В соответствии скалендарным планом выполнения работ ДВГТУ (ныне Дальневосточный федеральный университет) было поручено выполнение следующих этапов научно-исследовательских работ (НИР):
–выбор иобоснование принятого направления исследований по патентозащищенным методам поисков идобычи газогидратов;
–разработка функциональных схем технологических процессов разрушения газогидратов втермобарических процессах, близких кнеравновесным вприповерхностных горизонтах осадочного чехла;
–разработка функциональных схем технологических процессов разрушения стабильных газогидратов;
–разработка функциональных схем иустройств извлечения метана из неустойчивых газогидратных залежей;
–сопоставление ожидаемой эффективности использования результатов НИР спредлагаемыми методиками других организаций.
Авторы доклада принимали участие ввыполнении НИР вкачестве отвественных исполнителей иведущих специалистов.
Минеральные ресурсы газогидратов, способы добычи газа из глубоководных месторождений
Открытие газовых гидратов (ГГ) как химических соединений относится кначалу XIX века. Впервой половине XX века было установлено, что ГГ являются причиной пробкообразования вгазопроводах, расположенных варктических районах (при температуре выше 0 °С). После промышленного освоения газовых залежей началась интенсивная разработка методов предотвращения гидратообразования всистемах добычи итранспорта нефти игаза [1, 5].
В 1961г. было зарегистрировано открытие ВасильеваВ.Г., МакагонаЮ.Ф., ТребинаФ.А., ТрофимукаА.А., ЧерскогоН.В. «Свойство природных газов находиться втвердом состоянии вземной коре» [2], возвестившее оновом природном источнике углеводородов– ГГ. Авторами открытия были предложены способы добычи газа из газогидратных месторождений– путем повышения температуры или снижения давления втакой залежи.
Плотность ГГ близка кплотности воды. Например, плотность гидрата метана равна 913кг/м3, гидрата этана– 967кг/м3, гидрата пропана– 899кг/м3.Гидрат метана– это пример чистого ипотенциально огромного энергетического ресурса. Для высвобождения метана из ГГ потребуется примерно в15раз меньше энергии, по сравнению сколичеством содержащейся всамом метане тепловой энергии [3], ав 1м3ГГ метана содержится 160м3метана и850лводы.
Объем мировой добычи природного газа (в основном метана) на уровне 2,5х1012м3при разведанных запасах вместорождениях природного газа вколичестве 180х1012м3обеспечит промышленную эксплуатацию известных месторождений не более чем на 70лет [5].
Количество газа вГГ залежах на нашей планете составляет (16–14000)х1012м3[3, 4]. Это энергетический резерв человечества более чем на тысячу лет. Российские запасы газа по международным оценкам составляют 48х1012м3, ароссийские ресурсы ГГ вколичестве более 100х1012м3сосредоточены вЗападной Сибири ина шельфе. Добыча, транспортировка ипереработка ГГ достаточно сложна, но при годовой добыче газа на уровне 2008г. (665х109м3) запасов газа вместорождениях природного газа также хватит на 70лет, аразработка ГГ залежей обеспечит Россию природным газом еще на сотни лет. Поэтому разработка ГГ месторождений– важная мировая научно-техническая проблема [5].
Метан находится втвердой гидратной форме при атмосферном давлении ниже температуры –29 °С. При умеренных давлениях газовые гидраты природных газов существуют вплоть до +20÷25 °С [7]. Отметим, что ГГ относятся кнестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава [8]. Найденные условия образования истабильности гидрата метана позволили прогнозировать возможные зоны ГГ залежей на суше на глубине 200–1100мпри температуре от –10 °С до +15 °С ив придонных слоях водоемов на глубине 1200–1500мпри температуре +0÷17 °С. Эти прогнозы начали подтверждаться с1969г. Такие залежи найдены всеверных районах Западной Сибири, на Дальнем Востоке ина шельфе, затем на Аляске ив Канаде, апозднее во многих других странах. На основании прогноза по геотермическим данным найдены газогидратные отложения впресноводном водоеме при бурении вюжной котловине о. Байкал на глубине 1433м[5, 6].
На суше России выявлены такие газогидратные объекты, как Ямбургское иБованенковское (реликтовые газогидраты, находящихся вне современной зоны термодинамической стабильности газовых гидратов), Улан-Юряхинская антиклиналь (стабильные гидраты), атакже реликтовые газогидраты на Чукотке ив Колымском крае [5, 7].
В настоящее время препятствием для разработки месторождений ГГ является дороговизна технологии добычи. Так, месторождение ГГ Мессояхское вРоссии начало разрабатываться спомощью закачки метанола для расщепления ГГ. Из-за высокой стоимости метанола проект признан нерентабельным. При этом из Мессояхского месторождения втечение ряда лет производился отбор газа. На 01.01.2001г. суммарный отбор газа составил 11,6млрдм3, из которых 5,7млрд.м3 поступило врезультате разложения гидратов при снижении пластового давления ниже равновесного. Среднее пластовое давление за 30лет разработки понизилось с7,8до 6,2МПа. При отсутствии ГГ, согласно проекту разработки, пластовое давление должно было понизиться до 4МПа [7-9].
В 1979г. вЮжном Каспии определены иописаны газогидраты, поднятые сглубины 480м. Содержание газогидратов восадке визуально оценивалось в5-10 от объема грунта. Результаты анализа газогидратов показывают, что химический состав остаточного пластового газа; об. (см3/л) резко отличается от состава газов биохимического происхождения. Вгазовой смеси газогидратов грязевого вулкана содержится метан (CH4)– 22,2– 73,7см3/л; углекислого газа– СО2(14,28– 34,97см3/л, гомологи метана иих производных (до 17) [1,2]. Распространение осадков свозможными локальными фациальными зонами газогидратов, переслаивание газонасыщенных инегазонасыщенных разностей вразрезе осадочной толщи. Это снижает расчетные запасы газогидратов вМировом океане, атакже затрудняет их разработку; добыча газогидратов из морских осадков может привести кликвидации поверхностного слоя вместе снаселяющим его бентосом, уничтожение данных организмов– кнеобратимым нарушениям экологического равновесия, что подорвет биологические ресурсы Мирового океана [11].
В статье рассматриваются наши изобретения, относящиеся кспособам добычи природного газа воткрытом море, свободно выходящего из газовыделяющих донных участков ввиде фонтанов (факелов) [12-16] (рис. 1).
Рис. 1.Исходная ситуация на дне моря собразованием газовых фонтанов (факелов):1– газовый фонтан (факел); 2– дно моря
В ходе исследований, проведенных вТОИ ДВО РАН вОхотском море, установлено, что большая часть газовых фонтанов (факелов) концентрируется впределах 600-900м(Cruise Report…, 2003; Salomatin, 2006). Наиболее распространенными являются факела ввиде удлиненных узких эллипсоидов, поднимающихся из морского дна ввертикальном направлении. Высота их варьирует от 90до 500м, ширина– до 300м. Иногда факела кажутся отделенными от дна идвигаются свободно вводе, но поддерживают свою форму ипространственную ориентацию. Менее распространенные факела сложной сноповидной формы достигают высоты 400ми ширины 600м. Факела ввиде облаков встречаются, главным образом, над вершинами подводных холмов. Часто такие образования имеют горизонтально ориентированные слои, связывающие два смежных факела. Кроме того, встречаются целые поля факелов, вызванных незначительными газовыделениями ипротягивающихся на расстояние до 10-12км (Cruise Report…, 1999, 2000, 2005).
Известен способ добычи природного газа воткрытом море, включающий сбор газа из газовых фонтанов над газовыделяющими участками дна спомощью куполообразного газосборника, установленного на поверхности дна, передачу газа из газосборника вгазгольдер, снабженный средствами выгрузки, компактирование объема газа, подачу на судно-сборщик сигнала при заданном дополнении газгольдера иотгрузку его содержимого на судно-сборщик (см. RU 2078199, Е21В 43/01, 1994). Недостаток этого решения– невысокая экономическая эффективность устройства при отработке газогидратных залежей, как источников газовых фонтанов, особенно при распределении газовых фонтанов на ограниченных по площади участках, при условиях переменного дебита газа. Непонятно, как осуществлять смену газгольдеров, полезный объем которых, по заявлению авторов, порядка 10м3.Оценивая эффективность процесса добычи, можно отметить его неэффективность на больших глубинах (превышающих 600-800м).
На рис. 2показана схема реализации способа добычи природного газа воткрытом море на этапе заполнения аккумулирующей емкости; на рис. 3– схема реализации способа добычи газа впериод его отгрузки из аккумулирующей емкости на судно-сборщик.
Рис. 2.Схема реализации способа добычи природного газа воткрытом море на этапе заполнения аккумулирующей емкости
Рис. 3.Схема реализации способа добычи газа впериод его отгрузки из аккумулирующей емкости на судно-сборщик
Позиции на рис.2обозначают: газовые фонтаны 1, дно 2, куполообразный газосборник 3, аккумулирующая емкость– (газгольдер) 4, судно-сборщик 5, выдачной трубопровод 6, снабженный плавучестью 7, трубопроводы 8, средства электроподогрева 9, концы 10трубопроводов 8, снабженные плавучестями 11, нижний участок 12, средства электроподогрева 9, выдачного трубопровода 6, герметические электрические разъемы 13, запорная арматура 14, якорные блоки 15.
Куполообразный газосборник 3иаккумулирующая емкость 4конструктивно подобны иотличаются размерами (объем полостей первых порядка сотни м3, вторых– порядка 50-100тысяч м3). Они выполнены ввиде мягких оболочек из прочных синтетических материалов, заключенных всетчатый каркас из синтетических канатов, книжним точкам которого крепятся якорные блоки 15.Газосборники 3могут быть также выполнены ввиде жесткого каркаса (на чертежах не показан), монтируемого на месте или «самораскрывающегося» (например, сиспользованием сплавов спамятью формы), снабженного мягкой оболочкой иякорными блоками 15.Верхние участки куполообразных газосборников 3иаккумулирующей емкости 4снабжены трубопроводами (первые– трубопроводами 8, вторая– выдачным трубопроводом 6) сплавучестями, соответственно, 11и7на концах. Плавучесть 7выдачного трубопровода 6выполнена свозможностью ее погружения втолщу воды (например, ниже глубины поверхностного волнения).
Для решения поставленных задач комплекс для добычи природного газа воткрытом море на большой глубине, включающий газосборный узел, выполненный свозможностью установки под водой иулавливания газа спередачей последнего вгазгольдер, емкостью 50-100тыс.м3, выполненный свозможностью позиционирования втолще воды иподъема на поверхность иобслуживающее судно, отличается тем, что газгольдер выполнен сплавучестью, близкой кнулевой, его корпус выполнен свозможностью поддержания вего полости термобарических условий на уровне, исключающем диссоциацию гидрата природного газа.
При работе во льдах судно-сборщик должно иметь соответствующий ледовый класс, обеспечивающий его безопасную работу либо должно сопровождаться ледоколом. При этом для всплытия куполообразного газосборника необходимо предварительно формировать полынью соответствующих размеров. Востальном, работа вледовых условиях не отличается от ранее описанных.
Заключение
В статье представлено краткое содержание исследований, проведенных Тихоокеанским океанологическим институтом ДВО РАН иДальневосточным государственным техническим университетом по теме: «Условия формирования иразрушения газогидратов вОхотском море, их моделирование итехнико-экономическое обоснование извлечения метана из газогидратов». Особое внимание висследованиях уделялось разработке функциональных схем технологических процессов разрушения газогидратов втермобарических процессах близких кнеравновесным, из неустойчивых газогидратных залежей истабильных газогидратов.
Анализ научно-исследовательских илитературных источников, приведенных встатье ирассмотренных ранее, показывает, что газогидраты представляют собой энергетический резерв человечества, по крайней мере, на многие сотни лет. По химическому составу газогидраты– это, восновном, метан, вкачестве примесей присутствуют углекислый газ, окись углерода, гомологи метана. Добыча, транспортировка ипереработка газогидратов является сложнейшей научно-технической проблемой. Газогидратные месторождения распространены, восновном, локальными зонами, по фациальному составу могут быть сперслаиванием газонасыщенных ине газонасыщенных участков осадочной толщи. Это снижает расчетные запасы газогидратов вМировом океане, затрудняет их разработку, может привести кликвидации поверхностного слоя вместе снаселяющим его бентосом.
В настоящее время всилу изложенных выше факторов необходимо проведение дальнейших опытно-промышленных исследований на основе соблюдения экологических регламентов. Представляется целесообразным производить эффективную отработку газогидратных залежей как источников газовых фонтанов, особенно, при распределении их на ограниченных по площади участках иснижении энергоемкости процесса приема икомпактирования газа.
Библиографическая ссылка
Жуков А.В., Звонарев М.И., Жукова Ю.А. СПОСОБ ДОБЫЧИ ГАЗА ИЗ ГЛУБОКОВОДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГАЗОГИДРАТОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – № 10-1. – С. 16-20;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4042 (дата обращения: 19.04.2024).