УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПОДВОДНЫХ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Полезная модель относится к средствам разработки подводных, преимущественно, морских газогидратных залежей и может быть использована для извлечения на поверхность насыщенных газовыми гидратами морских осадков, залегающих на шельфе, материковом склоне, в пределах океанической впадины или котловины, а также на дне глубоких пресноводных водоемов.
Известна установка для разработки морских газогидратных залежей, включающая плавучее основание, трубопровод выполненный с возможностью транспорта пульпы с газом или гидратами на поверхность, снабженный средствами подачи к забою воды, температура которой на 1-2°С превышает равновесную для условий разработки, и грунтозаборное устройство, выполненное с возможностью подачи через него подогретой воды, средство сбора газа из пульпы (см. Обз. информ. Сер. Информационное обеспечение общесоюзных, научно-технических программ, вып. З. М.: ВНИИЭгазпром, 1986).
3
3
3
3
Недостатком устройства является повышенная энергоемкость. Затраты энергии, необходимы как на подогрев пульпы до температуры разложения газогидратов, так и на ее транспортировку. Чем больше будет производительность системы, тем большими будут энергетические затраты при прочих равных условиях. Действительно, для проведенных в исходных условиях теплоемкость веществ 1 м пульпы составляет около 49-10кДж/°С. Таким образом, для подогрева всей пульпы на забое до температуры, превышающей равновесную на 1-2°С,. при температуре воды у поверхности дна Мирового океана (на различных широтах она составляет 0-4 С, требуется огромное количество тепла или значительные затраты энергии на подачу подогретой воды из соответствующих горизонтов. Велики затраты энергии и на подъем пульпы на поверхность гидравлической драгой с системой эрлифта. Для данных условий они составляют порядка 86,410 кДж на 1 м осадка.
Известна также установка для разработки подводных газогидратных залежей, включающая плавучее основание, трубопровод выполненный с возможностью транспорта пульпы с газом и/или гидратами на поверхность, подключенный к компрессору, средство отбора газа из пульпы и средство разложения газогидрата в трубопроводе (см. SU №1776298, Е21В 43/00, 1992).
Недостаток этого технического решения - недостаточная эффективность из-за ограниченной по площади зоны взаимодействия грунтозаборного устройства с газогидратами, кроме того, разложение гидратов на воду и газ осуществляется за счет подвода подогретой воды (правда в ограниченную по площади зону трубопровода), что с учетом транспортировки подогретой воды к зоне ее выпуска, также требует достаточно больших энергетических затрат.
Задача полезной модели заключается в повышении площади одновременного воздействия на газогидратную залежь, при снижении энергозатрат на добычу и транспорт газогидрата.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в, расширении площади взаимодействия грунтозаборного устройства с газогидратами. Обеспечивается упрощение конструкции установки, при обеспечении возможности безопасной (по условиям выбросов газа) отработки запасов газогидратов. Кроме того, установка может эксплуатироваться в тяжелых ледовых условиях, характерных для северных морей, омывающих побережье РФ.
Поставленная задача решается тем, что установка для разработки подводных газогидратных залежей, включающая плавучее основание, трубопровод выполненный с возможностью транспорта пульпы с газом и/или гидратами на поверхность, подключенный к компрессору, средство отбора газа из пульпы и средство разложения газогидрата в трубопроводе, отличается тем, что плавучее основание выполнено в виде конического водоизмещающего корпуса, с возможностью погружения ниже поверхности моря, при этом трубопровод, выполнен с возможностью автоматического изменения его длины и с возможностью работы с компрессором рабочее давление которого до 700 атмосфер, причем, в полости трубопровода, размещен воздухоподводящий канал, сообщенный с компрессором, а средство отбора газа из пульпы сообщено с гидратоотводящим зазором между трубопроводом и воздухоподводящим каналом, кроме того, на конце трубопровода зафиксирована, задвижка, выполненная с возможностью перекрытия сечения трубопровода при давлении на вышележащем участке большем, чем под задвижкой и с возможностью открытия сечения трубопровода, при снижении давления выше задвижки ниже уровня давления под задвижкой, при этом нижний конец воздухоподводящего канала сообщен с пространством гидратоотводящего зазора, при этом грунтозаборное устройство выполнено в виде системы параллельных, заостренных снизу патрубков, в стенках которых выполнены отверстия для вывода струй воды высокого давления, при этом грунтозаборное устройство снабжено коническим сборным кожухом, широкий торец которого обращен вниз, а верхний сообщен с приемным отверстием задвижки, кроме того, грунтозаборное устройство посредством телескопического трубопровода сообщено с полостью задвижки. Кроме того, средство разложения газогидрата, выполнено в виде спирально изогнутого верхнего участка гидратооводящего канала сообщенного с гидратоотводящим зазором, находящегося на плавучем основании, при этом средство отбора газа из пульпы выполнено в виде емкости, газовый выход которой через вакуум насос сообщен с газгольдером, а водный выход, сообщен с внешней средой. Кроме того, спиральный участок гидратооводящего канала снабжен теплозащитным кожухом, выполненным с возможностью подачи в его полость подогретой воды. Кроме того, трубопровод снабжен телескопически выдвигающимся участком. Кроме того, задвижка содержит рабочий канал прямоугольного поперечного сечения, в полости которого, размещена, с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, поворотная пластина и выполнено посадочное седло с возможностью опирания на него поворотной пластины при развороте поперек сечения рабочего канала, при этом, горизонтальная ось смещена, к одной из стенок рабочего канала, которая снабжена ограничителем вертикального поворота пластины, при этом, ниже горизонтальной оси на стенке рабочего канала размещен защитный выступ, кроме того, посадочное седло выполнено в виде П-образного выступа сформированного по периметру внутренней поверхности рабочего канала на уровне, соответствующем горизонтальному положению поворотной пластины. Кроме того, в объеме ограничителя вертикального поворота пластины выполнен сквозной канал, приемный участок которого ориентирован вдоль стенки рабочего канала, а выпускной участок ориентирован перпендикулярно к стенкам рабочего канала.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивают решение заявленной технической задачи, а именно, обеспечивает возможность повышения площади одновременного воздействия на газогидратную залежь, при снижении энергозатрат на добычу и транспорт газогидрата.
На фиг.1 схематически показано заявленное устройство; на фиг.2 показана конструкция задвижки; на фиг.3 показан продольный разрез задвижки.
На чертежах показано плавучее основание 1, трубопровод 2, снабженный телескопическим выдвижным участком 3 и выполнен с возможностью работы под давлением до 700 атмосфер, при этом в полости трубопровода 2, сформирован гидратоотводящий зазор 4, сообщенный гидратоотводящим каналом 5 со средством отбора газа из пульпы, кроме того, на конце трубопровода зафиксирована, задвижка 6, выполненная с возможностью перекрытия сечения трубопровода 2 при давлении на вышележащем участке большем, чем под задвижкой и с возможностью открытия сечения трубопровода, при снижении давления выше задвижки ниже уровня давления под задвижкой. При этом, нижний конец воздухоподводящего канала 7 сообщен с гидратоотводящим зазором 4, при этом грунтозаборное устройство 8 выполнено в виде системы параллельных, заостренных снизу патрубков 9, в стенках которых выполнены отверстия 10 для вывода струй воды высокого давления (предпочтительно снабженные сопловыми насадками, усиливающими «работу» подаваемых через них струй воды). Грунтозаборное устройство 8 снабжено коническим сборным кожухом 11, широкий торец которого обращен вниз, а верхний сообщен с приемным (нижним) отверстием задвижки 6, кроме того, грунтозаборное устройство посредством телескопического трубопровода 12 сообщено с полостью задвижки, в которой верхний конец этого трубопровода жестко зафиксирован. Средство разложения газогидрата выполнено в виде спирально изогнутого верхнего участка 13 гидратооводящего канала 5, находящегося на плавучем основании 1. Средство отбора газа из пульпы включает емкость 14, газовый выход которой через вакуум насос 15 сообщен с газгольдером 16 (предпочтительно, снабженным средствами сжатия или ожижения газа - на чертежах не показаны), а водный выход 17, сообщен с внешней средой. Целесообразно (особенно, при большой глубине акватории на участке разработки), чтобы в емкости 14 поддерживалось давление, хотя бы на 30-50% ниже атмосферного. Кроме того, спирально изогнутый участок 13 гидратооводящего канала 5 снабжен теплозащитным кожухом 18, выполненным с возможностью подачи в его полость подогретой воды от ее источника 19.
Кроме того, задвижка содержит рабочий канал 20 прямоугольного поперечного сечения, в полости которого, размещена, с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси 21, поворотная пластина 22 и выполнено посадочное седло 23 (с возможностью опирания на него поворотной пластины 22 при развороте поперек сечения рабочего канала 20). Посадочное седло выполнено в виде П-образного выступа сформированного по периметру внутренней поверхности рабочего канала на уровне, соответствующем горизонтальному положению поворотной пластины. Горизонтальная ось 21 смещена, к одной из стенок рабочего канала, которая снабжена ограничителем 24 угла поворота пластины 22, ниже ее, на стенке рабочего канала 20, размещен защитный выступ 25. Кроме того, в объеме ограничителя 24 угла поворота пластины, выполнен сквозной канал, приемный участок 26 которого ориентирован вдоль стенки рабочего канала, а выпускной участок 27 ориентирован перпендикулярно к стенкам рабочего канала (открыт в сторону поворотной пластины 22.
Плавучее основание выполнено в виде конического водоизмещающего корпуса, с возможностью погружения ниже поверхности моря 11 (до 10-20 м), для чего корпусу приданы соответствующие прочность и герметичность. Трубопровод 2 и воздухоподводящий канал 7 выполнены с возможностью работы с компрессором 28 рабочим давлением до 700 атмосфер.
Площадь широкого торца конического сборного кожуха 11 в несколько раз превышает площадь, на которой распределены патрубки 9 грунтозаборного устройства 8. Кроме того показан объем газогидратов 29, воздухоприемная емкость 30, сообщенная с ресивером 31, прямой 32, обратный 33 и соединительный 34 воздухопроводы, снабженные воздушными задвижками 35 известной конструкции. Названные узлы рассчитаны на работу под давлением до 700 атмосфер. При этом прямой воздухопровод 32 связывает вход компрессора 28 и выход ресивера 31, обратный воздухопровод 33 связывает полость гидратооводящего зазора 4 и полость воздухоприемной емкости 30, а соединительный воздухопровод 34 связывает полости ресивера 31 и воздухоприемной емкости 30.
Заявленная установка работает следующим образом.
Исходное положение установки: плавучее основание 1 позиционировано относительно добычного участка (при этом используется известная система из как минимум трех якорей - на чертежах не показана, или система динамического позиционирования, выполненная известным образов и включающая несколько движителей размещенных по периметру плавучего основания), при этом, трубопровод 2 опущен ко дну акватории, так, что грунтозаборное устройство 8 непосредственно контактирует с поверхностью объема газогидратов 29. При этом конический сборный кожух 11 также опущен своей нижней кромкой на поверхность объема газогидратов 29, изолируя рабочую зону патрубков 9 от остального объема акватории. В этом положении трубопровод 2, гидратооводящий канал 4 и полость кожуха 11 заполнены морской водой, соединительный 34 и обратный 33 воздухопроводы перекрыты. Вход компрессора 28 сообщен с ресивером 31.
При запуске компрессора 28 в работу, сжатый воздух под давлением до 700 атм (в зависимости от глубин разработки рабочее давление может быть и существенно меньшим - до 250-300 атм) подается в воздухоподводящий канал 7 и давление быстро растет. Волна давления быстро распространяется вниз по объему воды заполняющему полость названного канала после чего попадает в приемный участок 26 конфузорного сквозного канала, и выходя из его выпускного участка 27, бьет в обращенную к нему плоскость поворотной пластины 22 и «страгивает» ее с места, после чего поворотная пластина 22 задвижки 6, под действием возрастающего фронта давления направленного вниз опускается вниз (поворачиваясь на горизонтальной оси 21 до упирания в посадочное седло 23).
В результате объем, воды находящийся в трубопроводе 2, размещенный выше поворотной пластины 22 оказывается изолирован от нижележащего объема.
Вследствие этого, по закону сообщающихся сосудов, уровень воды в воздухоподводящем канале 7 начинает понижаться, тогда как уровень воды в гидратоотводящем зазоре 4 начинает расти, пока вода не начнет изливаться в емкость 14 и далее сбрасываться через ее водный выход 17 за пределы плавучего основания 1 (во внешнюю среду). После обнажения нижнего конца воздухоподводящего канала 7, давление в полости трубопровода 2 начинает падать и автоматика (на чертежах не показана) выключает компрессор и открывает воздушный кран (воздушную задвижку 35) обратного воздухопровода 33. Это ускоряет падение давления в объеме изолированном, поворотной пластиной 22 и, как только оно становится меньше, чем под ней, поворотная пластина 22 отжимается давлением снизу и отклоняется к стенке рабочего канала 20 до упора в ограничитель 24. В результате того, что давление среды ниже задвижки 6 существенно превышает давление выше ее возникает эффект подобный гидродинамическому удару поскольку вода из нижней зоны установки (из района грунтозаборного устройства 8) с большой силой засасывается в полость трубопровода 2, засасывая с собой куски газогидрата, отрывая их от массива.
В результате этого восстанавливается исходный уровень воды в трубопроводе 2. Далее вновь автоматика включает компрессор и все повторяется.
Таким образом, при наличии трубопровода диаметром порядка 300 мм, оборудованного воздухоподводящим каналом порядка 80-100 мм, в условиях подъема газогидратной пульпы с глубины порядка 4000 м обеспечивается подъем 2500 тонн водогидратной пульпы.
Таким образом, формируется поток водогидратной массы, который поднимается на поверхность со скоростью 8-15 м/сек.
Диссоциация газогидрата с выделением газа, усиливается после подъема газогидратной пульпы до уровня где термодинамическое равновесие не выполняется. Таким образов дополнительно«включается» газлифтный компонент сил способствующих подъему пульпы содержащей смесь воды и газогидратов по трубопроводу 2.
После прохождения спирально изогнутого верхнего участка гидратоотводящего канала 5, при взаимодействии с теплом подогретой воды, подводимой от ее источника 19 в полость теплозащитного кожуха 18 газогидраты в емкости 14 оказываются полностью разложившимися на газ, воду и взвесь твердых включений. Газ, через газовый выход емкости 14, с помощью вакуум насоса 15 сбрасывается в газгольдер 16, вода, через водный выход 17 емкости 14 уходит на за пределы установки. Твердая взвесь накапливается в соответствующем бункере (на чертежах не показан) и либо сбрасывается в воду, либо известным образом отвозится на берег для утилизации, если содержат какие-либо ценные компоненты. Газ, выделившийся из пульпы на входе в спирально изогнутый верхний участок 13 гидратооводящего канала 5, сбрасывается непосредственно в газгольдер 16.
Раздвижность трубопровода 2 обеспечивает возможность варьирования его длины в зависимости от глубины акватории на месте разработки. Телескопичность соединения грунтозаборного устройства 8 с задвижкой 6 обеспечивает возможность его автоматического выдвижения, по мере заглубления грунтозаборного устройства 8 в объем газогидратов 29. Кроме того, это обеспечивает сохранность трубопровода при погружениях-подъемах плавучего основания относительно поверхности акватории, например при опасности раздавливания льдом или при аварийной ситуации с газонакопительным оборудованием.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет существенно снизить энергетические затраты на транспортировку гидратосодержащей пульпы, обеспечить работу установки и гибкое регулирование режимов работы, при повышенной производительности газлифтной системы.