубокозалегающей вечной мерзлотой в Арктике, и на подводной окраине материка, обычно на глубинах больше 500 м (1600 футов) в средних и низких широтах, и больше 150-200 м (500-650 футов) - в высоких широтах. Протяженность зоны стабильности гидрата зависит от температуры, давления, состава гидратообразующего газа, исходных геологических условий, глубины и других факторов.
3
3
Мировые запасы гидрата метана оцениваются приблизительно в 700 000 трлн. фут - это невероятно большое число, сравнимое с подтвержденными на данный момент мировыми запасами природного газа, которые составляют 5 500 трлн. фут.
До сих пор большая часть поисков гидрата метана была сосредоточена на теоретических исследованиях, а также на обнаружении и определении параметров залежей гидратов. Рентабельные и экологически приемлемые способы извлечения все еще находятся на начальной стадии разработки. Создание безопасного и экономически эффективного способа добычи гидратов метана остается серьезной технической и экономической задачей для освоения залежей гидратов.
Диссоциация гидрата является сильно эндотермическим процессом (т.е. при протекании указанного процесса гидрат отбирает тепло из окружающей среды). Количество тепла, доступное от окружающих геологических слоев, часто ограничено, и поэтому скорость теплового потока часто является низкой. Первой идеей по организации добычи гидратов было обеспечение специальных внешних источников тепла (например, паровые котлы) для подачи тепла (например, горячей воды или пара) в залежь гидрата для обеспечения протекания процесса эндотермической диссоциации и, как следствие, обеспечения более высокой производительности отбора углеводорода. Это обычно называют термической стимуляцией. Экономический анализ на момент разработки исходил из стоимости генерации пара или горячей воды в специальной установке и показал, что такая технология не является экономичной. Далее исследования были направлены на добычу залежей гидратов нарушением герметичности (с эндотермическим теплом, которое поступает от Земли). Это дает очевидное снижение норм отбора по сравнению с прямым нагреванием (термической стимуляцией), потому что входящий поток тепла зависит от вышеупомянутых геологических ограничений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
Раскрыт способ добычи углеводородов из подземной залежи гидрата, содержащий углеводороды. Использованное тепло от физически близко расположенной, но иным образом не связанной, установки или оборудования отбирается и передается флюиду для его нагревания. Нагретый флюид поступает в пласт гидрата, содержащий углеводороды, передавая тепло гидратам, содержащимся в соответствующей залежи, вследствие чего происходит диссоциация гидратов на природный газ и воду. Диссоциировавшие природный газ и вода транспортируются к производственной мощности, где природный газ подвергают переработке. Примеры нагретого флюида, который может быть закачан в пласт гидрата, включают, например, без ограничения, горячую пресную и соленую воду, пар, горячие газы или жидкости углеводородов, CO или азот.
По одному из вариантов осуществления настоящего изобретения используемое тепло является теплом, полученным от теплогенерирующей установкой, установленной на поверхности земли или на поверхности воды или вблизи нее. В качестве неограничивающего примера таких установок можно рассмотреть завод по переработке природного газа в углеводородные жидкости (СЖТ), завод по сжижению природного газа (СПГ), установку по производству электроэнергии и береговую или шельфовую установку добычи других традиционных и нетрадиционных углеводородов из подземных залежей. Выражение “нетрадиционные углеводороды” относится, например, к газовым сланцам, газу в плотных породах, метану угольных пластов, нефтяным сланцам и нефтеносным пескам.
По другому варианту осуществления настоящего изобретения, используемое тепло выделяется из подземных образований. Например, использованное тепло может быть произведено подземными геотермальными скважинами. Еще один вариант используемого тепла - это тепло, отобранное от добытых флюидов из залежи добычи углеводородов. В идеале, используемое тепло от добытых флюидов передается флюидам, которые нагнетаются в залежь гидрата для стимуляции диссоциации гидрата. Добытые флюиды также могут быть непосредственно закачаны в залежь.
Раскрыта также система добычи природного газа из подземной залежи гидрата, содержащей углеводороды. Такая система включает установку на поверхности, генерирующую используемое тепло, флюид, который нагревается с получением нагретого флюида, залежь гидрата, содержащая углеводороды, первый трубопровод, по которому проходит нагретый флюид к залежи гидрата, содержащей углеводороды, вследствие чего гидраты диссоциируют на природный газ и воду, второй трубопровод, по которому к производственной мощности направляют диссоциировавшие природный газ и вода. Неограничивающие примеры таких установок на поверхности включают завод по переработке природного газа в углеводородные жидкости (СЖТ), завод по сжижению природного газа (СПГ), установки по производству электроэнергии и береговую или шельфовую установки добычи других традиционных и нетрадиционных углеводородов из подземных залежей.
В качестве альтернативного варианта описана система, которая включает подземный источник использованного тепла вместо установки на поверхности. В качестве одного из примеров подземного источника использованного тепла может быть нагретая порода геотермального источника. Другим примером подземного источника использованного тепла может быть залежь добываемых углеводородов и нагреваемый флюид, который является водой, получающей тепло от добытых флюидов из залежи добываемых углеводородов. Тепло от добытого флюида может быть передано, например, с помощью теплообменника, флюиду, который должен быть повторно закачан для стимуляции диссоциации гидратов. Добытые флюиды также могут быть непосредственно закачаны в пласт.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Цели, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после рассмотрения описания прилагаемой формулы изобретения и чертежа, где:
на фигуре 1 изображен схематический разрез первого варианта осуществления настоящего изобретения, где используемое тепло от установки на поверхности транспортируется для увеличения добычи углеводородов из залежи гидрата; и
на фигуре 2 изображен схематический разрез второго варианта осуществления настоящего изобретения, в котором тепло от геотермальной скважины и от подземного образования используется для увеличения добычи углеводородов из залежи гидрата.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Доступное используемое тепло целесообразно использовать в качестве источника для обеспечения термической стимуляции. Такое тепло может поступать, например, от теплообменников в оборудовании системы генерации электроэнергии, компрессоров или от традиционной или нетрадиционной добычи нефти и газа. Нетрадиционная добыча нефти и газа относится, например, к газовым сланцам, газу в плотных породах, метану угольных пластов, нефтяным сланцам и нефтеносным пескам. Более мощные источники тепла могут располагаться, например, на совмещенных электростанциях или химических заводах, таких как завод по переработке природного газа в углеводородные жидкости (СЖТ) или завод по сжижению природного газа (СПГ). Совмещение с заводом СЖТ может быть чрезвычайно выгодным, поскольку процесс СЖТ является высокоэкзотермическим, и заводу СЖТ требуются большие объемы метана как в качестве топлива, так и в качестве сырья. Завод СЖТ генерирует большое количество тепла, которое можно направить в залежь гидрата для получения с высокой скоростью больших количеств газа метана для его нужд. Дополнительные синергетические преимущества возникают от совмещения с заводом СЖТ в том случае, если залежь гидрата географически удалена от потенциальных потребителей. Продукты СЖТ (синтетические жидкие топлива) намного легче транспортировать из удаленных мест, чем природный газ. Аналогичные принципы можно применить и к заводу СПГ.
Таким образом, наличие "теплового стока" в залежь гидрата означало бы, что можно было бы снизить затраты на постройку и эксплуатацию завода СЖТ, благодаря возможному исключению или хотя бы уменьшению размеров традиционной для завода системы охлаждения (охлаждающие башни и/или воздушные теплообменники лопастного типа).
Кроме того, большие количества пресной воды, высвобожденной при диссоциации гидрата и поднятой на поверхность, можно направлять на завод СЖТ или СПГ и использовать в качестве теплоносителя.
Фиг.1 показывает первый вариант системы 20 добычи углеводородов из пласта гидрата 22. Над пластом гидрата 22 расположен перекрывающий пласт 28, который выполняет функцию верхнего уплотнения, а также обеспечивает подвод ограниченного геологического тепла для поддержания эндотермической диссоциации пласта гидрата 22. Под пластом гидрата 22 расположен поддерживающий пласт 30, который обеспечивает подвод основной массы геологического тепла для поддержания эндотермической диссоциации пласта гидрата 22. Между добывающей скважиной 36 и пластом гидрата 22 образована зона диссоциации 26 в форме песочных часов. Добывающая скважина 36 может быть вертикальной (как показано на рисунке) или иметь другую ориентацию. Добывающую скважину 36 окружает зона пониженного давления, которая позволяет диссоциировать гидратам в пласте 22, а продуктам диссоциации перетекать в ствол скважины. Для усиления диссоциации гидратов в пласте 22, через несколько нагнетательных скважин 34 в пласт гидрата 22 подается нагретый флюид, например нагретая вода или пар. В идеальном случае тепло попадет в пласт гидрата 22, где вызовет реакцию диссоциации гидрата, в результате чего образуются природный газ и вода. Нагнетательные скважины 34 могут оканчиваться в залежи гидрата или заходить глубже в геологическом теле с характеристиками, подходящими для содержания отработанного нагретого флюида.
Флюиды попадают из зоны диссоциации 26 в добывающую скважину 36. Добытые флюиды идеально разделяются сепаратором 40 и проходят через линии подачи углеводородов и воды 42 и 44 для последующей обработки, хранения, транспортировки и использования в качестве теплообменных флюидов на заводах 50, 60, 70 или 80.
Нагретый флюид может поступать из источников, в которых отвод тепла в других случаях является проблематичным. Первым примером является утилизация тепла от завода по переработке природного газа в углеводородные жидкости (СЖТ) 50 - тепло от теплообменников через трубопровод (не показан) может обеспечивать термическую стимуляцию пласта гидрата 22. Вторым вариантом осуществления данного изобретения является утилизация использованного тепла от завода по сжижению природного газа (СПГ) 60 - через теплообменники и трубопровод (не показан) тепло выполняет термическую стимуляцию пласта гидрата 22. Третьим вариантом осуществления данного изобретения является утилизация использованного тепла от установки для производства электроэнергии 70 (например, от работающей на газе паротурбинной установки или газотурбинной когенерационной установки) - тепло через теплообменники и трубопровод (не показан) выполняет термическую стимуляцию пласта гидрата 22. В четвертом варианте осуществления данного изобретения используется тепло, полученное от горячей воды от технических средств или конструкций по добыче нефти и/или газа 80 (например, от систем генерации электроэнергии, компрессоров или охладителей добытого газа и нефти) - тепло через теплообменники и трубопровод (не показан) выполняет термическую стимуляцию пласта гидрата 22.
Закачка нагретого флюида в пласт гидрата 22 может быть осуществлена, например, с помощью насосов 40 или безнапорным потоком.
На фиг.2 показаны другие варианты доставки тепла в залежь гидрата 122, содержащую углеводороды. Залежь гидрата 122 обычно ограничивает зону диссоциации 126 в форме песочных часов, через которую проходит добывающая скважина 136. Зона диссоциации 126 содержит углеводороды, воду и другие компоненты, которые высвободились из залежи гидрата 122. Добывающая скважина 136 подводит воду и углеводороды к сепаратору 140. Углеводороды и вода могут быть разделены и могут пойти далее по соответствующим трубопроводам 142 и 144.
В геотермальном источнике воды 150, расположенном над или под залежью гидрата 122, могут быть сделаны отводы для получения источника горячей воды. Затем горячая вода может быть возвращена на поверхность, где она через нагнетательную скважину 134 закачивается в залежь гидрата 122. Тепло от воды способствует диссоциации углеводородов и воды в залежи гидрата 122, которые высвобождаются в зону диссоциации 126. Как альтернативный вариант, горячая вода может быть направлена непосредственно в скважину 134 с помощью дополнительного трубопровода 132 без необходимости первого возврата воды на поверхность. Или еще, тепло от горячей воды или пара можно передать для или обменять с флюидом, который должен быть закачан.
В качестве другого альтернативного источника тепла, доступного для подвода тепла к залежи гидрата 122, продуктивный пласт углеводородов 260 подает горячие добытые флюиды в добывающую скважину 262. Добытые флюиды, то есть углеводороды, такие как нефть и природный газ, вместе с водой поднимаются вверх по добывающей скважине 262 на платформу, содержащую сепаратор 280. Добытые флюиды могут быть разделены на углеводороды и воду и отправлены дальше по трубопроводам 282 и 284.
Вокруг колонны обсадных труб добывающей скважины 262 может быть установлен теплообменник 280. Добытая на поверхность вода или еще каким-либо образом доступная вода, например морская вода, может пройти в нижнюю часть теплообменника 280 и подняться вверх вдоль залежи гидрата 122. Тепло от добытых флюидов в добывающей скважине 262 передается от теплообменника проходящей воде и затем пласту гидрата 122. Снова, введенное “использованное тепло” от залежи 260 используется для увеличения нормы отбора из пласта гидрата 122 за счет усиления процесса диссоциации гидратов.
Хотя настоящее изобретение описано для определенных предпочтительных вариантов его осуществления, и многие детали были показаны с иллюстративной целью, для специалиста в данной области техники очевидно, что оно допускает изменения и описанные конкретные детали могут быть существенно изменены не выходя за рамки основных принципов изобретения.