Способ добычи газовых гидратов донных отложений и устройство для его осуществления

Изобретение относится к получению приповерхностных скоплений твердых газовых гидратов донных отложений. Технический результат - снижение материальных и эксплуатационных затрат, а также снижение экологической нагрузки на территорию добычи газовых гидратов. По способу осуществляют постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов путем нагрева скоплений газовых гидратов в донных отложениях водоема до температуры 50-60^oС. Это осуществляют посредством нагревательного элемента, выполненного в виде режущей кромки, размещенной по диаметру грузового контейнера, спускаемого с плавательного средства. Плавательное средство выполнено в виде самоходного подводного аппарата с выдвижным гусеничным трактом в виде контейнера с режущей кромкой в нижней части, соединенной с нагревательными элементами внутри контейнера. Обеспечивают устойчивость самоходного подводного аппарата относительно дна водоема. Выполняют вращение контейнера и подачу электрического тока на нагревательные элементы. Разогревают газогидратный пласт до 50-60^oС. Выполняют спуск контейнера с вращением в газогидратный пласт с обеспечением точечной добычи гидратов из упомянутого пласта в их твердом виде. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к получению метана и его гомологов из приповерхностных скоплений твердых газовых гидратов в донных отложениях озер, морей и океанов. Существует ряд технологий разработки газогидратных месторождений в зависимости от места их залегания. Термический способ разработки газогидратной залежи предусматривает сжигание части углеводородного сырья на месте его залегания с использованием образующихся горячих продуктов для прогрева продуктивного пласта (Крейнин Е.В. Нетрадиционная термическая технология добычи трудно извлекаемого углеводородного сырья / Е.В. Крейнин // Газовая промышленность. - 2005. - №3. - с. 22 [1]). Технологии и оборудование для разработки месторождений и получения целевого продукта имеют ряд особенностей, обусловленных локализацией данного природного образования.

Газовые гидраты донных отложений морей и океанов - это клатратные соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа. Они относятся к соединениям переменного состава и внешне напоминают спрессованный снег. Благодаря своей структуре единичный объем газового гидрата может содержать до 160-180 объемов чистого газа. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой M·n·Н₂О, где М - молекула газа - гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа, причем n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры. В 1960-е годы обнаружены первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива. Постепенно выясняется их широкое распространение в океанах и нестабильность при повышении температуры. В настоящее время природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива (Дядин Ю.А. Газовые гидраты / Ю.А. Дядин. А.Л. Гущин // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - №3. - С. 35-64 [2]; Кэрролл Дж. Гидраты природного газа / Дж. Кэролл. Пер. с англ. М.: Издательство Технопресс. 2007. - 316 с. [3]).

Увеличение потребности человечества в энергии и уменьшение запасов нефти и природного газа в ближайшие десятилетия будут иметь геополитические последствия. Поэтому в настоящее время ведется поиск новых нетрадиционных источников энергии и способов их экономичного получения. Газовые гидраты занимают в этом списке не последнюю роль, так как на территории России имеются огромные перспективные газогидратные площади, в том числе на дне окраинных и внутренних морей. Известен способ добычи и транспорта газа из газовых и газогидратных морских месторождений, включающий добычу природного газа скважинами, его переработку в гидратное состояние с использованием тепла и транспортировку на передвижном средстве к устройству, подающему газ потребителю (патент RU №2198285, 10.02.2003 [4]). Известный способ осуществляет переработку газа на передвижном средстве в одной группе емкостей с одновременным разложением в другой группе емкостей гидратов углекислого газа отходов промышленных предприятий и закачиванием последнего на глубину моря, обеспечивающую его захоронение в гидратном состоянии, причем переработку добытого газа и разложение гидратов углекислого газа осуществляют с использованием баланса тепла между ними.

Осуществление известного способа является довольно затратным предприятием, требует специального дорогостоящего оборудования для добычи и транспортировки добываемого газа. Закачивание отходов промышленных предприятий на глубину моря технически сложно и небезопасно для окружающей среды.

Известен способ добычи газовых гидратов со дна океана с использованием добывающего устройства в виде самоходного комбайна со средствами управления, связи, добычи и погрузки и устройства, доставляющего их на поверхность в виде баржи со средствами передвижения и средствами всплытия на поверхность (заявка RU №2004106857/03, заявл. 09.03.2004; опубл. 20.08.2005 [5]).

Известный способ требует сложного по конструкции и управлению оборудования. Добытые газовые гидраты при их транспортировке могут потерять значительное количество газа-гидратообразователя и сделать добычу полезного ископаемого дорогостоящей и нерентабельной.

Известен способ добычи газов (метана, его гомологов и др.) из твердых газогидратов в донных отложениях морей, океанов, при котором в пробуренную до его подошвы скважину выявленного пласта газогидратов погружают две колонны труб - закачивающую и откачивающую. Природная вода с естественной температурой или подогретая поступает по закачивающей трубе и разлагает газогидраты на систему «газ - вода», аккумулирующуюся в образующейся в подошве пласта газогидратов сферической ловушке. По другой колонне труб осуществляют откачку из этой ловушки выделяющихся газов в том числе и горючих газов - метана и других (заявка RU №2005139956, заявл. 20.12.2005; опубл. 27.06.2007 [6]).

Недостатком известного способа является необходимость подводного бурения, что является технически обременительным, затратным и вносящим порой непоправимые нарушения в сложившуюся подводную среду водоема.

Известные также способы добычи газов (заявка RU №2008110909 А, 27.09.2009 [7], патент RU №2066367 C1, 10.09.1996 [8], патент RU №2292452 C2, 27.01.2007 [9], патент RU №2063507 C1, 10.07.1996 [10], патент RU №2262586 C2, 20.10.2005 [11], авторское свидетельство SU №1792482 A3, 30.01.1993 [12], заявка JP №2001280055 A, 10.10.2001 [13], патент US №5713416 A, 03.02.1998 [14]) являются материально затратными и вносящими экологические нарушения.

Возможность использования любого природного ресурса с наименьшими материальными затратами и сохранной для окружающей среды технологией является важной государственной задачей.

Техническим результатом известного технического решения (патент RU №2412337 C1, 20.02.2011 [15] является снижение материальных и эксплуатационных затрат, а также снижение экологической нагрузки на территорию добычи газа.

Технический результат достигается известным способом [15], при котором производят постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов водой водоема, имеющей естественную температуру водоема и не являющейся насыщенным раствором газа, с образованием раствора метана и его гомологов. Подачу этого раствора на поверхность осуществляют вначале принудительно, затем за счет эффекта газлифта. Способ осуществляют с использованием устройства с системами подачи воды и подъема образующейся водно-газовой смеси на поверхность водоема, которое выполнено в виде колокола, к закрытому торцу которого подведены трубы для подачи природной воды и для откачки образующейся водно-газовой смеси. Подаваемую воду распределяют по внутренней поверхности стенки колокола при помощи тонких труб, снабженных на конце в нижней части колокола специальными гидрантами-форсунками для силовой подачи воды в разных направлениях.

Подачу воды в трубы осуществляют при помощи оборудования, снабженного измерительными приборами, установленного на плавучей платформе или судне. Подачу воды в трубы осуществляют также при помощи погружаемого оборудования.

Откачку образующейся водно-газовой смеси газовых гидратов осуществляют через систему труб, соединенных с баком-хранилищем, установленным на плавучей платформе или судне.

Растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов проводят под избыточным давлением. Подаваемую воду, которая не является насыщенным раствором метана в воде, вначале направляют в специальные баки, расположенные в верхней части колокола. Из них через тонкие трубы, расположенные вдоль внутренней стенки колокола, она равномерно под напором поступает в нижнюю открытую часть колокола на два типа специальных гидрантов-форсунок (одни с отверстием, направленным вдоль стенки колокола, другие перпендикулярно стенке - внутрь колокола). На торце колокола подаваемая вода распыляется (выходит под давлением) через гидранты-форсунки, размывая донные отложения и газовые гидраты. Во внутреннем пространстве колокола образуются осколки газовых гидратов, газ и раствор метана в воде. Через систему труб для откачки образующаяся водно-газовая смесь вначале принудительно поступает на поверхность водоема. При дальнейшем подъеме при наличии эффекта газлифта газ поступает вверх самостоятельно и направляется в специальный бак-хранилище, откуда по трубопроводу поступает к месту назначения.

Основным недостатком известного способа [15] является высокая трудоемкость, обусловленная наличием подводных коммуникаций (система труб, колокол), сочлененных с плавучей платформой или судном. Кроме того, добыча может осуществляться только при благоприятных погодных условиях. В противном случае система труб между судном и колоколом будет подвергаться механическим воздействиям.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности при подводной добыче газогидратов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе добычи газа из газовых гидратов донных отложений водоема, который характеризуется тем, что проводят постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов, в котором в отличие от прототипа [15] постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов осуществляют путем нагрева скоплений газовых гидратов в донных отложениях водоема до температуры 50-60°C, посредством нагревательного элемента, выполненного в виде режущей кромки, размещенной по диаметру грузового контейнера, спускаемого с плавательного средства, выполненного в виде самоходного подводного аппарата с выдвижным гусеничным трактом в виде контейнера с режущей кромкой в нижней части, соединенной с нагревательными элементами внутри контейнера, обеспечивают устойчивость самоходного подводного аппарата относительно дна водоема, выполняют вращение контейнера и подачу электрического тока на нагревательные элементы, разогревают газогидратный пласт до 50-60°C, выполняют спуск контейнера с вращением в газогидратный пласт с обеспечением точечной добычи гидратов из упомянутого пласта в их твердом виде, а в устройстве для добычи газа из газовых гидратов в донных отложениях водоема, состоящее из плавательного средства, спуско-подъемных механизмов и рабочего органа, плавательное средство выполнено в виде самоходного подводного аппарата, снабженного выдвижным гусеничным трактом, стопорными механизмами для обеспечения устойчивого положения плавательного средства относительно дна водоема, манипулятором, сочлененным с вращающейся колонкой, обеспечивающим возможность помещения колонки в контейнер и вращения последнего, рабочий орган выполнен в виде контейнера, полый корпус которого в нижней своей части выполнен в виде режущей кромки, соединенной с нагревательными элементами, размещенными внутри полого корпуса контейнера, контейнер по вертикальной оси выполнен с отверстием для колонки.

Способ добычи газа из газовых гидратов поясняется чертежом.

На чертеже позициями обозначены плавательное средство 1, которое выполнено в виде самоходного подводного аппарата, снабженного выдвижным гусеничным трактом 2, стопорными механизмами 3, манипулятором 4, сочлененным с вращающейся колонкой 5, контейнерами 6, размещенными в кассете 7, выполненной цилиндрической формы, контейнеры 6 выполнены также цилиндрической формы, при этом в нижней своей части контейнеры 6 выполнены в виде режущей кромки 8, соединенной с нагревательными элементами 9, размещенными внутри полого корпуса 10 контейнеров 6.

Плавательное средство 1, выполненное в виде самоходного подводного аппарата, также снабжено системой навигации и ориентации 11, движителями 12, системой управления движения 13, грузовым отсеком 14 для размещения контейнеров 6. Каждый контейнер 6 по своей вертикальной оси снабжен отверстием 15, в которое посредством манипулятора 4 вставляется вращающаяся колонка 5.

Манипулятор 4, сочлененный с вращающейся колонкой 5 является спуско-подъемным механизмом.

Рабочий орган выполнен в виде контейнера 6, полый корпус 10 которого в нижней своей части выполнен в виде режущей кромки 8, соединенной с нагревательными элементами 9, размещенными внутри полого корпуса 10 контейнера 6. Комплекс для добычи газа из газовых гидратов работает следующим образом.

Плавательное средство 1, выполненное в виде самоходного подводного аппарата по заданной программе выходит в точку залегания пласта газовых гидратов. Посредством стопорных механизмов 3 принимает устойчивое положение относительно дна водоема. Посредством манипулятора 4 в первый контейнер 6 вставляется вращающаяся колонка 5, на нагревательные элементы 9 подается электрический ток. Посредством нагревательных элементов 9 пласт разогревается до 50-60°C.

Далее за счет вращения вращающейся колонки 5 происходит вращение и опускание в газогидратный пласт 16 контейнера 6. После заполнения контейнера 6 путем вращения вращающейся колонки 5 в противоположном направлении происходит подъем контейнера 6 и установка его на штатное место в грузовом отсеке 14 плавательного средства 1.

Плавательное средство 1 после полной загрузки газовым гидратом в твердом виде, ввиду наличия выдвижного гусеничного тракта 2, установленного по обоим бортам, осуществляет транспортировку добытого газового гидрата.

Добыча газогидратов может производиться точечно и периодично на ограниченной территории и возобновляться через некоторое время, так как приповерхностные гидраты будут образовываться вновь на этой же площади. Такой способ добычи допускает минимальные и ограниченные по площади изменения на дне, которые не приводят к катастрофическим и необратимым изменениям в биоценозе водоема.

Источники информации

1. Крейнин Е.В. Нетрадиционная термическая технология добычи трудно извлекаемого углеводородного сырья / Е.В. Крейнин // Газовая промышленность. - 2005. - №3. - с. 22.

2. Дядин Ю.А. Газовые гидраты / Ю.А. Дядин, А.Л. Гущин // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - №3. - С. 35-64.

3. Кэрролл Дж. Гидраты природного газа / Дж. Кэролл. Пер. с англ. М: Издательство Технопресс, 2007. - 316 с.

4. Патент RU №2198285, 10.02.2003.

5. Заявка RU №2004106857/03, заявл. 09.03.2004; опубл. 20.08.2005.

6. Заявка RU №2005139956, заявл. 20.12.2005; опубл. 27.06.2007.

7. Заявка RU №2008110909 A, 27.09.2009.

8. Патент RU №2066367 C1, 10.09.1996.

9. Патент RU №2292452 C2, 27.01.2007.

10. Патент RU №2063507 C1, 10.07.1996.

11. Патент RU №2262586 C2, 20.10.2005.

12. Авторское свидетельство SU №1792482 A3, 30.01.1993.

13. Заявка JP №2001280055 A, 10.10.2001.

14. Патент US №5713416 A, 03.02.1998.

15. Патент RU №2446983 C2, 10.04.2012.

1. Способ добычи газовых гидратов донных отложений водоема, характеризующийся тем, что проводят постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов, отличающийся тем, что постепенное растворение верхнего слоя скоплений газовых гидратов осуществляют путем нагрева скоплений газовых гидратов в донных отложениях водоема до температуры 50-60^oС посредством нагревательного элемента, выполненного в виде режущей кромки, размещенной по диаметру грузового контейнера, спускаемого с плавательного средства, выполненного в виде самоходного подводного аппарата с выдвижным гусеничным трактом в виде контейнера с режущей кромкой в нижней части, соединенной с нагревательными элементами внутри контейнера, обеспечивают устойчивость самоходного подводного аппарата относительно дна водоема, выполняют вращение контейнера и подачу электрического тока на нагревательные элементы, разогревают газогидратный пласт до 50-60^oС, выполняют спуск контейнера с вращением в газогидратный пласт с обеспечением точечной добычи гидратов из упомянутого пласта в их твердом виде.

2. Устройство для добычи газовых гидратов донных отложений водоема, состоящее из плавательного средства, спуско-подъемных механизмов и рабочего органа, отличающееся тем, что плавательное средство выполнено в виде самоходного подводного аппарата, снабженного выдвижным гусеничным трактом, стопорными механизмами для обеспечения устойчивого положения плавательного средства относительно дна водоема, манипулятором, сочлененным с колонкой, имеющей возможность вращения, и обеспечивающим возможность помещения колонки в контейнер и вращения последнего, рабочий орган выполнен в виде контейнера, полый корпус которого в нижней своей части выполнен в виде режущей кромки, соединенной с нагревательными элементами, размещенными внутри полого корпуса контейнера, который по вертикальной оси выполнен с отверстием для колонки.