СПОСОБ ДОБЫЧИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ИЗ ГАЗОГИДРАТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
EXTRACTION METHOD OF NATURAL GAS FROM GAS HYDRATES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области газодобычи, конкретно к технологиям выделения и сбора природного газа из залежей газогидратов, и может быть использовано для получения метана из залежей метангидратов, локализованных в придонных участках океанического шельфа и в зоне вечной мерзлоты.
Газогидраты представляют собой супрамолекулярные соединения легких углеводородов, преимущественно метана, с водой в форме клатратов и существуют при высоких давлениях и относительно низких температурах. При нормальных температурах и давлении газогидраты разлагаются, выделяя метан и чистую воду.
В дальнейшем по тексту термины «газогидрат» и «метангидрат» будут использоваться в качестве синонимов. Также в качестве синонимов будут использованы термины «газ», «метан» и «природный газ».
В силу геологических и климатических условий газогидраты образуют природные залежи на дне морей, океанов, в районах вечной мерзлоты. По экспертным оценкам геологически идентифицированные запасы природного газа в форме газогидратов значительно превышают разведанные запасы газа, нефти и угля вместе взятые.
Большинство известных к настоящему времени изобретений в области разработки газогидратных месторождений в той или иной форме используют несколько общих подходов, основанных на физико-химических свойствах газогидратов, и включают различные комбинации механического, теплового и химического воздействия на природный пласт.
Описаны способы разложения газогидратов путем прогрева пласта с использованием геотермальной энергии глубинных водоносных пластов [JP 2007120257 А, опубл. 17.05.2007, RU 2463447 С2, опубл. 10.10.2012] путем закачивания с поверхности в пласт под давлением сжатого воздуха или азота вместе с водой [RU 2000128649 А, опубл. 20.10.2002] или с рассолом [WO 2012075569 А1, опубл. 14.06.2012]. Общий недостаток этих способов состоит в том, что вводимая с поверхности или из глубинных слоев тепловая и механическая энергия в значительной мере рассеивается, лишь частично воздействуя на продуктивный слой, следствием чего является относительно невысокая производительность при высоких затратах на создание инфраструктуры, подготовку реагентов и бурение системы скважин. Невысокая энергоемкость сжатых газов требует повышения их расхода и, как следствие, получение сильно разбавленного метана.
Описано применение физических методов разогрева породы газогидрата: в заявках [WO 2007136485 А2, опубл. 29.11.2007, JP 2004108132 А, опубл. 08.04.2004, JP 2009046882 А, опубл. 05.03.2009] для теплового разложения газогидрата используют лазерное излучение, а в описании к патенту [US 7322409 А1, опубл. 29.01.2008] описано термическое разложение метангидрата под действием тепла, выделяемого при электрических разрядах. Описано разложение метангидрата под действием электромагнитного излучения [UA 8548 U, опубл. 15.08.2005]. Высокие энергозатраты, связанные с реализацией этих технологий, делают маловероятным их использование в реальных промышленных условиях.
В настоящее время наиболее распространен подход, основанный на вытеснении углеводорода из газогидрата диоксидом углерода, образующим при существующих в глубинных слоях термобарических условиях более устойчивые, чем метангидраты, комплексы с водой. Для достижения более высокой эффективности извлечения газа воздействие на пласт газогидрата диоксидом углерода сочетают с нагревом газоносного пласта. Известен способ добычи метана из природного газогидрата [US 7988750 В2, опубл. 02.08.2011], согласно которому газоносный пласт обрабатывают смесью азота и диоксида углерода в заявленном интервале количественных соотношений, температуры и давления. Описан способ получения свободного газа из газогидратов [RU 2370642 С2, опубл. 20.10.2009], согласно которому через подземные каналы, которые часто находятся вблизи природных залежей газогидратов, в пласт подают жидкий диоксид углерода или закись азота или смесь диоксида углерода с закисью азота, азотом, гелием, неоном. Невысокая энергоемкость рабочих смесей диоксида углерода с другими газами и рассредоточенный характер их воздействия на продуктивный пласт требуют значительного повышения давления и увеличения продолжительности процесса, что представляется непрактичным и экономически нецелесообразным.
Использование природных каналов для доставки реагентов в пласт затрудняет регулирование и контроль процесса и оставляет возможность неконтролируемого выделения метана с поверхности большой площади. Согласно RU 2011126008 А, опубл. 27.12.2012, метан вытесняют из подводных залежей газогидрата под действием подаваемого по теплоизолированным трубам углекислого газа, находящегося в сверхкритическом состоянии. Способ требует создания сложной инфраструктуры для подготовки и закачки в пласт реагентов. Преимущества, связанные с интенсификацией добычи метана за счет повышения энергоемкости вводимого в пласт рабочего тела, в значительной мере нивелируется необходимостью применения специальных теплоизолированных трубопроводов.
В серии американских патентов [US 6973968 В2, опубл. 13.12.2005, US 7343971 В2, опубл. 18.03.2008, US 7513306 В2, опубл. 07.04.2009] описан способ получения природного газа in situ путем введения в пласт нагретой жидкости, содержащей продукты сгорания топлива в среде окислителя, которые образуются в реакторе, размещенном в горизонтальном участке рабочей скважины, ниже уровня пласта газогидрата. Воздействие на газоносный пласт обусловлено двумя факторами: нагреванием за счет тепла продуктов сгорания топлива в реакторе и вытеснением метана из гидрата углекислым газом, образующимся при сгорании топлива. Система включает две скважины: рабочую скважину, предназначенную для введения в пласт реагентов, и продуктовую скважину, имеющую горизонтальный участок, в котором размещен реактор, предназначенную для сбора образовавшегося метана. В качестве реактора использован каталитический реактор, описанный ранее в US 6394791 В2, опубл. 28.05.2002. Важным преимуществом способа является приближение источника образования энергоносителя к природному пласту газогидрата, что обеспечивает более целенаправленное концентрированное воздействие на сырьевой материал. Однако описанная система раздельных скважин не только удорожает процесс, но и оставляет возможность рассеивания образовавшегося газа в окружающей среде, что неизбежно ведет к потерям, снижению эффективности процесса и негативным экологическим последствиям.
Таким образом, несмотря на большое число описанных на сегодняшний день способов добычи природного газа из газогидратов, большинство из них имеет недостатки и ограничения, не позволяющие выйти на технологии крупномасштабного использования. Главные ограничения связаны со значительным энергопотреблением, соизмеримым с энергосодержанием добываемого метана, с необходимостью создания сложной инфраструктуры для подготовки реагентов на поверхности, с необходимостью бурения и обслуживания системы глубоких скважин, предназначенных для транспортировки в пласт реагентов и вывода на поверхность товарного продукта, а также с неконтролируемыми потерями, связанными с возможностью рассеивания образовавшегося газа в окружающей среде.
В качестве прототипа заявляемой группы изобретений выбраны способ и устройство для добычи метана из подводных залежей метангидратов, защищенные патентом США [US 7963328 В2, опубл. 21.06.2011].
2
2
2
Способ включает комбинацию теплового и химического воздействия на газоносный пласт, реализуемую через следующие стадии: доставка окислителя и метана в реактор, размещенный вблизи уровня залегания пласта, сжигание метана и введение образовавшегося потока содержащих СО горячих газов в пласт метангидрата с получением вытесненного метана, отведение части вытесненного метана в реактор и сбор оставшейся части вытесненного метана. Первоначальную порцию метана, инициирующую процесс образования потока содержащих СО горячих газов, получают путем подачи в пласт теплоносителя (СО, кислород, водяной пар или их смесь), нагреваемого с помощью электронагрева.
2
Устройство для осуществления способа представляет собой вертикально ориентированную конструкцию, нижний открытый конец которой контактирует с пластом метангидрата, а открытый верхний надводный конец служит для вывода на поверхность добытого газа и подачи реагентов в газогенератор, размещенный внутри конструкции вблизи уровня залегания пласта. В качестве газогенератора используют обычный или каталитический реактор, снабженный устройством для поджига, инициирующим процесс горения, и имеющий входы для окислителя и метана и выход для продуктов сгорания непосредственно в пласт метангидрата, при этом может быть использован как один, так и несколько реакторов. Трубопроводы для подачи реагентов и вывода образовавшегося метана расположены коаксиально. Как и предыдущий аналог, прототип характеризуется важным преимуществом перед большинством известных разработок, а именно размещение реактора вблизи продуктивного пласта обеспечивает целенаправленное концентрированное воздействие на сырьевой материал горячего газового потока, обладающего высоким энергетическим потенциалом. Эксплуатационным недостатком описанного процесса и исполнительной системы является возможность частичного неконтролируемого рассеивания выделившегося метана в окружающую среду. Горение топлива в непосредственной близости от пласта приводит к локальному повышению давления, рассеиванию тепла и прогреву газогидрата вне зоны горения. В этих условиях выделившийся горячий СО способен вытеснять метан из газогидрата в областях, отдаленных от зоны горения и системы сбора метана. Это может приводить к значительным материальным и энергетическим потерям, а также к экологическим проблемам, связанным с выделением неколлектированного метана на большой поверхности.
Задачей настоящего изобретения является создание способа добычи природного газа из газогидратов и устройства для его осуществления, которые позволят повысить эффективность извлечения газа за счет снижения энергетических, материальных и финансовых затрат на осуществление технологического процесса и минимизации потерь товарного продукта.
Поставленная задача решается предлагаемым способом добычи природного газа из газогидрата, реализуемым в заявляемом устройстве, включающим доставку окислителя и топлива в газогенератор, сжигание топлива в газогенераторе с получением потока содержащих диоксид углерода горячих газов, воздействующих на газогидрат с получением вытесненного газа, и сбор вытесненного газа на поверхности, отличающийся тем, что газогидрат диспергируют, а для получения потока содержащих диоксид углерода горячих газов используют систему газогенераторов, включающую как минимум одну пару газогенераторов, ориентированных антисимметрично друг относительно друг  друга так, что истекающие из них в противоположных направлениях потоки горячих газов, воздействующих на газогидрат, одновременно приводят во вращательное движение турбину с установленными на общем с ней валу устройством для диспергирования газогидрата и вентиляторным лопаточным устройством, вращение которого обеспечивает направленный транспорт снизу вверх вытесненного газа и неразложившегося диспергированного газогидрата, который подвергается в процессе транспорта разложению с образованием дополнительного количества вытесненного газа.
Поставленная задача решена также предлагаемым устройством для реализации заявленного способа, включающим вертикально ориентированную конструкцию, нижний открытый конец которой контактирует с пластом газогидрата, а верхний открытый конец служит для вывода на поверхность добытого газа и подачи электроэнергии и реагентов в газогенератор, размещенный внутри конструкции и имеющий входы для окислителя и топлива и выход для образующегося в нем потока содержащих диоксид углерода горячих газов, отличающимся тем, что внутри конструкции дополнительно размещены турбина и установленные на общем с ней валу устройство для диспергирования газогидрата и вентиляторное лопаточное устройство, а для получения потока содержащих диоксид углерода горячих газов используют систему газогенераторов, включающую как минимум одну пару газогенераторов, размещенных антисимметрично относительно друг  друга так, что истекающие из них в противоположных направлениях потоки горячих газов приводят во вращательное движение упомянутые турбину, устройство для диспергирования газогидрата и вентиляторное лопаточное устройство.
Заявляемые способ и устройство могут быть использованы для добычи газа из залежей газогидратов, локализованных как на суше - в зоне вечной мерзлоты, так и в придонных участках океанического шельфа. В зависимости от условий добычи устройство может представлять собой различные модификации, не выходящие за рамки заявляемого технического решения.
На Фиг.1 схематически показан вариант заявляемого устройства, адаптированный для добычи газа из глубоководных залежей газогидратов.
Устройство представляет собой вертикально ориентированную конструкцию 1, преимущественно цилиндрической формы, выполняющую функцию транспортной магистрали для подачи с поверхности в исполнительную систему устройства электроэнергии (кабель 2) и необходимых реагентов (колтюбинги 3 и 4) и выведения на поверхность товарного продукта. Колтюбинги могут содержать набор гибких трубопроводов для доставки при необходимости различных окислителей и различных видов топлива. В зависимости от конкретных условий месторождения и от реализуемой производительности процесса газодобычи поперечные размеры конструкции могут варьироваться в широком диапазоне от десятков сантиметров до нескольких метров. В варианте устройства, предназначенном для разработки глубоководных залежей, схема которого показана на Фиг.1, нижний открытый конец конструкции 1 выполнен в форме донного купола 5, широкий конец которого контактирует с пластом газогидрата, а узкий открытый конец (вершина купола) соединен с цилиндрической частью конструкции 1 с помощью переходного устройства 6 типа сильфона, сообщающего всей конструкции гибкость и относительную подвижность. Стенки донного купола могут быть выполнены глухими, как показано на Фиг.1, или перфорированными для интенсификации поступления образовавшегося газа и измельченной породы в рабочий объем устройства, ограниченный донным куполом и цилиндрической частью конструкции. Механическая прочность и устойчивость конструкции может быть обеспечена силовым каркасом, представленным верхним и нижним поясами 7, на которых с помощью штанг 8 (показаны пунктиром) закреплены подшипниковые опоры 9. Вся конструкция выполнена из легкого прочного коррозионно-стойкого материала, например из листовой нержавеющей стали, пластикового или композиционного материала. Гибкость в совокупности с легкостью обеспечивают мобильность и компактность конструкции. Внутри донного купола размещена исполнительная система устройства, содержащая систему газогенераторов, включающую как минимум одну пару газогенераторов 10, установленных антисимметрично относительно друг друга на верхнем силовом поясе 7, турбину 11, закрепленную на подшипниковых опорах 9, а также смонтированные на общем с турбиной валу 12 вентиляторное лопаточное устройство 13 и диспергирующее устройство, включающее погруженный в пласт центральный бур 14, а также возможно, но необязательно, ножи 15, закрепленные на нижнем поясе 7 силового каркаса, перфорированный диск 16, ориентированный перпендикулярно оси турбины и снабженный измельчительными приспособлениями (не показаны), в качестве которых могут быть использованы, например, закрепленные на диске ножи или грубый абразивный материал. При необходимости количество измельчающих перфорированных дисков может быть увеличено с соответствующим уменьшением размера отверстий в них по мере отдаления диска от уровня пласта газогидрата.
Вентиляторное лопаточное устройство 13 содержит известные в технике профилированные обтекаемые элементы, выполненные из высокопрочной легированной стали. При вращении вентиляторного лопаточного устройства на входе создается всасывающий эффект, а на выходе - перепад давлений, которые в сочетании с системой газлифта обеспечивают направленный к поверхности транспорт газа и измельченной породы, не успевшей полностью разложиться в результате первоначального термохимического воздействия на пласт газогидрата потоков горячих газов, образующихся в газогенераторах при сгорании топлива.
Для увеличения производительности процесса в устройстве может быть размещено несколько пар ориентированных антисимметрично относительно друг  друга газогенераторов.
В тех случаях когда использование донного купола затруднительно или невозможно (например, при разработке залежей, локализованных на суше), используют вертикальную конструкцию 1 одинакового сечения по всей длине, площадь которого достаточна для размещения описанной исполнительной системы.
В качестве газогенераторов могут быть использованы различные известные в технике типы газогенераторов, в которых могут быть использованы различные виды топлив и окислителей. Варьирование качественного состава и количественных соотношений поступающих в газогенератор топлив и окислителей позволяет управлять процессом горения и температурно-скоростными характеристиками истекающих из газогенераторов газовых потоков, оптимизируя их в соответствии с конкретными условиями газодобычи.
В качестве газогенераторов могут быть использованы предложенные ранее устройства для реализации струйных технологий обезвреживания супертоксикантов [RU 2005519 С1, опубл. 15.01.1994, и RU 2240850 С1, опубл. 27.11.2004]. Эти устройства (jet-газогенераторы) содержат камеру смешения и реакционную камеру, выполненную в форме камеры сгорания ракетного двигателя, в которой происходит устойчивое горение топлива в кислородной среде. Дополнительные возможности повышения стабильности процесса газодобычи и повышения его эффективности могут быть обеспечены особенностями конструкции и подбором специальных режимов работы jet-газогенераторов. В частности, геометрические размеры проточной части и соотношение потоков реагентов могут быть подобраны так, что образовавшийся при горении высокотемпературный поток горячих газов разгоняется до скорости, близкой к скорости звука, обеспечивая трансзвуковое течение. В условиях газодобычи на больших глубинах, где в зависимости от изменений донного рельефа и глубины залегания породы давление колеблется в широком диапазоне, наличие трансзвукового течения может иметь принципиально важное значение, поскольку при трансзвуковых скоростях газовый поток становится независимым от колебаний внешних условий, что позволяет обеспечить стабильную работу устройства независимо от изменения рельефа и глубины залегания газоносного пласта.
Сущность заявляемого способа получения природного газа из газогидратов раскрыта в приведенном ниже описании работы заявляемого устройства.
Для инициирования процесса по колтюбингам 3 и 4 с поверхности в камеры смешения каждого из газогенераторов 10 подают окислитель и топливо. Воспламенение топливной смеси осуществляют дистанционно с использованием электрического кабеля 2 или с применением химического зажигания. Под воздействием образующихся потоков горячих продуктов горения, состоящих в основном из диоксида углерода и паров воды, начинается процесс термохимического разложения газогидрата и вытесненный газ начинает заполнять рабочий объем устройства. В дальнейшем подача топлива с поверхности может быть прекращена, а в качестве топлива после дозирования и фильтрации может быть использована часть газа из окружающего газогенераторы пространства. В этом случае начавшийся процесс разрушения газогидрата в дальнейшем является самоподдерживающимся за счет поступления в реакционные камеры газогенераторов новых порций образовавшегося in situ газа.
Как отмечалось выше, в газогенераторах могут быть использованы различные виды топлив и окислителей в различных количественных соотношениях, что позволяет управлять процессом горения и температурно-скоростными характеристиками истекающего из газогенератора газового потока, оптимизируя их в соответствии с конкретными условиями газодобычи. В качестве окислителя в них можно использовать любой богатый кислородом и пригодный для транспортировки по трубопроводу на большую глубину продукт, например технический кислород, аммиачную селитру, пероксид водорода, атмосферный воздух. В качестве топлива может быть использовано любое углеводородное топливо, в частности керосин, солярка, метанол, этанол, природный газ и др.
Измельчение породы повышает эффективность ее термохимической обработки. Известны различные технические подходы к обеспечению процесса измельчения газогидратов. В полезной модели [UA 8548 U, опубл. 15.08.2005] описано разложение метангидрата под действием электромагнитного излучения в сочетании с акустической вибрацией. В документе UA 14924 U, опубл. 15.06.2006 описан способ добычи метана воздействием на пласт метангидрата пульсирующей струей водяного пара, содержащего поверхностно-активные вещества. Согласно WO 2004009958 А1, опубл. 29.01.2004, для разрушения и измельчения породы подводного пласта метангидрата использовано устройство, приводимое в движение от лазерного осциллятора, размещенного на суше или на плавучей платформе.
В отличие от этих и других энергозатратных и сложно реализуемых на практике способов в настоящем изобретении работа измельчающего устройства обеспечена энергией противоположно направленных потоков горячего газа, приводящих во вращательное движение турбину, на оси которой смонтировано диспергирующее устройство.
От турбины вращательный момент также передается на вентиляторное лопаточное устройство, создающее всасывающий эффект, под действием которого образовавшийся газ втягивается в транспортную магистраль, что препятствует его рассеиванию вне зоны образования и способствует максимально полному коллектированию и доставке газа на поверхность. Вместе с газом в устройство засасывается и часть породы газогидрата, не успевшая разложиться при первоначальном термохимическом воздействии. В зоне пониженного гидростатического давления и повышенных температур происходит самопроизвольный распад газогидратных кластеров с выделением дополнительных порций газа, при этом система газлифта поднимает суспензию кристаллов газогидрата к поверхности с попутным уменьшением давления и разложением газогидрата.
Для интенсификации этих процессов диспергирующее устройство может быть оборудовано дополнительными приспособлениями, включающими, кроме центрального бура, ножи и один или несколько перфорированных дисков, оборудованных дополнительными измельчающими средствами. По мере продвижения породы вверх через систему перфорированных дисков происходит эффективное измельчение твердого газогидрата, способствующее повышению эффективности его дальнейшего разрушения.
Повышение энергоэффективности достигается за счет того, что работа диспергирующего устройства и вентиляторного лопаточного устройства не требует дополнительных энергозатрат, т.к. обеспечивается энергией создаваемых в газогенераторах разнонаправленных потоков горячего газа, вращающих лопатки турбины. Это достигается тем, что исполнительная система содержит как минимум одну пару ориентированных антисимметрично относительно друг друга газогенераторов, каждый из которых генерирует поток горячих газов, истекающий в направлении, противоположном направлению потока, истекающего из парного газогенератора. В результате противоположно направленные потоки горячих газов сообщают импульс вращательного движения турбине 11, а от нее - закрепленному на общем с ней валу 12 (соосно) лопаточному вентиляторному устройству 13 и диспергирующему устройству.
Для повышения производительности процесса и интенсификации работы измельчительного и вентиляторного лопаточного устройств исполнительная система может включать несколько пар газогенераторов.
Формирующиеся в газогенераторах высокотемпературные газовые потоки характеризуются высокой энергоемкостью, на порядки превосходящей энергоемкость сжатого атмосферного воздуха или нагретой воды, и обеспечивают высокие скорости вращения ротора и высокую интенсивность термохимического и механического воздействия на породу газогидрата.
Дополнительные возможности для интенсификации и улучшения экономических показателей процесса дает использование в качестве газогенераторов упомянутых выше jet-газогенераторов, обеспечивающих возможность создания трансзвуковых потоков горячего газа. Воспламенение топлива в присутствии окислителя приводит к образованию т.н. «дежурного факела», непрерывное горение которого обеспечивает генерирование стабильного высокотемпературного газового потока, непосредственно воздействующего на породу газогидрата и инициирующего процесс его термохимического разложения. Количественное соотношение окислителя и топлива регулируют таким образом, чтобы температура образовавшегося газового потока находилась в интервале от 900°С, что соответствует нижнему температурному уровню устойчивого горения, до 1400°С - уровень, определяющий предел термостойкости конструкции.
Важно отметить, что в устройствах, описанных в аналогах и прототипе, использованы реакторы, работа которых чувствительна к внешним условиям, в частности к колебаниям давления, связанным с изменениями донного рельефа или с погружением на большие глубины при выработке породы. Вследствие этого при изменении условий газодобычи требуются процедуры извлечения реактора на поверхность, его замены или, при возможности, инженерной адаптации с последующей повторной установкой. Использование jet-газогенераторов, в которых возможно создание трансзвуковых потоков горячих газов, позволяет исключить дополнительные эксплуатационные расходы, связанные с заменой или технической адаптацией конструкции реактора к изменившимся внешним условиям. Использование jet-газогенераторов обеспечивает стабильный процесс газодобычи на любых глубинах и значительную экономию времени, финансовых и материальных ресурсов.
Важным преимуществом заявляемого способа является то, что процесс протекает в основном в локализованном объеме устройства вблизи уровня породы газогидрата, что позволяет осуществлять непосредственное целенаправленное воздействие на газогидрат и минимизировать энергетические потери. Способ позволяет предотвратить или уменьшить рассеивание выделившегося газа в окружающее пространство за счет всасывающего эффекта, обеспеченного работой вентиляторного лопаточного устройства.
Таким образом, заявляемые способ и устройство обеспечивают одновременное протекание комплекса механических, термохимических, физических и гидродинамических процессов, каждый из которых и все вместе в совокупности обеспечивают повышение эффективности извлечения газа из природных залежей газогидратов.