СПОСОБ ДОБЫЧИ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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.