способ добычи метана из придонных залежей твердых гидратов

Формула изобретения

1. Способ добычи метана из придонных залежей твердых гидратов, характеризующийся тем, что с водной поверхности до придонной залежи гидрата метана опускают трубу диаметром от 0,01 м до 1 м со сборником метана на верхнем торце, в придонной залежи на нижнем торце трубы создают пульпу, содержащую взвесь частиц твердого гидрата метана в окружающей воде с размерами частиц от 10 ^-6 м до 0,01 м и весовым содержанием по метану от 0,01% до 10%, в начальный момент создают принудительный поток пульпы на нижнем торце трубы для инициирования самоподдерживающегося процесса, в сборнике метана проводят разделение жидкой воды и газообразного метана, затем воду сливают, а метан отбирают.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что пульпу создают путем гидравлического, с помощью гидранта, или механического, с помощью фрезы, воздействия на придонную залежь гидрата метана.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что используют совокупность труб.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в сборнике метана регулируют давление метана от 10 атмосфер до 0,1 атмосферы за счет скорости отбора метана.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в верхней части трубы на глубину от 10 м до 400 м увеличивают температуру на величину от 10°C до 90°C путем внешнего нагрева.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что на верхнем торце трубы помещают устройство для превращения кинетической энергии движущейся среды в другие виды энергии.

7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что принудительный поток пульпы на нижнем торце трубы создают за счет откачки воды, или нагрева верхней части трубы от 90°C до 100°C и выше, или подачи воздуха в трубу на глубине 50-100 м, или открытия заслонки, герметизирующей трубу при ее опускании в придонную залежь гидрата метана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработки придонных газогидратных месторождений.

К настоящему времени известно около пятидесяти способов (вариантов) добычи метана из придонных залежей гидрата. В основном, они связаны либо с подогревом, либо подачей горячих воды или рассола, которые разрушают твердый гидрат.

Так, например, известен способ разработки газогидратных месторождений, включающий подачу по отдельной трубе горячих воды или рассола непосредственно в залежь гидратов. Горячие вода или рассол, вступая в контакт с гидратом, плавят его, образующаяся жидкость (вода) удаляется через отдельную трубу, а газообразные углеводороды в виде пузырьков по магистральной трубе поднимаются на поверхность, где и происходит их сбор (US 4376462).

Кроме того известен способ разработки газогидратных месторождений, включающий подачу под высоким давлением воздуха в нижнюю часть трубы, погруженную в придонную залежь гидрата, чем создается в ней мощный поток, увлекающий за собой твердый гидрат метана (WO 00/47832).

Однако реализация указанного способа сопряжена с необходимостью создания дополнительного оборудования для приготовления как горячих воды или рассола, так и сжатого воздуха и существенными энергетическими затратами для подогрева воды, рассола или сжатого воздуха.

Наиболее близким является следующий способ (патент США US 4376462), защищающий самоподдерживающийся способ извлечения, по крайней мере, газообразных углеводородов из образований, состоящих из твердых гидратов, упомянутый способ включает сборку, по крайней мере, двух трубопроводных средств в упомянутом образовании, так что рассол может течь между первым трубопроводным устройством (ТУ) и, по крайней мере, вторым ТУ. Начало течения относительно теплого рассола заводилось из верхнего слоя упомянутых гидратов через упомянутое первое ТУ, используя источник давления для первого ТУ. Способ содержит приостановленный приложенный источник давления и делает возможным контакт рассола с гидратом и плавит его там, где рассол движется благодаря разности гидростатического давления в первом ТУ, содержащем чистый рассол, и гидростатического давления во втором ТУ, содержащем, по крайней мере, движущийся рассол и пузырьки газа, полученного при плавлении гидрата. Кроме того технология обязательно содержит отделение газообразных углеводородов от использованного рассола. Газообразные углеводороды отделяются от использованного рассола, разделительное устройство локализовано во втором ТУ и включает в себя также этап добычи углеводородов. Первое и второе ТУ - концентрические трубы неравных диаметров и первое ТУ локализовано во втором. При этом трубы разделены промежутком.

Недостатком известного технического решения является необходимость подвода энергии извне.

Задачей изобретения является разработка самоподдерживающегося способа добычи метана из придонных залежей гидрата без существенного подвода энергии извне.

Поставленная задача решается предлагаемым способом добычи метана из придонных залежей твердых гидратов, согласно которому в трубу диаметром от 0.01 м до 1 м, опущенную с водной поверхности до придонной залежи гидрата метана, на нижний торец подают пульпу, содержащую взвесь частиц твердого гидрата метана в окружающей воде с размерами частиц от 10^-6 м до 0.01 м, весовое содержание по метану от 0.01% до 10%, верхний торец трубы снабжают сборником метана, в котором проводят разделение жидкой воды и газообразного метана, затем воду сливают, а метан отбирают стандартными устройствами. В заявляемом способе пульпу создают путем гидравлического или механического воздействия на придонную залежь гидрата метана известными устройствами. При этом используют совокупность труб.

В сборнике регулируют давление метана от 10 атмосфер до 0.1 атмосферы за счет скорости отбора метана.

В верхней части трубы на глубину от 10 м до 400 м возможно увеличение температуры на величину от 10°C до 90°C путем внешнего нагрева. Кроме того, на верхнем торце трубы возможно помещение устройства, превращающего кинетическую энергию движущейся среды в другие виды энергии за счет известных устройств.

В заявляемом способе в начальный момент создают принудительный поток пульпы в трубе со скоростью на нижнем торце трубы, или за счет откачки воды, или нагрева верхней части трубы от 90°C до 100°C и выше, или подачи воздуха в трубу па глубине 50-100 метров, или открытия заслонки, герметизирующей трубу при ее опускании в придонную залежь гидрата для инициирования самоподдерживающегося процесса.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Придонная часть магистральной трубы погружена в пульпу (взвесь частиц твердого гидрата метана и воды), которая засасывается в трубу, по мере поднятия пульпы падает гидростатическое давление, что приводит к распаду твердого гидрата метана с образованием пузырьков метана, размер которых растет с приближением к поверхности. Плотность суспензии падает, что приводит к падению гидростатического давления в трубе. Это приводит к возникновению разности гидростатического давления в трубе и внешней водной среде. Этот перепад обеспечивает установившееся движение суспензии в трубе по закону сообщающихся сосудов. Гидрат метана имеет плотность близкую к плотности воды. Характеристики пульпы (размер частиц и их весовое содержание) выбираются следующим образом: скорость флотации (или седиментации) должна быть существенно меньше скорости движении пульпы в трубе. Для частиц размером от 10^-6 до 10^-2 метра и скоростей течения пульпы от 0.5 до 30 м/сек из-за малой разности плотностей твердого «технического» гидрата и воды (меньше 0.1 г/см³) согласно формуле Стокса (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теоретическая физика, том IV, Гидродинамика, М., Наука, с.100, 1988) отношение скорости седиментации (или флотации) к скорости пульпы находится в пределах от 10^-9 до 10 ^-3. В соответствии (Р.И. Нигматулин, Динамика многофазных сред, М., Наука, с.17, 1987) «размеры неоднородностей во много раз меньше расстояний, на которых осредненные или макроскопические параметры смеси или фаз меняются существенно», т.е. размеры частиц твердой фазы должны составлять доли от диаметра трубы, а удельный объем твердой фазы должен быть меньше объема жидкости, чтобы суспензия двигалась как сплошная среда. Это условие обеспечивается при содержании твердого гидрата меньше 25% (объемных).

Месторождения гидратов носят различный по механике характер: для «илоподобных» месторождений - поток на входе в трубу засасывает суспензию; в случае механически прочных залежей требуется устройство типа фрезы или гидравлический размыв. Далее образуется установившийся поток пульпы и газовзвеси, скорость которого рассчитывалась из решения системы уравнений движения вязких сплошных сред с учетом осредненных макроскопических параметров и зависимости сопротивления трубы от числа Рейнольдса (Л.Г. Лойцянский, Механика жидкости и газа, М., Наука, с.433, 1973).

Скорость установившегося потока пульпы: от 10 см/сек до 2-3 десятков м/сек в зависимости от параметров. При переходе пульпы в газовзвесь скорость среды существенно увеличивается.

Верхний предел диаметра трубы определяется возможной гидродинамической неустойчивостью, увеличение производительности может быть достигнуто использованием нескольких труб меньшего диаметра.

Изменение давления на выходе позволяет менять производительность и условия для дальнейшей передачи газа за счет условий в газосборнике.

Увеличение температуры нагрева в соответствии с решением системы уравнений, упомянутой выше, приводит к увеличению скорости потока и соответственно к увеличению производительности и дореагированию крупных частиц гидрата метана, если они попадают в пульпу, движущуюся по магистральной трубе.

В результате решения уравнений, упомянутых выше, скорость на выходе из магистральной трубы достигает околозвуковых скоростей, что открывает возможности использования кинетической энергии движущейся среды известными устройствами.

Для запуска необходимо создать в начальный момент скорость движения пульпы выше скорости седиментации известными способами, например, насос, магистральная труба, заглушенная в донной части в начальный момент, нагрев верхней части открытой магистральной трубы до температуры кипения воды (примерно 100 градусов Цельсия), когда за счет испарения возникает разность гидростатических давлений, приводящая к движению пульпы. После запуска и выхода на самоподдерживающийся режим эти устройства отключаются.

Таким образом, предложенный способ имеет следующие основные преимущества:

1. предлагаемый способ обеспечивает промышленный уровень добычи метана из придонных залежей твердых гидратов;

2. способ по существу является самоподдерживающим, поэтому добыча метана из придонных залежей твердых гидратов не требует существенных затрат энергии извне, что позволяет отказаться от создания на платформе мощных источников энергии, и использовать кинетическую энергию движущейся среды;

3. реализация предлагаемого способа позволяет отказаться от дополнительных трубопроводных устройств подачи или воздуха, или нагретых воды и рассола, что является основой других предлагаемых способов разработки придонных залежей твердых гидратов;

4. использование пакета магистральных труб, подогрев верхней части трубы, изменение уровня давления газа в газосборнике - позволяют регулировать производительность процесса добычи метана.