Сметан-гидраты или вилка Дарси

Потихоньку продолжаем слизывать со стола наши сметан-гидраты.

В первой статье http://aftershock.news/?q=node/318722 мы выяснили, что метан есть.

Во второй статье  http://aftershock.news/?q=node/318908 объяснялось, что месторождения метан-гидратов сидят ПОД поверхностью, где их можно как-то найти. А на дне океанов есть не месторождения, а гидратопроявления. Злобный дед Архимед не даёт этим проявлениям уйти куда-то далее кучки примёрзшей к дну льдинки, и для промышленной добычи они нам неинтересны.

В третьей статье http://aftershock.news/?q=node/319148, мы попробовали собирать сметану ложкой, как это делали в 2002 году. Ложкой скоблить получалась плохо, теперь мы попробуем вилку. Снова понадобится матан.

Итак, попробовав размораживать метан-гидраты горячей водой, Jogmec от такой глупости отказалась. Дедушка Фурье нашептал японцам, что процесс разморозки будет таким медленным, что овчинка выделки не стоит. Ковыряться продолжали на той же Аляске, благо деньги консорциума надо как-то осваивать. Вместо повышения температуры, было предложено понижать давление.

Смотрим диаграмму устойчивости из предыдущей статьи. Вот товарищ енерал опять высунулся из люка бронепоезда и кричит, что можно один раз понизить давление, а дальше процесс пойдёт сам! Езжайте за торсионными полями, товарищ енерал. Дармовой энергии в природе не бывает. Реакция образования гидратов – экзотермическая, а реакция распада – соответственно эндотермическая. Если в замкнутой системе просто понизить давление, то часть метана вывалится, и давление увеличит, а оставшаяся порода – чуть-чуть охладится. Всё снова вернётся в равновесие.

Однако, кто вам сказал, что система – замкнутая? Помните, что хитрецы из Jogmec специально выбрали залежь на границе «конверта устойчивости»? Снизу пласт с метан-гидратами подпирает вода, прогретая до температуры выше устойчивой. Непрерывно откачивая из скважины, можно забрать какое-то количество жидкой фазы гидрата, на её место придёт чуть более тёплая нижележащая вода, подогреет пласт, и так далее. Таким образом, энергия в пласт закачивается, во-первых, через действие насоса, а во-вторых – энергия так называемая «дармовая» – геотермальная. К 2007 году, система добычи обрела реальные очертания:

Заместо бурильной колонны, в скважину спущены насосно-компрессорные трубы (НКТ). Чуть выше глубины пласта, к НКТ прикручен скважинный электронасос, а вокруг НКТ идёт кабель. Ничего такого особенного в системе нет. Точно такие же насосы висят в нефтяных скважинах по всему миру, разве что с пакером чуть выше, чего тут не требуется. Заметим, что ниже насоса находятся два фильтра, защищающие насос от выноса песка. В высокопористом коллекторе, который имел место на Аляске, с песком намучились. Сначала был один фильтр – вокруг колонны, потом, в 2008, добавили второй: внутри скважины. Но преодолев все преграды, счастливый японец повернул рубильник, и в сепаратор пошла вода с метаном: по НКТ – в основном вода и чуть-чуть метана, а по «затрубу» – в основном метан и чуть-чуть воды.

Ах да, сепаратор и всё остальное оборудование – тоже вполне стандартные, нефтяные. Где-то в прессе проскочило, что Jogmec придумал некий хитрый процесс добычи, когда кусочки метан-гидратов поднимают на поверхность, и там уже разгазируют. Докладываю, товарищ енерал: журналисты опять ошиблися! Когда бурят скважину, на поверхность выходит по-русски: шлам, а по-буржуйски: cuttings. Именно они, то есть кусочки породы. Счастливым, ничего не подозревающим корреспондентам показывали обыкновенный буровой вибротряс, на котором как раз во время бурения буровой раствор освобождался от шлама. Так как бурили зимой, то показывали фокус: при поднесении пропановой горелки, шлам загорался лёгким голубоватым огоньком.  Обмануть никого не хотели, но так уж повелось, что енералы на энтих грязных, вонючих, гадких буровых на бывали, и зачем нужен вибротряс -- не догадываются.  К собственно технологии добычи эти фокусы отношения не имеют. Такие дела.

Итак, после первого блина 2002 – комом, и второго неудачного блина 2007 – с песком и безнадёжно загубленным насосом, третий блин вышел почти удачным. За 5.5 дня испытаний, добыли 13000 кубов газа, то есть по 2400 кубика в сутки. К несчастью, тот первый фильтр вокруг колонны был спроектирован неадекватно, и забой скважины между первым и вторым фильтром забился намертво. Однако «санд-скрин», как называют этот первичный фильтр специалисты – это отработанная технология. На обычных нефтяных и газовых месторождениях тоже иногда ошибаются с расчётом (он зависит от размера зёрен породы, который заранее угадать невозможно), но в последующих скважинах – находят правильное инженерное решение. В отличие от енералов на бронепоезде, летёхи-инженеры учатся, учатся, учатся на опыте предшественников. Итак, получилось по 2400 кубометра в сутки. А сколько могло получиться? Ответ на этот вопрос придумал мсье Дарси где-то между 1828 и 1848 годами (опубликовали шедевр уже после смерти мэтра французской инженерной мысли)

Что тут за буквы?

Вектор потока жидкости q измеряется, если записывать полностью, в м³/с/м². Но метры на метры можно поделить, поэтому просто м/с, то есть размерность скорости.

k – коэффициент абсолютной проницаемости, определяемый экспериментально. Для каждого месторождения он свой, уникальный. На Аляске было между 200 и 400 ^. 10^-15 m² – довольно неплохая такая проницаемость.

Вязкость жидкой фазы метан-гидрата μ – изучена отлично.  Дело в том, что инженеры-разработчики всякие гидраты ненавидят.  При прокачке слегка влажного природного газа через трубопровод, особенно зимой, они самые и образуются – внутри трубы, а компрессоры и другие компоненты системы – на эти незваные гидраты в обиде.  Короче, вязкость жидкой фазы метан-гидрата при 110 атмосферах и 10Ц – около 15 мПа*с (раз в 10 больше, чем у воды), однако сильно варьирует от температуры.

Итого, проницаемость поделенная на вязкость даёт коэффициент α порядка 2^.10^-11 м²/Па/с.

P – давление, естественно в Паскалях.  «Набла» выражает градиент давления.

Заметим, что в виде с α уравнение Дарси аналогично уравнению Фурье из предыдущей статьи.

Пока насос не включили, давление на забое скважины примерно равняется пластовому 110 атмосфер, или 1.1^.10⁸ Па.  Насос быстренько откачивает воду до уровня примерно на сотню метров выше пласта, так что в «затрубе» остаётся всего 0.1^.10⁸ Па.

Помните, как мы в предыдущей статье нарезали метровый пласт на колечки по 1 м³?  Сделаем тот же трюк и сейчас.

Градиент в первом кубометре (1.1-0.1).10⁸ / (0.54-0.16) = 2.63^.10⁸ Па на метр, то есть первый кубометр теряет жидкость со скоростью 2.63^.10⁸* 2^.10^-11 = 5.26 10^-3 м/с, через сечение в 1 м².  Чтобы вытащить из первого кубометра 0.3 куба жидкого гидрата, надо затратить 0.3 / 5.26 10-3 = 57 секунд.  Отлично! Одна минута, это куда меньше 14.5 часов как в случае размораживания горячей водой!  Чтобы опорожнить второй кубометр, понадобится ещё 64 секунды, и так далее.  Если качать воду 24 часа, то из пласта толщиной (геолог скажет: «мощностью») 1 метр, можно извлечь 9300 кубов стандартного метана.

Помните, что на реальной залежи в Малике мощность была около 200 м?  Так вот: если насос позволит, за первые сутки можно извлечь 9300*200= 1.85 млн м³ газа.  Вполне так себе прилично.  А позволит ли насос?  Позволит!  Расчёт показывает, что для поддержания депрессии на забое за первые сутки надо эвакуировать «всего» 10 тыс тонн воды.  Такие насосы есть, но сожалению в реальную обсадную колонну диаметром 9 5/8 дюйма – запихать их невозможно.   Jogmec пользовалась насосом-дешёвкой с расходом всего 50 м³/сут, поэтому и получили по 2500 м³ газа в день.  Но тут надо сказать, что насос-дешёвку спускали специально.  По опыту 2007 года знали, что «санд-скрин» неправильный, и что скважина всё одно забьётся.  Эксперимент есть эксперимент, надо беречь деньги партнёров!

А теперь посчитаем абсолютный теоретический ERoEI нашей системы – без учёта стоимости бурения и без транспортировки газа.  Это та абсолютная планка, выше которой не может прыгнуть даже енерал с бронепоезда.  У которого бурят рабы на сворованной буровой, а газ уходит в бесплатный трубопровод.

Для подъёма 300 кг жидкости с глубины 1 км надо затратить 300*1000*10 = 3 МДж энергии.  Электро-гидравлический КПД насоса REDA – чуть более 60%, то есть на насос надо подать около 3/0.6= 5 МДж электроэнергии.  Давайте предположим, что энергия вырабатывается из нашего собственного газа, причём общий КПД наземной установки (турбина, генератор, трансформатор, провода) – 25%.  Значит, надо затратить 5/0.25=20 МДж метана.  Только не надо кричать про КПД, товарищи с бронепоезда.  Не нравится вам 25% -- возьмите 10 или 40.  На конечный ответ это влияет мало.

От дегазации, получается 54 куба метана, каждый куб при сгорании выдаёт 36 МДж тепла.  Итого: 1950 МДж.

Теоретический ERoЕI получается на удивление: 1950/20 = 98.

Где тут подвох?  Подвох прост.  Для своих первых экспериментов, Jogmec выбрала метан-гидратное месторождение с супер-дупер идеальными условиями.  Ну, к примеру, если бы завтра по мановению волшебной палочки нефтяные антиклинали Баку снова бы налились под завязку, то с нашими современными технологиями добычи ERoEI был бы в районе той же сотки или чуть больше.

Напомню, что сделало Малик таким удачным местом:

* Гидрат находится в жидкой фазе при температуре около 10Ц
* Гидрат залегает вблизи нижней границы стабильности, "заграница нам поможет"
* Высокая проницаемость пород.

Значит, вилкой сметану со стола сгребать можно!  По крайней мере там, где слой потолще.  А что делать, если слой тонкий?

Про это будет следующая статья.