СПОСОБ ДОБЫЧИ ГАЗА ИЗ ПРИДОННЫХ СКОПЛЕНИЙ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ
METHOD OF GAS PRODUCTION FROM NATURAL ACCUMULATIONS OF GAS HYDRATES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявляемое изобретение относится к области добычи газа, в частности к способам добычи газа из неглубоко залегающих скоплений газовых гидратов в подводных условиях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
Газовые гидраты представляют собой твердые соединения природного газа и воды, образующиеся в условиях относительно высокого давления и низкой температуры. Они представляют собой кристаллические, макроскопически льдоподобные вещества, относящиеся к особому типу соединений, которые описываются общей формулой M·nHO, где M - молекула газа-гидратообразователя, а n - число молекул воды (от 6 до 17), характеризующее состав соединения и зависящее от условий гидратообразования. Большинство компонентов природного газа, за исключением водорода, гелия, неона, нормального бутана и более тяжелых углеводородов, способно к образованию газовых гидратов. Самым распространенным природным газом-гидратообразователем является метан. Единица объема гидрата метана может содержать до 164 объемов газа при нормальных условиях (т.е. при атмосферном давлении и температуре воздуха выше нуля). Газовые гидраты являются одной из форм существования природного газа в недрах в определенных термодинамических и геологических условиях.
Особенностью газовых гидратов, в частности подводных, является их распространение преимущественно в виде скоплений, приуроченных в основном к глубоководным акваториям и полярным шельфам, поскольку они могут быть стабильны только в условиях предельного газонасыщения (при соответствующих давлении и температуре) сосуществующей с ними поровой воды. Для образования газового гидрата и нахождении его в стабильном состоянии длительное время необходимо выполнение следующих условий: стабильные температура и давление, а также достаточное для пересыщения поровой воды и осаждения в гидратной форме количество газа. Такие условия возможны лишь в определенных геологических обстановках, в которых обеспечивается в том или ином виде относительно постоянная миграция газа в зону гидратообразования.
Под понятием "скопление газовых гидратов" (СГГ) следует понимать некоторый объем породы, поровое пространство которого в большей или меньшей степени занято гидратами. Размеры таких скоплений могут быть любыми, и ограничены они только областью распространения предельно газонасыщенной поровой воды, поскольку в условиях недонасыщения газовые гидраты существовать не могут. Положение скоплений гидратов контролируется геологическими неоднородностями, такими как:
температурное поле, определяющее величину растворимости газа в воде;
поле проницаемости, определяющее условия миграции флюидов (газа и воды);
соленость поровых вод, также влияющая на растворимость газа;
условия генерации газа (определяют наличие достаточного для пересыщения поровых вод количества газа).
Анализ данных, относящихся к известным на сегодняшний день гидратопроявлениям и их признакам в Мировом океане и озерах, позволяет заключить, что подводные газовые гидраты могут образовывать скопления двух типов. К первому типу относятся скопления, находящиеся на значительной поддонной глубине (сотни метров) и контролируемые зонами проницаемости в условиях рассредоточенной фильтрации флюидов, что подтверждается результатами глубоководного бурения. Скопления второго типа располагаются в непосредственной близости от дна, на дне или на очень незначительной поддонной глубине (первые метры) в зонах сосредоточенной (концентрированной) разгрузки газосодержащих флюидов и контролируются флюидопроводниками (разломами, грязевыми вулканами и диапирами). В пределах таких зон часть газа, поднимающегося из глубоких горизонтов по трещинам и разломам и путем диффузии, переходит в твердую фазу. Происходит это вблизи раздела вода-дно вследствие уменьшения вблизи дна температуры и растворимости газа в поровой воде, что способствует пересыщению газом поровой воды и осаждению гидратов. При прекращении подтока газа нарушаются условия стабильности и происходит постепенное разложение твердого гидрата на газ и воду. Основным фактором, контролирующим образование и нахождение гидрата в стабильном состоянии, являются равновесные концентрации газа (или его растворимость). Именно этот фактор определяет минимальное количество газа, необходимое для поддержания газового гидрата в стабильном состоянии. Как только гидрат сформировался в неконсолидированных морских осадках, концентрация газа в поровой воде фиксируется равновесными концентрациями. В результате этого изменение величины растворимости с глубиной контролирует потери газа путем его диффузии из мест, где сформировался гидрат. Таким образом, для поддержания постоянного объема гидратного агрегата в месте его формирования необходим более или менее постоянный приток газа к этому месту. Нахождение гидрата в стабильном состоянии определяется формой графика растворимости газа в воде в пределах зоны стабильности газового гидрата, которая, в свою очередь, определяется величинами внешних температуры и давления.
Газ в СГГ находится в связанном с водой твердом состоянии и требует нетрадиционных способов их разработки. Известны различные способы добычи газа из СГГ, образующихся в субаквальных обстановках, однако выбор технологии разработки СГГ зависит от конкретных геолого-физических условий их залегания. Известны три основных метода вызова притока газа из гидратоносных пластов: понижение давления ниже равновесного давления гидратообразования при заданной температуре, нагрев гидратосодержащих пород выше равновесной температуры, а также их механическое разрушение. Кроме того, известны решения, в которых предлагается использовать реагенты, способные влиять на химическую активность воды и газа, что приводит к смещению равновесного состояния реакций образования и разложения газовых гидратов в область более низких температур (так называемые ингибиторы - метанол, этиленгликоль, растворы электролитов и др.). Однако использование таких реагентов с целью добычи газа до сих пор не находит практического применения в связи с их дороговизной или низкой эффективностью такого способа. Другие предлагаемые методы воздействия, в частности электромагнитное, акустическое и закачка углекислого газа в пласт, пока еще мало изучены экспериментально. Большинство предлагаемых способов разработки СГГ предполагают комбинацию вышеперечисленных методов.
Понижение давления достигается путем забора свободного газа из горизонтов, подстилающих гидратосодержащие и находящихся вне условий стабильности газовых гидратов. Описанный в http://www.gazeta.ru/news/lenta/2009/04/13/n_1351615.shtml метод основан на том, что снижение внутрипорового давления ниже равновесного давления гидратообразования приводит к разложению части газовых гидратов и выделению газа в свободное состояние.
Одним из примеров способов разработки СГГ с использованием снижения давления является способ, описанный в международной заявке WO 2007/072172, в котором снижение давления обеспечивается за счет откачки газа из нижних горизонтов. Данный способ также предполагает закачку в пласт воды с последующей ее откачкой при помощи специального насоса с целью контроля за давлением в гидратоносном пласте. Однако такой способ является пригодным для пластов, где насыщенность гидратами невелика, а газ или вода не потеряли свою подвижность. Естественно, что при увеличении гидратонасыщенности (а значит, сокращении проницаемости) эффективность такого способа резко падает. Так, при насыщенности пор гидратами более 80% получить приток из гидратов за счет снижения забойного давления практически невозможно. Другой недостаток способа, основанного на снижении давления в гидратоносном пласте, связан со вторичным техногенным образованием гидратов в призабойной зоне вследствие эффекта Джоуля-Томсона.
Известны способы разработки СГГ, осуществляемые путем нагревания залежи. Так, в патенте US 6192691 описан способ сбора газа, выделяющегося из придонных СГГ. При осуществлении способа над местом выделения газа устанавливается эластичный экран, прикрепляемый по периметру ко дну. Выделяющийся из СГГ газ растягивает экран, придавая ему куполообразную форму, собирается под образовавшимся куполом и отводится с помощью трубопровода на судно. Для нарушения равновесного состояния гидратов и интенсификации выхода газа предлагается закачивать горячую воду под купол. Однако для такого способа характерна низкая производительность, а для ее увеличения требуется либо увеличивать перекрываемые экраном площади, либо, как предлагается, подавать горячую воду, что заметно усложняет оборудование и увеличивает энергетические затраты.
В заявке US 20050161217 описан способ добычи метана за счет нагревания продуктивных пластов СГГ с помощью электрической энергии, подаваемой от источника, размещенного на судне. Один из питающих электродов устанавливается вокруг ствола скважины в гидратоносном пласте, а другой, например, на поверхности гидратоносного пласта или на днище судна. За счет нагревания гидратоносного пласта проходящим через него электрическим током происходит выделение метана, который через скважину подается на судно в газонакопитель.
В международной заявке WO 2007/136485 описан способ добычи газа, который предполагает нагрев СГГ за счет энергии излучения диодного лазера или твердотельного лазера с накачкой от диодного лазера.
2
2
Известны способы разработки СГГ, комбинирующие тепловое воздействие на гидратосодержащий пласт и закачку в него ингибиторов. Так, в патенте US 4424866 описан способ добычи газа, включающий закачку в продуктивный пласт горячего перенасыщенного раствора CaCl или CaBr, который разлагает твердые гидраты, а в способе, описанном в патенте US 6733573, для аналогичной цели предлагается использовать кислотные катализаторы реакции разложения гидратов. Однако использование дорогостоящих ингибиторов не позволяет получить достаточную для практического использования рентабельность таких способов.
Способы, предполагающие тепловое воздействие на СГГ, пригодны для пластов, имеющих высокое содержание гидратов в порах. К основному недостатку тепловых способов разработки СГГ следует отнести большие энергетические затраты, связанные с нагреванием залежи. Так, только теплота фазового перехода гидрата метана составляет не менее 7% от теплоты сгорания выделившегося газа. При этом в реальных условиях прежде, чем начнется разложение гидрата, залежь должна быть прогрета до равновесной температуры. Однако, за счет низкой теплопроводности СГГ и больших тепловых потерь в окружающую породу и воду применение забойных нагревателей для этой цели неэффективно. Значительная часть энергии тратится на перегрев близлежащих к источнику тепловой энергии пород, при этом область прогрева остается небольшая, а затраты энергии - значительные. Для обеспечения большей эффективности теплового воздействия на СГГ необходима значительная поверхность контакта источника тепла с СГГ, что сопряжено со значительными затратами на оборудование.
Известны способы карьерной разработки океанических СГГ, в которых гидраты находятся либо в рыхлых, вовсе несцементированных отложениях, либо сами их цементируют, путем их механического разрушения.
Так, в заявке US 2008/0088171 описан способ карьерной разработки СГГ со дна моря, осуществляемый путем забора гидратосодержащих отложений вблизи раздела вода-дно специальными средствами, напоминающими подводные экскаваторы, последующего подъема гидратосодержащего осадка к поверхности в контейнерах (бадьях) и аккумулирования гидратного газа под куполом, обустроенным в днище судна. Несмотря на кажущуюся простоту способа, реализация данного изобретения требует создания сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, возможны значительные потери газа из разложившихся гидратов по пути к месту его аккумулирования за счет окисления, диффузии, выноса течением.
В международной заявке WO 00/47832 описан способ добычи гидратов, образующихся прямо на дне и в придонных отложениях. Способ предусматривает подачу по трубе сжатого воздуха и специального раствора с высокой плотностью (химический состав не указан) в направлении морского дна, в результате чего предполагается разрушение СГГ, отрыв и всплывание кусков гидрата в вышележащие слои воды, их последующий сбор и сепарацию газа и воды. Предполагается также усовершенствование описанных процедур путем дополнительного нагрева сжатого воздуха и закачиваемой жидкости. Недостатком данного способа является необходимость применения сложного и дорогостоящего оборудования и значительные энергетические затраты. А учитывая тот факт, что зачастую поверхность очагов разгрузки газа, к которым приурочены СГГ, покрывают твердые коры и пластины хемогенных карбонатных минералов, осаждающихся из углекислоты в местах разгрузки газа, то применение способа, предусматривающего их разрушение с помощью струи воздуха, представляется малоэффективным. Также вызывает сомнение, что при использовании данной разработки может быть достигнута значительная глубина воздействия на гидратосодержащие отложения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение затрат на разработку подводных месторождений газовых гидратов путем использования простого и эффективного способа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемый способ добычи газа из придонных скоплений газовых гидратов включает размещение над скоплением газовых гидратов куполообразного газосборника, разрушение находящейся под газосборником породы, содержащей газовые гидраты, с одновременным ее разрыхлением и взмучиванием, сбор под куполом газосборника продуктов разрушения породы и разложения газовых гидратов, сепарацию и отвод из газосборника выделенного газа.
За счет указанного разрушения породы, содержащей газовые гидраты, ее разрыхления и взмучивания, происходит сосредоточение под куполом газосборника продуктов разрушения породы, в которых происходит интенсивное разложение гидратов с выделением газа, который далее сепарируется и отводится. Интенсивное перемешивание разрыхляемого материала с водой нарушает условия стабильности гидратов, что и приводит к разложению гидрата на газ и воду. В результате такого воздействия на гидратосодержащую породу нарушаются сразу несколько параметров стабильности. В результате отрыва агрегатов гидрата от субстрата и его всплытия вверх под купол газосборника, а также разрыхления и взмучивания увеличивается температура и уменьшается гидростатическое давление и одновременно прекращается подток газа из нижележащих отложений. При этих воздействиях на породу величина растворимости газа для всплывающих продуктов увеличивается, вызывая разложение гидрата.
Обычно для выделения газа из гидратов пытаются нарушить равновесное состояние газовых гидратов путем изменения температуры или давления внутри залежи, не учитывая при этом влияния растворимости газа в воде на их стабильность. Теоретически и экспериментально доказано, что именно изменение параметров растворимости газа в воде является одним из факторов, контролирующих как образование, так и разложение гидрата. Это определяется важной особенностью растворимости углеводородного газа в воде в равновесии с гидратом, которая мало зависит от внешнего давления, а контролируется, в основном, давлением гидратообразования, равновесным для данной температуры. Поскольку с увеличением температуры равновесное давление газогидратообразования тоже становится большим, увеличивается и растворимость газа в воде в равновесии с гидратом, что приводит к разложению последнего.
Разрушение породы, содержащей газовые гидраты с одновременным ее разрыхлением и взмучиванием, производится под куполом газосборника, где сепарируется выделившийся газ и отводится в место его сбора, предотвращая потери газа.
Разрушение породы, разрыхление и взмучивание может производится механически, например, с использованием бура, шнекового бура, шнека. Выбор инструмента для разрушения в этом случае определяется тем, чтобы инструмент не только разрушал, но и разрыхлял, и взмучивал разрыхленную породу, способствуя выделению газа.
Также разрушение гидратосодержащей породы, разрыхление и взмучивание может быть произведено с помощью водяной струи высокого давления.
Дополнительно под купол газосборника может быть подана вода. Это приводит к уменьшению концентрации газа в воде под куполом и изменению условий стабильности гидрата, а значит - к более интенсивному выделению газа. Уменьшение концентрации газа в воде предотвращает образование вторичных гидратных пленок на пузырях свободного газа, что может происходить вследствие выделения его в значительных количествах.
Подаваемая под купол газосборника вода может быть взята из верхних слоев водной толщи. В этом случае эффективность способа повышается за счет более высокой температуры поверхностной воды по отношению к придонной, что оказывает дополнительное дестабилизирующее воздействие на газовый гидрат.
В качестве газосборника, в частном случае, может быть использован газосборник в виде складывающегося купола. Такая конструкция упрощает процедуру спуска газосборника за борт плавучего средства, облегчает сохранение устойчивого положения плавучего средства во время установки газосборника на дне, что позволяет увеличивать размеры газосборника, обеспечивая перекрытие большей площади разрабатываемой залежи.
В частном случае, отвод из газосборника выделенного газа осуществляют в емкости, размещенные на плавучем средстве, например на судне.
Дополнительно может контролироваться положение газосборника над скоплением газовых гидратов относительно упомянутого плавучего средства. Контроль положения газосборника может осуществляться с помощью устройств, установленных на дне.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На Фиг.1 условно показана схема залегания придонного скопления газовых гидратов.
Фиг.2 иллюстрирует процесс добычи газа из придонного скопления газовых гидратов в соответствии с заявляемым способом.
На Фиг.3 и Фиг.4 приведена конструкция стационарного куполообразного газосборника с двумя видами механических инструментов для разрушения породы, разрыхления и взмучивания.
На Фиг.5 приведен складывающийся газосборник перед установкой.
На Фиг.6 приведен пример работы по способу со складывающимся газосборником и шнековым инструментом с горизонтальной осью вращения.
На Фиг.7 показан пример со складывающимся газосборником и шнековым инструментом с вертикальной осью вращения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для выбора объекта разработки - скопления газовых гидратов необходимо предварительное проведение геофизической съемки. Обычно скопления представляют собой структуры на дне с диаметрами 50-1000 м, незначительно выраженные в рельефе (превышение над дном составляет в среднем 0-100 м). Форма скопления 3 газовых гидратов (Фиг.1) на дне 1 в плане обычно аппроксимируется окружностью, в некоторых случаях может иметь место и более сложная изометричная форма. Форма придонных скоплений 3 газовых гидратов, в частном случае, соответствует усеченному конусу и определяется формой диффузионного ореола рассеяния восходящего потока 4 газа, часть которого аккумулируется в породах в виде гидрата, другая часть выходит с поверхности дна 2 в виде пузырей свободного газа 5.
Способ осуществляется следующим образом. Предварительными работами (грунтовый пробоотбор) оценивается минимальная поддонная глубина залегания гидратов и границы скопления. Куполообразный газосборник 6 (Фиг.2) опускается за борт судна 10 при помощи стандартного судового спускоподъемного устройства, например лебедки 11. Газосборник 6, включающий сепаратор газа (на Фиг.2 не показан), соединен с емкостью для хранения газа (на Фиг.2 не показана) с помощью шланга 9 для откачки газа из газосборника. Породоразрушающий инструмент 7, которым в данном примере является шнековая фреза с вертикальной осью вращения, разрушает гидратосодержащую породу в пределах скопления газовых гидратов, ограниченного пунктирной линией на Фиг.2, одновременно разрыхляя ее и взмучивая. В качестве инструмента, приводимого в действие с помощью двигателя 8, может использоваться шнековая фреза с горизонтальной осью вращения (Фиг.4, Фиг.6) с твердосплавными или алмазными вставками на образующих шнеков. В качестве инструмента можно также использовать бур, шнековый бур или шнек, которые обеспечивают не только разрушение породы, но и разрыхление и взмучивание. Двигатель 8 или несколько двигателей, приводящих в действие инструмент, может получать питание с судна.
При осуществлении заявленного способа могут использоваться различные способы механического разрушения породы: строгание, фрезерование, бурение и скалывание, важно, чтобы при этом выполнялось также разрыхление и взмучивание. Разрушение породы может выполняться одними инструментами, а разрыхление и взмучивание другими.
Одновременно с вышеуказанными действиями нарушение условий стабильности газового гидрата может дополнительно осуществляться путем закачки под купол газосборника воды из поверхностных горизонтов (например, забортной воды вблизи судна).
Гидрат начинает разлагается на газ и воду уже в осадке, затем отрывается от субстрата и всплывает, продолжая разлагаться в воде. При этом часть газа растворяется в воде, остальной выделяется в газовую фазу. Водорастворенный газ и газ в свободной фазе (в виде пузырей) скапливается под куполообразным газосборником 6, сепарируется и откачивается по шлангу 9 в емкость, расположенную на судне 10. Сепарация газа от жидкости может осуществляться с помощью стандартного сепаратора, установленного в верхней части газосборника 6 (на Фиг.2 не показан). Сбор выделившегося газа может быть также организован в емкости, находящиеся на дне.
Эффективность данного способа была доказана в процессе экспериментальных работ в местах известных приповерхностных скоплений газовых гидратов в Мексиканском заливе, прибрежье о. Ванкувер. Суть эксперимента заключалась в воздействии на образованные на поверхности гидратные плиты и холмы дистанционно управляемыми аппаратами (рыхление грунта). Благодаря физико-химическим свойствам агрегатов гидрата, сходным со свойствами обычного льда, куски и агрегаты гидрата уже при незначительном воздействии отрываются от субстрата, всплывают и начинают разлагаться, выделяя пузыри газа.
Контроль над процессом может осуществляться посредством прямых наблюдений с помощью видеокамеры и датчиков: датчика-измерителя концентрации газа (метана) в воде, датчика давления, датчика температуры, установленных в верхней части купола газосборника 6.
При этом вторичное гидратообразование, которое может происходить при пересыщении морской воды, находящейся под куполом газосборника 6, газом из разложившихся гидратов, предотвращается путем понижения концентрации водорастворенного газа в ходе его сепарации и откачки в емкость и, дополнительно, при закачке под газосборник воды с поверхности моря.
Судно 10 (см. Фиг.2) удерживается в положении над газосборником 6 с помощью системы подводной навигации, которая включает донные ретрансляторы 13, приемное устройство 12 на судне 10 и излучатель 14 (Фиг.3, Фиг.4), установленный на газосборнике 6.
Данный способ может быть успешно реализован при глубинах 390-2000 м, температуре воды 1-15°C.