Способ и система добычи углеводородов из пласта гидрата с использованием продувочного газа

Способ и система добычи углеводородов из пласта гидрата с использованием продувочного газа

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к добыче углеводородов из подземных пластов гидратов, содержащих углеводороды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Гидраты природного газа (ГПГ или клатратные гидраты природных газов) образуются при соединении вместе молекул воды и определенного природного газа при надлежащих условиях относительно высокого давления и низкой температуры. При указанных условиях молекулы воды, являющиеся «хозяином», образуют структуру клетки или кристаллической решетки, содержащей внутри «гостевые» молекулы газа. С помощью такого механизма плотно упаковываются большие количества природного газа. Например, один кубический метр гидрата метана содержит 0,8 кубического метра воды и обычно 164, но иногда до 172 кубических метров газа метана. Хотя из клатратов в природе чаще всего встречается гидрат метана, но другие газы также образуют гидраты, включая углеводородные газы, такие как этан и пропан, и неуглеводородные газы, такие как диоксид углерода (CO₂) и сероводород (H₂S).

ГПГ широко распространены в природе, и их часто находят в осадочных донных отложениях, связанных с глубокозалегающей вечной мерзлотой в арктической среде, и на подводной окраине материка, обычно на глубинах больше 500 метров (1600 футов) в средних и низких широтах и больше 150-200 метров (500-650 футов) в высоких широтах. Толщина зоны стабильности гидрата зависит от температуры, давления, состава гидратообразующего газа, исходных геологических условий, глубины дна и других факторов.

Мировые запасы гидрата метана оцениваются приблизительно в 700000 триллионов кубических футов. Это невероятно большое число, сравнимое с подтвержденными на данный момент мировыми запасами природного газа, которые составляют 5500 триллионов кубических футов.

До сих пор большая часть поисков гидрата метана была сосредоточена на теоретических исследованиях, а также на обнаружении и определении параметров пластов гидратов. Рентабельные и экологически приемлемые способы извлечения все еще находятся на начальной стадии разработки. Создание безопасного и затратоэффективного способа добычи гидратов метана остается серьезной технической и экономической задачей для разработки пластов гидратов.

Увеличивающийся объем работ показывает, что при разработке пласта гидрата в верхней и нижней части пласта гидрата образуются фронты диссоциации. Появление фронта диссоциации в нижней части пласта гидрата связано с тем, что более глубоко залегающие слои земли обычно имеют более высокую температуру, чем приповерхностные слои. Диссоциация гидрата является строго эндотермическим процессом, то есть гидрат должен отбирать тепло из окружающей среды. Далее, к земле под пластом гидрата непрерывно поступает тепло от более горячих нижних слоев, и, таким образом, обеспечивается по существу бесконечный подвод нового тепла к этому пласту.

Появление фронта диссоциации в верхней части пласта гидрата является не таким простым процессом, но, учитывая строго эндотермическую природу диссоциации гидратов, становится очевидным, что в пласт гидрата будет поступать тепло даже из земли над пластом. Ключевая особенность состоит в том, что неглубокие слои земли над пластом гидрата имеют значительно более низкую температуру, чем более глубокие слои земли под пластом гидрата. Кроме того, неглубокий слой земли над пластом гидрата (будь то отложения в дне глубоководной части океана или арктическая вечная мерзлота) непрерывно охлаждается сверху. Тепло, поступающее в пласт гидрата снизу, отвести очень непросто.

Следует отметить, что фронты диссоциации в верхней и нижней части пласта являются почти горизонтальными и быстро перемещаются на большие расстояния по радиусу от ствола скважины. После фазы первоначальной диссоциации, когда образуются фронты диссоциации, указанные фронты начинают медленно перемещаться навстречу друг другу и, в конце концов, встречаются где-то посередине пласта гидрата. В этой точке пласт становится полностью диссоциировавшим.

Образовавшийся в каком-либо пласте газ благодаря природной выталкивающей силе будет подниматься вверх. Образовавшийся в результате диссоциации гидрата газ стремится вверх и собирается вместе в верхней части пласта гидрата. Относительно низкая начальная температура и недостаточный подвод тепла от неглубоких слоев земли над пластом гидрата приводят к тому, что «свободное пространство» газа становится очень холодным и при малейшем снижении давления легко повторно образует гидрат.

Следовательно, даже небольшое падение давления (например, снижение давления, связанное с требуемым относительно более низким давлением на добывающей скважине, которое обеспечивает протекание газа к стволу скважины) может благодаря эффекту Джоуля-Томпсона привести к понижению температуры, достаточному для образования гидратов в верхней части «свободного пространства» газа. Такое образование гидратов может существенным образом блокировать или ограничивать дальнейшую добычу газа.

Если эту проблему не решить, то единственный выход будет состоять в уменьшении падения давления, то есть снижении объема добычи до уровня, при котором повторное образование гидрата не происходит. Отрицательные экономические последствия такого снижения производительности скважины не требуют доказательств.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению создан способ добычи углеводородов из пласта гидрата, содержащего углеводороды. Данный способ содержит обеспечение, по меньшей мере, одной добывающей скважины, сообщенной с добывающим оборудованием и пластом гидрата, содержащим углеводороды. Пласт гидрата сообщен со свободным пространством над пластом гидрата. Указанное свободное пространство содержит углеводороды и воду, диссоциировавшие из гидрата. Данный способ далее содержит пропускание продувочного газа через свободное пространство для удаления диссоциировавших газа и воды из пласта гидрата и перемещения их к, по меньшей мере, одной добывающей скважине. Добывающая скважина идеально транспортирует диссоциированные углеводороды и воду к добывающему оборудованию.

Предпочтительно введение продувочного газа в свободное пространство с помощью одной или нескольких нагнетательных скважин. Введение продувочного газа образует градиент давления для перемещения диссоциировавшего газа к добывающей скважине. Для предотвращения образования новых гидратов необходимо быть внимательным и не допускать слишком высокого давления нагнетания продувочного газа относительно температурного режима свободного пространства пласта.

Перед введением в свободное пространство продувочный газ может быть естественно горячим, искусственно нагретым или не нагретым. Дополнительное тепло, подводимое продувочным газом, препятствует повторному образованию гидратов в свободном пространстве диссоциировавшего газа. В противном случае такое повторное образование гидратов могло бы создать закупорки в пласте, что ограничивает объем добычи добывающей скважины. Нагретый продувочный газ увеличивает также скорость диссоциации в пласте гидрата. Неограничивающие примеры продувочного газа могут включать природный газ, метан, азот или смесь указанных газов.

Согласно изобретению создана также система добычи углеводородов из пласта гидрата, содержащего углеводороды, содержащая подземный пласт гидрата, содержащий углеводороды, свободное пространство, добывающую скважину и трубопровод, для введения продувочного газа в свободное пространство. В идеальном случае пласт гидрата, содержащий углеводороды, содержит такие углеводороды, как метан, этан и пропан. Свободное пространство расположено сверху пласта и сообщено с пластом гидрата. Указанное свободное пространство содержит диссоциировавшие газ и воду из пласта гидрата. Добывающая скважина сообщена с добывающим оборудованием и перемещает диссоциировавшие газ и воду из пласта гидрата и свободного пространства для производственной мощности в добывающее оборудование. По указанному трубопроводу подается продувочный газ в свободное пространство для содействия транспортировке диссоциировавших газа и воды к добывающей скважине. Кроме того, продувочный газ может также содействовать нагреванию диссоциировавших газа и воды. Трубопровод может содержать, по меньшей мере, одну нагнетательную скважину. Эта нагнетательная скважина может содержать изолированную колонну обсадных труб для предотвращения рассеивания тепла из продувочного газа в окружающий подземный пласт или море.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные и другие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после рассмотрения следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и прилагаемого чертежа, на которых:

изображен схематический разрез пары нагнетательных скважин, подающих «продувочный газ» в свободное пространство пласта гидрата для добавления тепла и/или образования градиента давления в диссоциировавшем газе в свободном пространстве для перемещения диссоциировавшего газа к добывающей скважине. Продувочный газ содействует увеличению скорости диссоциации гидрата и предотвращает повторное образование гидратов, которое замедляет скорость добычи диссоциировавшего газа в добывающей скважине.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится главным образом к способу и системе, в соответствии с которыми одна или несколько нагнетательных скважин используются для введения продувочного газа в свободное пространство пласта гидрата и перемещения вновь образованного в результате диссоциации газа к добывающей скважине. Продувочный газ может использоваться для образования градиента давления для физического выталкивания диссоциировавшего газа для подвода тепла к указанному свободному пространству или в обеих целях. Это приводит к существенному увеличению объема добычи для пласта гидрата в целом. Продувочный газ может быть любым из множества газов или быть комбинацией газов, включая, но не ограничиваясь, горячий природный газ, метан и азот. Горячий природный газ (например, от осуществляемой поблизости обычной добычи природного газа) является особенно подходящим продувочным газом, поскольку его использование не приводит к уменьшению концентрации газа гидрата, и не требуется большое количество дополнительного тепла или оно не требуется вообще. Относительно малое количество такого продувочного газа даст выигрыш в виде значительного увеличения объема добычи в пластах гидратов.

На чертеже в качестве неограничивающего примера показан один из вариантов осуществления данного изобретения. Альтернативные конфигурации могут включать использование одной или нескольких нагнетательных скважин и одной или нескольких добывающих скважин в одной из множества схем расположения, включая чередование и совмещенную сетку.

На чертеже изображена система 20 добычи углеводородов из подповерхностных продуктивных пластов. Система 20 содержит пласт 22 гидрата, который содержит углеводороды, внутри гидратов. В идеальном случае углеводороды включают метан, этан и пропан, которые высвобождаются или диссоциируются из гидратов при создании в пласте гидрата определенных температур и давлений. Над пластом 22 гидрата расположен пласт 24, например, скальная порода или вечная мерзлота, который обеспечивает верхнее уплотнение и который из-за геотермических градиентов обычно имеет более низкую температуру, чем пласт 22 гидрата на месте залегания, но который обеспечивает ограниченный подвод тепла к верхней части пласта 22 гидрата для поддержания эндотермической диссоциации после начала образования газа. Обычно зона 26 разделения в форме песочных часов, в которой гидраты диссоциируют на воду и газ, расположена радиально снаружи по отношению к добывающей скважине 36 и радиально внутренне по отношению к пласту 22 гидрата. Между пластом 22 гидрата и зоной 26 разделения расположен фронт диссоциации 28, в котором гидраты диссоциируют на компоненты, включая в числе прочих воду и природный газ. Под пластом 22 гидрата и зоной 26 разделения расположен опорный стратиграфический пласт 30. Обычно из-за геотермических градиентов стратиграфический пласт 30 имеет более высокую температуру, чем пласт 22 гидрата, поскольку пласт 30 находится ближе к ядру Земли. Опорный стратиграфический пласт 30 обеспечивает подвод относительно большого количества тепла к нижней части пласта 22 гидрата после начала образования газа. Опорный стратиграфический пласт 30 может содержать свободный газ (то есть включает систему пласта гидрата Класса 1), подвижный водоносный горизонт (то есть включает систему пласта гидрата Класса 2) или может быть уплотнительным элементом (то есть включает систему пласта гидрата Класса 3).

В этом примере через пару нагнетательных скважин 34 закачивается продувочный газ, нагретый или не нагретый, в свободное пространство, расположенное над пластом 22 гидрата. Конфигурации добывающих и/или нагнетательных скважин могут включать одну или несколько нагнетательных скважин и одну или несколько добывающих скважин в одной из множества схем расположения, включая чередование и совмещенную сетку. Газ и вода, диссоциировавшие из пласта 22 гидрата, собираются и добываются через добывающую скважину 36. Добывающая скважина 36 имеет перфорации 38 в насосно-компрессорной колонне, благодаря чему обеспечивается канал для движения текучих сред между пластом 22 гидрата и поверхностью, где добывающее оборудование (не показано) перерабатывают добытые текучие среды. Дополнительное тепло, переданное нагретым продувочным газом, способствует предотвращению повторного соединения диссоциировавшего газа в гидрат, содержащий углеводороды, и увеличивает скорость диссоциации в верхней части пласта 22 гидрата. Закачка продувочного газа через нагнетательные скважины 34 создает градиент давления, который помогает перемещать диссоцировавший газ к добывающей скважине 36. Необходимо внимательно контролировать давление нагнетания, поскольку слишком высокое давление является причиной образования гидратов в свободном пространстве.

Настоящим изобретением создан способ, согласно которому для введения «продувочного газа» в свободное пространство 32 используют одну или несколько нагнетательных скважин. Продувочный газ перемещает вновь диссоциировавший газ к добывающей скважине. Продувочный газ может использоваться для физического выталкивания диссоциировавшего газа, для подвода тепла или в обеих целях. Такое воздействие продувочного газа приводит к значительному повышению нормы отбора для пласта гидрата в целом. Продувочный газ может быть любым из множества газов или может быть комбинацией газов, включая, но не ограничиваясь, горячий природный газ, метан или азот. Горячий природный газ (например, от осуществляемой поблизости обычной добычи природного газа) является особенно подходящим продувочным газом, поскольку его использование не приводит к уменьшению концентрации газа гидрата, и не требуется большое количество дополнительного тепла или оно не требуется вообще. В зависимости от геологических и других особенностей относительно малое количество такого продувочного газа даст выигрыш в виде значительного увеличения объема добычи из пластов гидратов.

Хотя в вышеприведенном техническом описании данное изобретение было описано для определенного предпочтительного варианта его осуществления, и многие детали были изложены с целью иллюстрации, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что данное изобретение допускает модификацию, и описанные здесь определенные другие детали могут быть значительно изменены, не выходя за пределы заявленного изобретения.

1. Способ добычи углеводородов из пласта гидрата, содержащего углеводороды, содержащий следующие стадии:а) обеспечение добывающей скважины, сообщенной с добывающим оборудованием и пластом гидрата, содержащим углеводороды, и сообщенным со свободным пространством над пластом гидрата, и содержащим диссоциированные углеводороды и воду; иб) пропускание продувочного газа через свободное пространство для удаления диссоциировавших углеводородов и воды из пласта гидрата и транспортировки диссоциировавших углеводородов и воды к добывающей скважине.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий:введение продувочного газа в свободное пространство с использованием нагнетательной скважины.

3. Способ по п.2, дополнительно содержащий:введение продувочного газа в свободное пространство с использованием нескольких нагнетательных скважин, расположенных вокруг добывающей скважины.

4. Способ по п.1, в котором продувочный газ выбирают из группы, состоящей из одного или нескольких природных газов, метана и азота.

5. Способ по п.1, в котором продувочный газ является природным газом.

6. Способ по п.1, в котором продувочный газ является метаном.

7. Способ по п.1, в котором продувочный газ является азотом.

8. Способ по п.1, в котором продувочным газом добавляют тепло в свободное пространство и посредством введения тепла в свободное пространство обеспечивают более высокий объем добычи, чем при отсутствии нагретого продувочного газа.

9. Способ по п.1, в котором продувочный газ нагревают перед входом в, по меньшей мере, одну нагнетательную скважину.

10. Система добычи углеводородов из пласта гидрата, содержащего углеводороды, содержащая подземный пласт гидрата, содержащий углеводороды, свободное пространство, расположенное над пластом гидрата, сообщенное с ним и содержащее диссоциированные газ и воду из пласта гидрата, добывающую скважину, сообщенную с добывающим оборудованием и обеспечивающую возможность подачи диссоциировавших газа и воды из пласта гидрата и свободного пространства в добывающее оборудование, трубопровод, обеспечивающий возможность подачи продувочного газа к свободному пространству для содействия транспортировке диссоциировавших газа и воды к добывающей скважине.

11. Система по п.10, в которой трубопровод, подающий продувочный газ, содержит, по меньшей мере, одну нагнетательную скважину.

12. Система по п.11, в которой трубопровод для подачи продувочного газа содержит несколько нагнетательных скважин.

13. Система по п.11, в которой, по меньшей мере, одна нагнетательная скважина содержит изолированную колонну обсадных труб для предотвращения рассеивания тепла от продувочного газа в окружающий подземный пласт или море.

14. Система по п.11, в которой продувочный газ выбран из, по меньшей мере, одного из природного газа, метана и азота.