установка для добычи природного газа в открытом море

Формула изобретения

1. Установка для добычи природного газа в открытом море, включающая куполообразный газосборник, выполненный с возможностью установки на поверхность дна, полость которого сообщена с полостью аккумулирующей емкости, снабженной выдачным трубопроводом, конец которого зафиксирован на плавучести, снабженной средствами радиосвязи с судном-сборщиком, снабженным средством соединения с выпускным отверстием выдачного трубопровода, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, два куполообразных газосборника, при этом аккумулирующая емкость открыта снизу, ей придана куполообразная форма и положительная плавучесть, причем концы трубопроводов газосборников зафиксированы в пространстве под аккумулирующей емкостью с исключением возможности выноса истекающего из них газа из полости аккумулирующей емкости, кроме того, трубопроводы выполнены восстающими по всей их длине, при этом, по меньшей мере, выдачной трубопровод и трубопроводы газосборников снабжены средствами электроподогрева, кроме того, аккумулирующая емкость размещена над дном так, чтобы ее верх был на глубине, где давление воды превышает давление диссоциации гидрата природного газа при температуре, соответствующей годовому максимуму температуры воды.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плавучесть выдачного трубопровода снабжена лебедкой, свободный конец которой закреплен на обращенной к ней поверхности аккумулирующей емкости.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средства электроподогрева выполнены из проводящего гибкого материала с возможностью упругого изменения их длины, для чего, по меньшей мере, отдельным их участкам придан вид спиралей.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нижний участок средства электроподогрева выдачного трубопровода размещен в полости аккумулирующей емкости.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средства электроподогрева трубопроводов газосборников пропущены через названные трубопроводы, их линии питания выведены из газосборников на плавучести, например на плавучесть выдачного трубопровода, а концы линий питания снабжены герметическими электрическими разъемами.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конец выдачного трубопровода снабжен запорной арматурой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для добычи природного газа в открытом море, а именно газа, свободно выходящего на газовыделяющих донных участках.

Известно устройство для добычи природного газа в открытом море, включающее куполообразный газосборник, устанавливаемый на поверхности газовыделяющего участка дна, и трубопровод для транспортировки газа на поверхность моря (SU N1498908, кл. Е21В 43/00,1989).

Однако в случае транспортировки газа с больших глубин использование трубопровода может оказаться затруднительным для бесперебойной работы.

Известна также установка для добычи природного газа в открытом море, включающая куполообразный газосборник, выполненный с возможностью установки на поверхность дна, полость которого сообщена с полостью аккумулирующей емкости, снабженной выдачным трубопроводом, конец которого зафиксирован на плавучести, снабженной средствами радиосвязи с судном-сборщиком, снабженным средством соединения с выпускным отверстием выдачного трубопровода (см. RU 2078199, Е21В 43/01, 1994).

Недостаток этого решения - недостаточная экономическая эффективность установки при отработке газогидратных залежей как источников газовых фонтанов, особенно при распределении газовых фонтанов на ограниченных по площади участках, при условиях переменного дебита газа. Принятая схема компактирования собранного газа (его ожижение) в аккумулирующей емкости (газгольдере) энергоемка и конструктивно достаточно сложна, поскольку непонятно, как реализуется утверждение заявителей о том, что «перед транспортировкой газ сжиживают путем его дожатия, например, компрессором», кроме того, газгольдер становится достаточно сложной конструкцией, поскольку ему «приходится работать» при большом перепаде внешних давлений (на начальной стадии заполнения он должен противостоять значительному внешнему давлению, а после всплытия должен противостоять такому же по величине давлению внутреннему (эффективность ожижения в лучшем случае составит 40-50% от исходного объема газа). При этом непонятно, как осуществлять смену газгольдеров, полезный объем которых, по заявлению авторов, порядка 10 м³. Оценивая эффективность процесса добычи, можно отметить его неэффективность на больших глубинах (превышающих 600-800 м).

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в обеспечении возможности эффективной отработки газогидратных залежей как источников газовых фонтанов, особенно при распределении газовых фонтанов на ограниченных по площади участках.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в упрощении конструкции оборудования, обеспечивающего сбор газа, кроме того, упрощается организация работы для судна-сборщика по отбору газа.

Для решения поставленной задачи установка для добычи природного газа в открытом море, включающая куполообразный газосборник, выполненный с возможностью установки на поверхность дна, полость которого сообщена с полостью аккумулирующей емкости, снабженной выдачным трубопроводом, конец которого зафиксирован на плавучести, снабженной средствами радиосвязи с судном-сборщиком, снабженным средством соединения с выпускным отверстием выдачного трубопровода, отличается тем, что она содержит, по меньшей мере, два куполообразных газосборника, при этом аккумулирующая емкость открыта снизу, ей придана куполообразная форма и положительная плавучесть, причем концы трубопроводов газосборников зафиксированы в пространстве под аккумулирующей емкостью с исключением возможности выноса истекающего из них газа из полости аккумулирующей емкости, кроме того, трубопроводы выполнены восстающими по всей их длине, при этом, по меньшей мере, выдачной трубопровод и трубопроводы газосборников снабжены средствами электроподогрева, кроме того, аккумулирующая емкость размещена над дном так, чтобы ее верх был на глубине, где давление воды превышает давление диссоциации гидрата природного газа при температуре, соответствующей годовому максимуму температуры воды. Кроме того, плавучесть выдачного трубопровода снабжена лебедкой, свободный конец которой закреплен на обращенной к ней поверхности аккумулирующей емкости. При этом средства электроподогрева выполнены из проводящего гибкого материала с возможностью упругого изменения их длины, для чего, по меньшей мере, отдельным их участкам придан вид спиралей. Кроме того, нижний участок средства электроподогрева выдачного трубопровода размещен в полости аккумулирующей емкости. При этом средства электроподогрева трубопроводов газосборников пропущены через названные трубопроводы, их линии питания выведены из газосборников на плавучести, например на плавучесть выдачного трубопровода, а концы линий питания снабжены герметическими электрическими разъемами. Кроме того, конец выдачного трубопровода снабжен запорной арматурой.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

Признак « содержит по меньшей мере два куполообразных газосборника » обеспечивает минимизацию объема работ по развертыванию аккумулирующей емкости, приходящегося на каждый газосборник.

Признаки « аккумулирующая емкость открыта снизу, ей придана куполообразная форма и положительная плавучесть, причем концы трубопроводов газосборников зафиксированы в пространстве под аккумулирующей емкостью с исключением возможности выноса истекающего из них газа из полости аккумулирующей емкости » обеспечивают возможность позиционирования в толще воды аккумулирующей емкости без «ее подвески» на плавучую конструкцию, расположенную на поверхности акватории, тем самым обеспечивается независимость добычных работ от ледовой обстановки.

Признак « трубопроводы выполнены восстающими по всей их длине » исключает образование газогидратных пробок в их полости.

Признаки « по меньшей мере выдачной трубопровод и трубопроводы газосборников снабжены средствами электроподогрева » обеспечивают возможность «включения - выключения» процесса подачи свободного газа из аккумулирующей емкости и обеспечивают возможность «раскупоривания» выдачного трубопровода и трубопроводов газосборников от «пробок» газогидратов.

Признак « аккумулирующая емкость размещена над дном так, чтобы ее верх был на глубине, где давление воды превышает давление диссоциации гидрата природного газа при температуре, соответствующей годовому максимуму температуры воды » обеспечивает «автоматический» перевод в гидратную форму газа, попавшего в аккумулирующую емкость, и его накопление в компактной форме.

Признак « плавучесть выдачного трубопровода снабжена лебедкой, свободный конец которой закреплен на обращенной к ней поверхности аккумулирующей емкости » обеспечивает возможность регулирования ее погружения ниже глубины поверхностного волнения

Признаки « средства электроподогрева выполнены из проводящего гибкого материала с возможностью упругого изменения их длины, для чего, по меньшей мере отдельным их участкам придан вид спиралей » обеспечивают сохранность средств электроподогрева при изменении положения трубопроводов относительно аккумулирующей емкости и/или газосборников, а также при изменениях длины трубопроводов.

Признак « нижний участок средства электроподогрева выдачного трубопровода размещен в полости аккумулирующей емкости » повышает скорость выдачи газа из аккумулирующей емкости.

Признаки « средства электроподогрева трубопроводов газосборников пропущены через названные трубопроводы, их линии питания выведены из газосборников на плавучести, например на плавучесть выдачного трубопровода, а концы линий питания снабжены герметическими электрическими разъемами » обеспечивают независимость работ по превращению в газ газогидратов в аккумулирующей емкости от таких же работ в газосборниках. Кроме того, размещение электрических разъемов средств электроподогрева на одной плавучести обеспечивает возможность одновременного управления теплоподогревом из одной точки.

Признак « конец выдачного трубопровода снабжен запорной арматурой » исключает утечки газовых объемов, расположенных в выдачном трубопроводе выше зоны гидратоообразования, по окончании процесса отгрузки газа.

На чертеже показана установка для добычи природного газа в открытом море.

Позиции на чертеже обозначают: куполообразный газосборник 1, аккумулирующая емкость 2, судно-сборщик 3, выдачной трубопровод 4, снабженный плавучестью 5, трубопроводы 6, средства электроподогрева 7, концы 8 трубопроводов 6, снабженные плавучестями 9, нижний участок 10 средства электроподогрева 7 выдачного трубопровода 4, герметические электрические разъемы 11, запорная арматура 12, якорные блоки 13, лебедка 14.

Куполообразный газосборник 1 и аккумулирующая емкость 2 конструктивно подобны и отличаются размерами (объем полостей первых порядка сотни м³, вторых - порядка 5-10 тысяч м³. Они выполнены в виде мягких оболочек из прочных синтетических материалов, заключенных в сетчатый каркас из синтетических канатов, к нижним точкам которого крепятся якорные блоки 13. Газосборники 1 могут быть также выполнены в виде жесткого каркаса (на чертежах не показан), монтируемого на месте или «самораскрывающегося» (например, с использованием сплавов с памятью формы), снабженного мягкой оболочкой и якорными блоками 13. Верхние участки куполообразных газосборников 1 и аккумулирующей емкости 2 снабжены трубопроводами (первые - трубопроводами 6, вторая - выдачным трубопроводом 4) с плавучестями соответственно 9 и 5 на концах. Плавучесть 5 выдачного трубопровода 4 выполнена с возможностью ее погружения в толщу воды (например, ниже глубины поверхностного волнения). Для этого на ней, например, монтируют лебедку 14, конец троса которой жестко закрепляют на верхней поверхности аккумулирующей емкости 2, и снабжают дистанционным (например, радиоуправляемым) механизмом управления, обеспечивающим всплытие плавучести 5 по сигналу с судна-сборщика 3 и аккумулятором, обеспечивающим питание лебедки 14. Для удобства поиска и погрузки собранного газа на судно-сборщик 3 радиоаппаратура (на чертежах не показана) плавучести 5 выполнена с возможностью работы как в режиме приемника, так и передатчика. Кроме того, на плавучести 5 размещены герметические электрические разъемы 11, запорная арматура 12 выдачного трубопровода 4. Кроме того, на плавучести 5 размещена контрольно-измерительная аппаратура, обеспечивающая контроль за физическим состоянием газа в узлах системы (на чертежах не показана).

Заявленное устройство добычи природного газа в открытом море собирается и работает следующим образом.

В качестве источника газа используют его донные газовые фонтаны над газогидратными полями, залегающими под покрывающей толщей дна. Эти газовые фонтаны выявляют известным образом, на основе сейсмоакустического профилирования, и/или эхозондирования, и/или съемки локатором бокового обзора и/или газогеохимическими исследованиями. Далее опускают на дно куполообразные газосборники 1, накрывая ими «источники» газовых фонтанов, опускают в акваторию аккумулирующую емкость 2 (расправляя ее по ширине, за счет соответствующего разнесения по площади дна якорных блоков 13, как минимум, трех, а по высоте за счет возникновения архимедовой силы, проявляющейся при погружении емкости в воду, направленной вверх и «работой» силы тяжести прилагающей к якорным блокам 13, силу, направленную вниз). Аккумулирующую емкость 2 размещают в толще воды над дном так, чтобы ее верх располагался на глубине, где давление воды превышает давление, при котором происходит диссоциация гидрата природного газа при температуре окружающей воды, соответствующей годовому максимуму температур. Далее трубопроводы 6 куполообразных газосборников 1 сообщают с полостью аккумулирующей емкости 2 (для этого плавучести 9, закрепленные на концах трубопроводов 6 газосборников 1, позиционируют непосредственно под аккумулирующей емкостью 2 и фиксируют в этом положении соответствующими якорными блоками 13 или же заводят снизу непосредственно в полость аккумулирующей емкости 2 на величину, исключающую их смещение придонными течениями. Важный момент при этом заключается в том, чтобы приемные отверстия трубопроводов 6 газосборников 1 располагались ниже их выпускных отверстий и трубопровод 6 был «восходящим на всех участках его длины. Средства электроподогрева 7 заранее располагают в полостях выдачного трубопровода 4 и трубопроводов 6, причем нижний участок 10 средства электроподогрева 7 выдачного трубопровода 4 выведен в полость, при этом их линии питания выведены на плавучесть 5 выдачного трубопровода 4 и снабжены герметическими электрическими разъемами 11.

В исходном положении выдачной трубопровод 4 перекрыт запорной арматурой 12, плавучесть 5 притоплена на глубине, исключающей воздействие на нее поверхностного волнения, льдов и т.п. факторов. Далее собирают газ с помощью куполообразных газосборников 1, улавливая ими газовые фонтаны. Уловленный газ всплывает в верхнюю часть полости куполообразных газосборников 1 и далее всплывает по трубопроводам 6 в полость аккумулирующей емкости 2, собираясь в ее верхней части. Остановившись в своем движении, пузырьки газа начинают воспринимать давление воды (которое на этой глубине превышает давление, при котором происходит диссоциация гидрата природного газа, и с учетом температуры воды соответствует термобарическим условиям гидратообразования), вследствие чего газ переходит в гидратную форму. Таким образом, в полости аккумулирующей емкости 2 начинает накапливаться газогидрат природного газа (в условиях Охотского моря, правильно сказать - метаногидрат, поскольку метан составляет до 98-99% от объема газа). Процесс накопления газогидрата вместо накопления газа способствует снижению архимедовой силы, воздействующей на аккумулирующую емкость 2, поскольку плотность гидратов метана близка к плотности льда 0.874 метана при температуре 0°С (она возрастает от 0,894-0,897 г/см³ при 0°С и 2,55 МПа до 0,914-0,956 г/см³ при 37°С и 147 МПа). Согласно данным расчета по эмпирической формуле плотность гидрата метана составляет 0,905 г/см³ при температуре 0°С. Осадков до 7%). Электропроводность газогидратов в 5-15 раз выше, чем у льда. Гидратоносные отложения отличаются от водоносных, кроме меньшей плотности, также существенно меньшей электропроводностью и меньшей теплопроводностью, но большей скоростью распространения упругих волн. Экспериментально установлено, что после образования гидратов в первоначально водонасыщенных песках скорость продольных волн возрастала от 1,85 до 2,7 км/с; в сцементированных песчаниках скорость увеличивалась от 3,0 до 3,5 км/с. Скорость продольных волн в образце чистого гидрата структуры дна около 3,1 км/с. Это позволяет легко контролировать накопление газогидратов в аккумулирующей емкости 2, организовав контроль за скоростью распространения упругих волн в ее полости. При заданном наполнении аккумулирующей емкости 2 контрольно-измерительная аппаратура, смонтированная на плавучесть 5, дает команду на ее всплытие (возможен вариант, при котором такую команду подает соответствующая аппаратура судна-сборщика 3). После этого радиопередающая аппаратура, смонтированная на плавучести 5, передает сигнал, который принимается судном-сборщиком 3, что позволяет быстро выйти на плавучесть 5. Далее плавучесть 5 либо поднимают на борт судна (если запас плавучести мал), либо оператор спускается с судна на плавучесть 5. Далее выдачной трубопровод 4 подключают к приемному трубопроводу судна (на чертежах не показан), а герметические электрические разъемы 11 средств электроподогрева 7 выдачного трубопровода 4 и, при необходимости, трубопроводов 6 подключают через судовые линии электропитания к судовому источнику тока и начинают прогрев трубопроводов, открыв запорную арматуру 12 выдачного трубопровода 4. Вследствие прогрева газогидраты превращаются в газ и уходят на судно-сборщик 3. Процесс продолжают до полного освобождения аккумулирующей емкости 2 от газогидрата либо до заполнения емкостей судна-сборщика 3. Непосредственно на судне-сборщике 3 газ компактируют (превращением в газогидрат или ожижением). По завершении процесса отгрузки отключают герметические электрические разъемы 11 средств электроподогрева 7 от судового источника тока, перекрывают запорную арматуру 12 выдачного трубопровода 4 и дают команду на погружение плавучести 5. Далее все повторяется.

При работе во льдах судно-сборщик должно иметь соответствующий ледовый класс, обеспечивающий его безопасную работу, либо должно сопровождаться ледоколом. При этом для всплытия плавучести 7 необходимо предварительно формировать полынью соответствующих размеров. В остальном работа в ледовых условиях не отличается ничем от описанной.