Способ разработки морских газогидратных залежей

Способ разработки морских газогидратных залежей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение позволяет повысить эффективность способа, снизить энергозатраты и обеспечить возможность бескомпрессорного запуска газлифтной системы за счет того, что на забой подают подогретую воду для создания условий самодвижения пульпы во вспомогательном канале и последующего ее ввода в поток основного канала на уровне с равновесным условием гидратообразооания для данной температуры пульпы давлением. 1 ил. fe

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ni)s Е 21 В 43/00

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4859394/03 (22) 14.08.90 (46) 15.11.92. Бюл. М 42 (72) В.Д.Карминский, В.В. Логушков и

К, Б. Комиссаров (76) В.Д.Карминский, В,В,Логушков и

К.Б. Комиссаров (56) Ненахов В.А., Аметова З.А., Царев В.П, Методы разработки газогидратных залежей

/Обз.информ. Сер. Информационное обеспечение общесоюзных научно-технических программ, вып.3, M.: ВНИИЭгазпром, 1986.

Макагон Ю,Ф, Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. M.: Недра, 1985.

Рамм В.М, Абсорбция газов, M.: Химия, 1976.

Гройсман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. Н о восиби рск: Наука, 1985.

Намиот А.tO. Бандарева M.M, Растворимость газов под давлением. M.: Гостоптехиздат, 1963.

Изобретение относится к способам разработки морских газогидрэтных залежей и может быть использовано для извлечения на поверхность насыщенных газовыми гидратами морских осадков, залегающих в различных структурных зонах Мирового океана — на шельфе, материковом склоне, в пределах океанической впадины или котловины.

Известны способы добычи со днэ моря твердых полезных ископаемых с трубопроводным вертикальным гидротранспортом добываемого сырья.

Однако эти способы отличаются повышенной энергоемкостью, низким КПД и or„, Ы„„1776298 АЗ (54) СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МОРСКИХ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛ ЕЖЕЙ (57) Изобретение позволяет повысить эффективность способа, снизить энергозатраты и обеспечить возможность бескомпрессорного запуска газлифтной системы за счет того, что на забой подают подогретую воду для создания условий самодвижения пульпь1 во вспомогательном канале и последующего ее ввода в поток основного канала на уровне с равновесным условием гидратообразования для данной температуры пульпы давлением. 1 ил. раниченной, в частности по этим причинам, производительностью.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ разработки морских газогидратных залежей, заключающийся в разрушении осадков и транспорте пульпы с газом или гидратами на поверхность (платформу или судно, ведущую добычу), причем пульпа может быть использована в качестве источника энергии (теплоносителя) для разложения газогидратов. С этой целью для образования пульпы в призабойную зону подается вода, температура которой на 1-2 С превышает равновесную для соответствующего условиям

1776298

Таким образом, для подогрева всей пульпы на забое до температуры, превышающей равновесну о на 2 — 3 С,.при температуре воды у поверхности дна Мирового океана (на различных широтах она составляет 0-4 С, требуется огромное количество тепла или значительные затраты энергии на подачу подогретой воды из соответствующих горизонтов.

Велики затраты энергии и на подъем пульпы на поверхность гидравлической драгой с системой эрлифта. Для условий, описанных они оцениваются величиной

86,4 10 кДж на 1 м осадка.

Цель изобретения заключается в снижении энергозатрат на транспортировку гидратосодержащей пульпы и обеспечении бескомпрессорного запуска газлифтной системы.

Поставленная цель достигается тем, что транспортировка пульпы, содержащей предварительно разрушенные и измельченные гидратосодержащие морские осадки, осуществляется за счет выделяющегося в результате разложения газогидратов свободного газа. При запуске газлифта разложение газогидратов осуществляется путем подвода тепла от внешнего источника энергии на забое во вспомогательном канале (каналах) газлифта, например, от подогретой морской воды. После запуска газлифта источником энергии для разложения газогидратов в основном канале газлифта служит вся пульпа. Разложение происходит, в области потока, расположенной выше горизонта с равновесный по условиям гидратообразования для данной температуры пульпы давлением.

Признак — транспортировка пульпы осуществляется за счет газа, выделяющегося в Результате разложения добываемых га20

50 призабойной зоны парциального давления природного газа.

При этом отпадает сложная операция разделения гидратов и осадков. Отбор газа из пульпы осуществляется благодаря ее де- 5 газации на поверхности.

Недостатком способа является повышенная энергоемкость. Затраты энергии, необходимы как на подогрев пульпы до температуры разложения газогидратов, так и 10 на ее транспортировку. Чем больше будет производительность системы, тем большими будут энергетические затраты при прочих равных условиях, Действительно, для проведенных в 15 исходных условиях теплоемкость веществ 1 м пульпы составляет примерно

49 10 кДж/ С. зогидратов является новым по отношению к прототипу и неизвестным из других технических решений.

Признак 11 — разложение добываемых газогидратов в пульпе при запуске газлифта осуществляется путем подвода тепла от внешнего источника, на забое во вспомогательном канале газлифта, например, от подогретой морской воды, а после запуска газлифта за счет отвода тепла от всей пульпы в области потока, расположенной выше горизонта с равновесным для данной температуры гидратосодержащей пульпы давлением, является новым по отношению к прототипу и неизвестным из других подобных технических решений.

Признак 1 в предлагаемом техническом решении реализует, известную функцию, заключающуюся в использовании газа для получения в вертикальном или наклонном трубопроводе движущейся газожидкостной смеси с целью подьема из глубин моря (недр

Земли) жидкостей или пульпы. Совместно с признаком II, позволяющим получить при запуске газлифта на забое во вспомогательном канале газлифта. а после запуска в основной трубе газлифта в области потока с давлением Р<Ррдвн., достаточное для устойчивого вертикального движения среды ко- личество нерастворенного природного газа, создает условия для осуществления газлифтного транспортирования (самодвижения) пульпы, содержащей предварительно разрушенные и измельченные гидратосодержащие морские осадки, и совокупностью заявляемых признаков дает возможность получить положительные аффекты, указанные в цели изобретения — снижение энергозатрат на транспортирование пульпы, обеспечение бескомпрессорного запуска газлифтной системы, а также повышение по этим причинам производительности газлифтной системы.

Очевидно, что для начала устойчивого вертикального движения среды, в трубопроводе необходимо, чтобы количества свободного газа превышало количество газа. способного раствориться в воде на заданной глубине, забоя. В рассматриваемом решении эти условия реализуются на забое не во всем объеме трубы газлифта, а во вспомогательном канале (каналах). В этом обьеме при запуске системы обеспечивается соответствующее обьемнре соотношение газ-вода.

Для количественной оценки условий транспортирования и энергетических затрат примем глубину добычи и содержание, газогидратов в осадочных породах соответствующими условиями источника: глубина

1776298 моря 1,5 км; 1 м осадка содержит 90 кг гидратов метана; массовое соотношение вода — твердые осадки в основном канале газлифта 10: 1, что обеспечивает объемное соотношение гаэ — вода в пульпе 1,20: 1.

Н а фиг.1 приведен ы кривые растворимости метана в воде в зависимости от давления и температуры.

Примем температуру подогретой воды на забое равной 20 С. Воду такой температуры можно получить и путем смешивания морской воды на забое с гораздо меньшим количеством воды, подогретой до более высокой температуры, например, до температуры 50 — 100 С или путем непосредственно подогрева so вспомогательном канале гаэлифта.

Для рассматриваемых условий добычи .на забое во вспомогательном канале газлифта необходимо обеспечить за счет регулирования соотношения подогретая вода — осадки местное соотношение газ-вода несколько более 3,2:1. Это в 2,5 раза больше, чем в основной трубе газлифта. Таким образом, соотношение подогретая вода — осадки во вспомогательном канале газлифта должно быть порядка 4: 1.

Для разложения содержащихся в 1 м осадков гаэогидратов подогретой до 20 С водой согласно зависимости, приведенной на фиг.2, требуется около 600 — 700 кг воды, то есть примерно в G раз меньше, чем требуется для обеспечения соотношения газвода во вспомогательном канале газлифта.

Это значит, что процесс разложения газогидратов будет интенсифицирован. При этом температура пульпы во.вспомогательном канале газлифта понизится всего на

1,8 — 2,0 С, так как для раэло>кения 90 кг газогидратов требуется примерно 38 тыс. кДж энергии.

Теплоемкость веществ, образующих 1 м пульпы во вспомогательном канале газлифта, составляет; воды из осадка

1256 кДж/ С, гидратов 209 кДж/ С, остальных твердых веществ 1675 кДж/ С, воды, добавляемой для приготовления пульпы, примерно 18,8 тыс. кДж/ С, то есть в сумме примерно 22 тыс. кДж/ С по сравнению с

52 тыс. кДж/ С для системы, описанной в (1), Таким образом, для разложения газогидратов и побуждения вертикального движения пульпы во вспомогательном канале газлифта необходимо затратить примерно столько же энергии, сколько необходимо затратить только на подогрев пульпы до 7 — 9 С в канале гаэлифта прототипа.

При подъеме газожидкостной смеси во вспомогательном канале газлифта вследствие снижения давления будет происходить

55 десорбция растворенного в воде гэээ. и подъемная сила газожидкостной смеси будет увеличиваться. Если ввести поток газожидкостной смеси из вспомогательного в основной канал газлифта, то за счет эжекционного действия он будет побуждать вертикальное движение среды в основном канале, Приемлемое из условий нерастворимости газа соотношение газ — вода в пульпе равное 1,25: 1, будет на глубине порядка

500-400 м. Это соответствует соотношению вода — твердые гидратосодержащие осадки

10: 1 в основном канале газлифта и создает в нем условия для самодвижения пульпы.

Для гидратов метана равновесное давление в пресной воде при температуре t= 9 С равно 6,5 МПа. С учетом солености воды зто давление повышается до 7 МПа.

Нахождение гидрэтов в пористой осадочной структуре создает депрессию давления порядка 2 МПа и повышает, таким образом, давление разложения до 9,0

МПа. Если принять с определенным запасом величину равновесного давления для разложения газогидратов в основном канале газлифта равной 8 МПа, то зто будет соответствовать глубине 800 м. Вынесенные через вспомогательный. канал на этот уровень нераэложившиеся газогидраты будут разлагаться в термобарических условиях, характерных для пульпы в основном канале газлифта.

Таким образом, для побуждения устойчивого вертикального движения среды в основном канале гаэлифта за счет эжекционного действия целесообразно поток из вспомогательного канала ввести в основной канал на уровне с равновесным для разложения гаэогидратов при данной температуре пульпы давлением.

С началом устойчивого вертикального движения пульпы в основном канале гаэлифта частицы твердого осадка, содержащего гидраты, будут подниматься выше уровня равновесного для данной температуры пульпы давления и разлагаться с выделением свободного газа. Таким образом, s дальнейшем транспортировка пульпы будет осуществляться за счет газа, выделяющегося при разложении гидратов в основном по-токе, Оценим воэможность транспортировки (самодвижения) пульпы после запуска газлифта за счет разложения газогидратов в основном потоке.

При растворении газа (метана) в пульпе при соотношении газ-вода 1,25: 1 его парциальноедавление при температуре пульйы

t = 0 — 4 С составит

1776298

Рс!!,! = !пр„хсн! =

= 2,63 10 1,008 10

=(2,29 — 2,65) МПа, где содер>кание метана в морской воде в мольных долях

Мн о С хСН4 =

РН2 О МСН4

„008 „о-з.

10з ° 16 15

mpx= (2,27 — 2,63) 10 — константа Генри ((3), с.24), Согласно зависимости

Inp = 50,635 — (10024,4/Т), равновесное давление (2,29 — 2,65) МПа мета!!а над гидратами соответствует температуре пульпы около (5.5 — 6.5)ОС.

Таким образом, при температуре пульпы t = 8-9 С после запуска газлифт будет работать за счет разложения добываемых газогидратов в основном потоке.

Способ может быть реализован на уста- 30 новке, приведенной на чертеже.

Установка, включает грунтозаборное устройство 1, осНоВНоА 4 и вспомогательный 2 КВ! !алы газлифта, устройство 3 ввода подогретой воды во вспомогательный ка- 35 пал, теплообменник 5 и насос подачи подогретой морской воды G, сепаратор-десорбер

7, компрессор 8 для компримирования добываемого из газогидратов природного газа, трубу 9 возврата отработанной в 40 газлифте воды.

Установка может включать как известные устройства для разработки подводных месторождений твердых полезных ископаемых горнорудными способами (грунтоза- 45 борное устройство 1 с механическими, гидравлическими или иными механизмами рыхления и подачи породы в каналы газлифта, основной 4 и вспомогательный 2, изолированный на определенной длине от 50 основ !ого, каналы газлифта, устройства 3 ввода гюдогретой води, теплообменник 5, насос 6 и другие общеизвестные устройства, укаэанные в описании), так и аналогичные по назначению на общеизвестные 55 устройства, ка>кдое из которых может быть предметом изобретения.

Установка работает следующим образом.

Исходное положение установки: газлифт с грунтозаборным устройством позиционированы относительно добычной платформы и забоя; основной и вспомогательный каналы газлифта заполнены морской водой.

При запуске газлифта грунтозаборное устройство 1 рыхлит, измельчает гидратосодержащие морские осадки и подает их вначале только во вспомогательный канал 2 газлифта на уровень устройств 3 подачи насосом 6 подогретой в теплообменнике 5 морской воды. Подогрев морской воды может осуществляться и непосредственно во нспомагательном канале газлифта. В качестве внешнего источника энергии можно использовать энергоисточник добычной платформы, подводного аппарата, термальные воды, воды из горизонтов с более высокой, чем на забое, температурой и др.

Регулированием подачи осадков и подогретой морской воды во вспомогательном канале 2 поддерживается требуемое их соотношение. При этом в результате разложения газогидратов во вспомогательном канале обеспечивается, необходимое для образования газожидкостной смеси соотношение газ-вода. Газожидкостная смесь по мере образования начинает вертикальное движение, которое постепенно распространяется на всю длину вспомогательного канала.

На выходе из вспомогательного канала газожидкостная смесь с включениями частиц твердых осадков (пульпы) истекает в основной канал 4 газлифта, перемешивается со всей массой жидкости, находящейся в нем, побуждая за счет эжекционного действия вертикальное движение последней.

По мере распространения вертикального движения на всю глубину основного канала увеличивают производительность грунтозаборного устройства 1 с целью обеспечения требуемого в основном канале газлифта соотношения твердые осадкивода 1: i0. Расход пульпы через основную трубу газлифта достигает заданного значения в зависимости от производительности установки по извлекаемым морским осадкам, Частицы твердого гидратосодержащего осадка, достигнув зоны равновесного для данной температуры пульпы давления. начинают разлагаться с выделением свободного газа, что по мере развития этого процесса обеспечивает непрерывное восходящее самодвижение пульпы в основном канале газлифтной системы.

В случае необходимости регулирование работы газлифта может осуществляться, как

1776298

Формула изобретения

Составитель В.Карминский

Техред М.Моргентал Корректор M.Øàðoøè

Редактор

Заказ 4048 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 и при его запуске, путем подачи во вспомогательный канал подогретой от внешнего источника морской воды. В условиях полярных морей может потребоваться непрерывная работа вспомогательного канала с подогревом воды от внешнего источника (например, за счет использования энергии части добываемого из гидратов газа). Так как транспортировка гидратосодержащей пульпы осуществляется за счет газа, выделяющегося при разложении гаэогидратов, то производительность такой газлифтной системы (всей добычной установки) может быть весьма значительной. Регулирование ее работы подчиняется тому, чтобы на выходе из газлифта отобрать из пульпы выделившийся при разложении гидратов газ.

Отбор газа из пульпы осуществляется в сепараторе-десорбере 7 компрессором 8.

Отработанная вода из сепаратора-десорбера по трубе 9 возвращается на заданную глубину, твердые осадки, содержащие ценные компоненты, направляются, например, на дальнейшую переработку.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет существенно снизить энергетические затраты на транспортировку гидратосодержащей пульпы, обеспечить бескомпрессорный запуск и работу, гибкое регулирование режимов работы, повыше5 ние производительности газлифтной системы.

10 Способ разработки морских гаэогидратных залежей, включающий раэрыхление насыщенных газовыми гидратами донных осадков, подъем пульпы на поверхность по основному каналу и подвод рабочего агента

15 по вспомогательному каналу, о т л и ч а ющ и, и с я тем, что, с целью повышения эффективности способа, снижения энергозатрат и обеспечения возможности бескомпрессорного запуска гаэлифтной системы, 20 на забой подают подогретую воду для создания условий самодвижения пульпы во вспомогательном канале и последующего ее ввода в поток основного канала на уровне с равновесным условием гидратообразова25 ния для данной температуры пульпы давлением.