Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДОБЫЧИ ГАЗА ПУТЕМ РАЗЛОЖЕНИЯ ГАЗОГИДРАТОВ НА ГАЗ И ВОДУ ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ ВЫЗВАННОЙ САМОГАЗИФИКАЦИИ

Область техники

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к разложению газогидратов на газ и воду за счет самогазификации газогидратов, вызванной физическими полями механической, электрической, сейсмической энергии, а также акустической, гидроакустической и гидродинамической кавитацией с последующим отбором газа через вертикальные и/ или наклонно-направленные и горизонтальные скважины.

Уровень техники

Из уровня техники известны различные способы добычи углеводородов из газогидратов, в частности способ разработки месторождений трудноизвлекаемых нефтей, раскрытый в патенте: RU 2395679 C1, опубликованном 27.07.2010, согласно которому для разложения пластовых газогидратов и улучшения коллекторских свойств прискважинной зоны продуктивного пласта газогидратного месторождения проводят газодинамический разрыв пласта путем инициирования горения горючей смеси с выделением высокотемпературных газообразных продуктов и осуществляют комплексное механическое, термическое и физико-химическое воздействие на пласт. Используют водную горюче-окислительную смесь, которую предварительно перед инициированием ее горения закачивают в скважину. Инициируют ее горение с помощью порохового генератора давления, обеспечивающего, дополнительно, образование в пласте сетки мелких трещин, размер которых увеличивают на этапе горения водной горюче-окислительной смеси. Температуру горения в зоне горения горюче-окислительной смеси обеспечивают 1100-1600 К. Проводят газодинамический разрыв пласта, свойства которого при динамическом нагружении обеспечивают их необратимое деформирование с остаточными трещинами, не требующими закрепления.

Недостатком приведенного способа является его невысокая эффективность.

Наиболее близким аналогом по заявленному изобретению является способ добычи газа путем выделения газа, в том числе газа, частично растворенного в пленках воды физическими полями (разложение газогидратов на газ и воду), раскрытый в источнике: АГЕЕВ Н.П. и др., ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННО-ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ – НЕТРАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД К ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, Журнал "Горная Промышленность" №1 (119), 2015 (найдено из Интернет: https://mining-media.ru/ru/article/anonsy/8245-tekhnologiya-plazmenno-impulsnogo-vozdejstviya-netraditsionnyj-podkhod-k-degazatsii-ugolnykh-plastov). Способ включат бурение скважин по пятиточечной схеме в соответствие с конструкцией для добычи природного газа на расстоянии 200 метров от центральной скважины. В скважину с перфорированной колонной в заданную точку рабочего пласта спускают нелинейный источник плазменно-импульсного воздействия, который инициирует расчетное количество периодических широкополосных импульсов для создания эффекта растяжения-сжатия, нелинейной силы и эффекта аккумуляции упругой энергии, которая усилит давление в среде, создаст искусственные трещины, гидроакустическую и акустическую кавитацию, которые и буду способствовать разложению газогидратов на газ и воду, по мере перемещения источника колебаний по вертикали. Предложенный способ повышает проницаемость и следовательно максимизирует десорбцию и диффузию газа разрабатываемой продуктивной залежи за счет воздействия нелинейным плазменно-импульсным источником направленных широкополосных управляемых периодических упругих колебаний.

Недостатком известного из наиболее близкого аналога способа является его недостаточная эффективность вследствие отсутствия комплексного взаимодополняющего воздействия на газогидратную залежь, способного усилить процесс самогазификации газогидратов и разложения их на газ и воду.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности способа добычи газа путем разложения газогидратов на газ и воду, за счет усиления процесса самогазификации газогидратов, обусловленного комплексным воздействием на газогидратную залежь (ГГЗ), создающим тепловой синергетический эффект.

Технический результат достигается тем, что способ добычи газа путем разложения газогидратов на газ и воду физическими полями вызванной самогазификации, включающий бурение с дневной поверхности в газогидратную залежь, определенную с помощью геофизических исследований, вертикальных или наклонно-направленных горизонтальных скважин по пятиточечной схеме на определенном расстоянии от центральной скважины, причем скважины оборудуются эксплуатационными колоннами, которые перфорируются перед спуском, спуск в скважину через лубрикатор на геофизическом кабеле «скважинного источника плазменно-импульсного воздействия» с программным обеспечением в заданную точку рабочего пласта, по команде оператора по заданной программе инициируют расчетное количество периодических широкополосных импульсов, при этом указанное определенное расстояние от центральной скважины составляет 50-100 метров, причем расчетные эффективные радиусы скважин соответствуют интерференции, а эксплуатационные колонны оборудуются греющими кабелями для предотвращения выпадения гидратов при эксплуатации и противовыбросовыми устройствами типа лубрикатора с манометром высокого давления, затем скважины до устья заполняют незамерзающей жидкостью – тосол или антифриз, которая способствует разогреву прискважинной зоны, при этом заданная точка рабочего пласта отнесена к единице массы (фракталу), а широкополосные импульсы инициируют одинаковой силы, разнесенные по времени на 30 секунд для поглощения продуктивным пластом незамерзающей жидкости – тосол или антифриз, для создания эффекта растяжения-сжатия, воcстанавливающей нелинейной силы, отнесенной к единице массы (фракталу), накопления малых возмущений и эффекта аккумуляции упругой энергии, которые усилят давление в среде, приведут к созданию искусственных трещин, генерации механической, электрической энергии, появлению пузырей газа, гидроакустической и акустической кавитации, которая будет инициировать ударные волны за счет взрыва пузырьков газа, что приведет к тепломассообмену, появлению эффекта аккумуляции упругой энергии, в результате полученный тепловой синергетический эффект разогреет среду и будет способствовать разложению газогидратов на газ и воду, далее перемещают «скважинный источник плазменно-импульсного воздействия» и по мере его перемещения по точкам, отнесенным к единице массы, давление будет возрастать до максимальных значений, которые фиксируют на манометре лубрикатора, при достижении максимального давления «скважинный источник плазменно-импульсного воздействия» извлекают через лубрикатор, а скважину запускают в эксплуатацию, для сохранения эффекта аккумуляции упругой энергии пласта и плюсовой температуры в пласте на большой площади, операции по воздействию повторяют в каждой из пяти скважин. Широкополосные импульсы создают давлением 200 атм/см², что способствуют растрескиванию среды, возникновению повышенной проницаемости за счет механической энергии, генерации электрической энергии и нагрева среды.

Предложенный способ добычи газа путем разложения газогидратов на газ и воду физическими полями вызванной самогазификация основывается на «теории самоорганизации природной динамической системы», которая отражает наиболее общие свойства поведения сложных систем, условия их устойчивости, природу неустойчивости и эволюцию систем вдали от термодинамического равновесия», [1].

Газовые гидраты образуются при наличии воды, газа, высокого давления, не очень большой температуры, а также подходящего коллектора. Они относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава, их отличает нестабильность при повышении температуры и понижении давления.

В газовых гидратах в полости кристаллической решетки, созданной молекулами воды (упаковка), встраиваются молекулы гидрофобных газов. Образовывать газовые гидраты способен метан, легкие углеводородные газы, углекислый газ, азот и др., а также их смеси. Газогидраты являются клатратными соединениями, в которых молекулы газа заключены в отдельные ячейки, образованные молекулами воды за счет водородной связи.

При упаковке сложных молекул гидрофобных газов в кристаллическую структуру действуют два противоположных начала: Ван-дер-Ваальсово взаимодействие стремится плотнее упаковать молекулы, тогда как сама молекула пытается сохранить форму с наиболее выгодной ориентацией своих фрагментов. В общем случае эти два начала не совпадают. Молекула в той или иной мере искажена, а упаковка не является плотной.

В силу рыхлости упаковок многих газовых гидратов и не высокой энергии связи между молекулами воды, составляющими решетку (водородная связь), системы, в которых образуются газогидраты, весьма чувствительны к вариациям давления.

Обнаружено сильное воздействие встроенных молекул газа на молекулу кристаллической решетки, вызывающее повышение наиболее вероятных частот собственных колебаний.

Газогидраты обладают высокими электросопротивлением и акустической проводимостью, что позволило создать эффективные средства их поисков и разведки. Образование газогидратов происходит с выделением тепла, а разложение с поглощением тепла.

Спецификой разработки газогидратной залежи (ГГЗ) является необходимость перевода в пласте газа из твердого газогидратного в свободное состояние с последующим отбором традиционными технологиями.

Точки разложения газовых гидратов метана в природном угле близки к точкам разложения газовых гидратов метана, образованных из макроскопических количеств воды. Экспериментально определено количество газовых гидратов, формирующихся в природных углях при заданных условиях. Так, в криолитозоне 80% залежи Печерского угольного бассейна соответствуют условиям образования газогидратов.

Природные газогидраты, как и 50% метана в угольных пластах при нормальных условиях, представляют собой твердый раствор внедрения, где метан располагается в отдельных вакансиях и не входит в кристаллическую решетку угля. 

Заявленный способ добычи газа путем разложения газогидратов на газ и воду физическими полями вызванной самогазификации рассматривает явления в средах со сложной неупорядоченной структурой, к которой относятся газогидратная залежь, с точки зрения фрактальности (единица массы) пространственных и временных свойств. «Математическими расчетами и экспериментально установлен универсальный принцип фрактальной делимости твердых тел и среды. Особенностью фракталов является пространственное самоподобие всей природной нелинейной динамической системы, определяющее «Закон наращивания масштабов локализации деформационных процессов», а за процесс локализации в таких системах отвечает сформировавшаяся пространственная фрактальная сетка устойчивых резонансных возмущений или устойчивая структура резонансов, путем отбора системой соответствующих частот из непрерывного в общем случае спектра внешних воздействий. В случае периодического нагружения твердых тел и сред в области резонансных возбуждений будет наблюдаться локализация процессов в возмущаемых нелинейных динамических системах, в том числе и деформационных процессов» [2] ‚ что будет усиливать повышение наиболее вероятных частот собственных колебаний встроенных молекул газа на молекулу кристаллической решетки, вплоть до резонансных возмущений.

Физическая специфика газогидратов: акустическая проводимость; поглощение тепла при разложении; нахождение молекулы газа в отдельных ячейках, не входящих в кристаллическую решетку, чувствительность к изменению давления по некоторым параметрам близка к геологотехническим условиям нахождения 50% метана в угле в твердом растворе внедрения, хотя термобарические условия существования газогидратов существенно отличаются.

«При гармоническом воздействии любая нелинейная динамическая система зависит от начальных условий силы возмущения, характеризуется стационарной круговой частотой свободных резонансных возмущений и нелинейной восстанавливающей силой, отнесенной к единице массы (фракталу), равной силе возмущения» [3].

«Реакция такой системы на импульс конечной длины не является интегралом от реакции на короткий импульс. Например, реакция на два импульса шириной Δt, следующих друг за другом, не равняется реакции на удвоенный импульс» [4]. Процесс в этом случае рассматривается во времени и пространстве, где время приложение нагрузки играет решающую роль.

«В природной нелинейной динамической системе резко возрастает роль малых величин и эффектов, которые будучи задействованы в определенное время, в определенной точке, отнесенной к единице массы (фракталу), позволяют управлять процессами самоорганизации (самогазификации), синхронизировать и упорядочивать систему. Малые эффекты играют роль спускового крючка, запускающего в действие скрытые резервы природной динамической системы» [1] , при этом «накопление малых возмущений является существенным фактором эволюции геологической структуры» [5], а «эффект аккумуляции упругой энергии позволяет управлять процессом разрушения в сложных структурах» [6], в том числе процессом разложения газогидрата на газ и воду, после чего движущей силой становятся энергия свободного газа и энергия упругого деформирования.

Для запуска процесса самогазификации газогидратов необходимо:

- заполнить (вертикальную/наклонно-направленную) скважину незамерзающей жидкостью (типа тосол/антифриз) и создать одинаковые по силе и разнесенные на равные промежутки времени периодические микросекундные плазменные импульсы растяжения-сжатия, отнесенные к единице массы по всей мощности пласта, что приведет к поглощению незамерзающей жидкости и растрескиванию среды, возникновению повышенной проницаемости за счет механической энергии, генерации электрической энергии и как следствие, нагрева среды (фиг. 3);

- облучить среду широкополосным звуком высокой эффективности, который возникает при образовании плазмы и вызывает механические колебания в породе, воде, газе, которые в конечном итоге перейдут в тепло;

- создать пузыри в среде и тем самым усилить в два раза давление жидкости за пузырем, значительно увеличить нелинейность среды, а также вызвать гидродинамическую и гидроакустическую кавитацию‚ которая сама будет инициировать ударные волны за счет взрыва пузырьков, что приведет к тепломассообмену и разложению газогидратов на газ и воду;

- создать эффект накопления малых плазменно-импульсных возмущений и аккумуляции упругой энергии для эволюции геологической структуры.

Выполнение перечисленных условий создает тепловой синергетический эффект, который запускает процесс самогазификации газогидратов, разложения их на газ и воду.

Для достижения этой цели применяется «скважинный источник плазменно-импульсного воздействия», дополненный модемом управления процессом и программным обеспечением [фиг. 2].

Перед применением источника «плазменно-импульсного воздействия» на определенной геофизическими исследованиями газогидратной залежи бурится типовая скважина для добычи природного газа, которая оборудуется греющим кабелем и заполняется незамерзающей жидкостью (тип тосол/антифриз), которая при плазменно-импульсном воздействии заполняет пустоты и появившиеся трещины, что способствует разогреву среды [фиг. 3]. До начала воздействия скважины оборудуются противовыбросовыми устройствами (лубрикатор) [фиг. 3].

Для увеличения площади разогрева и поддержания процесса разложения газогидратов на газ и воду, бурятся несколько вертикальных или наклонно-направленных, горизонтальных скважин по пятиточечной схеме на расстоянии 50-100 метров друг от друга, расчетные эффективные радиусы которых соответствуют интерференции, в которых последовательно проводится периодическое широкополосное плазменно-импульсное воздействие [фиг. 1].

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг.1 - пятиточечная схема расположения скважин;

Фиг. 2 - блок-схема управления модемом и программным обеспечением «скважинного источника плазменно-импульсного воздействия»;

Фиг. 3 - принципиальная схема конструкции скважины со «скважинным источником плазменно-импульсного воздействия»;

1 - перфорация;

2 - лубрикатор

3 - каротажная машина с подъемником

4 - незамерзающая жидкость

5 - греющий кабель

6 - скважинный источник плазменно-импульсного воздействия, дополненный модемом и программным обеспечением

7 - геофизический кабель

8 - манометр.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С дневной поверхности в газогидратную залежь, определенную с помощью геофизических исследований, бурят скважины по пятиточечной схеме в соответствие с конструкцией для добычи природного газа, на расстоянии 50-100 метров от центральной скважины, что определяется опытным путем [фиг. 1].

Эксплуатационные колонны предварительно перфорируют 1, согласно проведенного геофизического каротажа в открытом стволе и оборудуют греющими кабелями 5 для предотвращения выпадения гидратов при эксплуатации. Скважины до устья заполняют незамерзающей жидкостью 4 – тосол или антифриз, которая в процессе воздействия проникает в вакансии кристаллической решетки, созданные трещины призабойной зоны скважин, способствуя разогреву среды и выходу пузырей газа. Для предотвращения неожиданных выбросов, эксплуатационные колонны оборудуются противовыбросовым устройствами - лубрикатор высокого давления 2 с манометром 8 и клапаном [фиг. 3].

Через лубрикатор 2 в нижнюю точку рабочего интервала, отнесенную к единице массы пласта (фракталу), на геофизическом кабеле спускается «скважинный источник плазменно-импульсного воздействия» с программным обеспечением 6 (фиг. 3), который по команде оператора по заданной программе инициирует расчетное количество периодических широкополосных импульсов одинаковой силы, разнесенных по времени на 30 секунд для поглощения продуктивным пластом незамерзающей жидкости 4 (типа тосол/антифриз), создания эффекта растяжения-сжатия, восстанавливающей нелинейной силы, отнесенной к единице массы, накопления малых возмущений и эффекта аккумуляции упругой энергии, которые приведут к созданию искусственных трещин, генерации механической, электрической энергии, нагрева среды, тепломассообмену по всей мощности пласта в заданном режиме.

С учетом высокой акустической проводимости газогидратов, начальный акустический периодический сигнал частотой более 400 герц усиливает механические колебания в каждой обрабатываемой точке, отнесенной к единице массы (фракталу) пласта, и вызывает усиление наиболее вероятных частот собственных колебаний пласта, вплоть до резонансных возмущений, которые в конечном итоге перейдут в тепло.

Незамерзающая жидкость 4 при воздействии заполняет вакансии в кристаллической решетке газогидратов и вытесняет молекулу газа, что ведет к разогреву среды, созданию искусственных трещин, появлению реликтовой жидкости и пузырей газа, значительному увеличению нелинейности среды, а также вызовет гидродинамическую и гидроакустическую кавитацию, которая сама будет инициировать ударные волны за счет взрыва пузырьков газа, что приведет к тепломассообмену, появлению эффекта аккумуляции упругой энергии.

Созданный тепловой синергетический эффект вызовет разложение газогидратов на газ и воду и будет сопровождать ростом пластового давления за счет энергии газовой фазы и энергии упругого деформирования.

Возрастание пластового давления, вызванное разложением газогидратов на газ и воду, отразится на показаниях манометра 8 на лубрикаторе 2 [фиг. 3]. По мере перемещения источника колебаний по вертикали по точкам, отнесенным к единице массы, давление будет возрастать до максимальных значений.

Количество точек по вертикали и количество периодических импульсов подбирается эмпирическим путем в зависимости от роста давления на манометре 8 [фиг. 3].

При достижении максимального давления источник колебаний извлекается через лубрикатор 2, а скважина запускается в эксплуатацию.

Для сохранения эффекта аккумуляции упругой энергии пласта и поддержания плюсовой температуры в пласте на большой площади, операция по воздействию повторяются в каждой из 5-ти вертикальных или наклонно-направленных/горизонтальных скважинах, расчетные эффективные радиусы которых соответствуют интерференции. При снижении объемов добычи в каждой скважине вновь производится плазменно-импульсное воздействие по новым точкам, отнесенным к единице массы пласта [фиг. 1].

Широкополосные импульсы создают давлением 200 атм./см², что способствуют растрескиванию среды, возникновению повышенной проницаемости за счет механической энергии, генерации электрической энергии и нагрева среды.

Список литературы:

1. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., «Синергетика теория самоорганизации. Идеи, методы, перспективы». м.: 3нанние, 1983,с. 64).

2. Макаров П.В., «Структура резонансов и локализация неупругих деформаций и повреждений в нагружаемых твердых телах и средах» [Физическая мезомеханика 14 3(2011) III 12З.Удк‚ 531.1, 539.3, 539.215, 531.01.

3. Справочник в 6 томах «Вибрация в технике», M 6 Машиностроение, 1979. Т.2 «Колебания нелинейных механических систем» (под редакцией И.И. Блехмана).

4. Б.С. Светов, В.В. Агеев, О.А. Агеева, «О связи феноменологического описания вызванной поляризации среды с происходящими в ней физическими процессами. Постановка вопроса», журнал «Геофизика», №4, 2011 г.

5. А.Х. Мирзаджанзаде, М.М. Хасанов, Р.Н. Бахтизин, «Моделирование процессов нефтегазодобычи», нелинейность, неравновесность, неопределённость, Москва-Ижевск 2004, «Институт комплексных исследований».

6. С.Г. Псахье, А.Ю. Смолин, Е.М. Татаринцев, Е.А. Шваб‚ «Эффект аккумуляции упругих энергий и возможности управления процессом в сложных структурах», «Институт физики прочности и материаловедения " СО РАН, Томск «Письма ЖТФ, 2000‚ том 26, вып.2.