В настоящее время неуклонно снижаются запасы традиционных энергетических ресурсов, таких как легкая нефть, газ. Поиск и разведка новых месторождений могут служить решением этой проблемы, но запасы распределены по земной поверхности неравномерно и многие страны лишены углеводородных полезных ископаемых. Поэтому огромное внимание уделяется поиску новых альтернативных источников энергии, как возобновляемых, таких как энергия ветра и солнца, так и невозобновляемых, к которым относятся нетрадиционные углеводороды, такие как высоковязкая нефть и газогидратные залежи [1,2].
Важным альтернативным невозобновляемым энергоисточником являются газовые гидраты, представляющие собой кристаллические соединения метана и воды, напоминающие спрессованный снег. Примерные запасы метана в гидрате по различным источникам оцениваются около
3000-7000 трлн.т, по предварительным оценкам специалистов «ВНИИГАЗА» в России ресурсы природного газа в газовых гидратах достигают около
1200-1400 трлн. м³. Это сравнимо с запасами традиционного газа. Из одного кубического метра газовых гидратов можно получить до 160 м³ природного газа, что представляет собой огромный резерв для человечества. Поэтому поиск решений для разработки газогидратных залежей является актуальной задачей многих стран с разведанными запасами газогидратов, и в настоящее время наблюдается значительный рост интереса к нетрадиционному источнику углевородов (проекты по добыче газогидратов в Японии, Канаде, США). Однако в настоящее время нет эффективной технологии добычи полезного ископаемого, по большей части из-за высокой себестоимости добычи и отсутствии комплексного подхода к извлечению полезного ископаемого [3].
Для устойчивого состояния газогидратной залежи необходимо наличие двух условий: высокое давление и низкая температура. Газогидраты залегают в условиях придонных шельфовых месторождений (шельф Сахалина, Охотское море, Черное море и др.), так и при материковом расположении залежей, в частности в условиях вечной мерзлоты. Для добычи газовых гидратов необходимо воздействовать на залежь таким образом, чтобы изменить равновесное состояние гидрата, т.е. изменять давление или температуру. Тогда кристаллическая решетка распадается на воду и газ, готовый для извлечения. Чтобы превратить газогидрат в газ, то есть разрушить кристаллическую решетку и отобрать пузыри газа существуют три основных метода: понижение давления ниже равновесного давления; нагрев гидратосодержащих пород выше равновесной температуры; комбинация этих методов. Все эти методы основаны на применении диссоциации- процесса распада вещества на более простые составляющие. 
Испытуемые в настоящее время технологии (Япония, Канада) не показали высокой эффективности добычи газа из гидратов. Исходя из этого, создание технологии добычи газогидратов, обладающей малой метало- и капиталоемкостью, обеспечивающей различные режимы тепловой обработки, а также использование различных видов теплоносителей является основной проблемой в данной области.
Основной частью комплекса является электротепловой генератор (ЭТГ) 29, закрепленный на конце колонны насосно-компрессорных труб 6 в нагнетательных скважинах 17. ЭТГ состоит из герметичного внутреннего корпуса, в котором происходит нагрев токопроводящей жидкости, и внешнего, заполненного требуемым теплоносителем. Наружный корпус имеет больший диаметр, чем внутренний корпус 4, заполняется рабочей жидкостью 13. В верхней части наружного корпуса установлены выпускные клапаны 5.
На этапе подготовки к спуску, подготовленную токопроводящую жидкость 12 заливают во внутренний корпус в рассчитанной пропорции, оставляя пространство для пара. Заполнение внутреннего корпуса осуществляется с учетом пространства для образования паровой фазы. После опускания нагревателя в колонну насосно-компрессорных труб 6 прогреваемая зона изолируется термостойким пакером 28.
Заполнение наружного корпуса 3 рабочей жидкостью происходит по центральному трубопроводу 7, который изолирован верхним 8 и нижним 2 проходными изоляторами и выведен в выходной изолятор 1, установленный в нижней части наружного корпуса 3. В качестве рабочей жидкости используют пресную воду, морскую воду, солевые растворы.
Далее через линию передачи, тиристорный регулятор, переходник 30 на центральный токовод и фазные электроды ЭТГ подается напряжение. Ток протекает от фазных электродов к нулевым, вызывая нагрев токопроводящей жидкости, испарение и конденсацию пара на стенках, что приводит в теплообмену между стенкой внутреннего корпуса 4 и рабочей жидкостью в наружном корпусе 3. При достижении определенной температуры и давления, в наружном корпусе 3 срабатывают выпускные клапаны 5, и жидкость (пар) выходят из корпуса 3, производя тепловую обработку призабойной зоны.

Рис.1. Схема установки устройства тепловой обработки для морских залежей

Конструкция теплового генератора для обработки газогидратных залежей должна быть пригодна для использования соленой морской воды в качестве нагреваемого теплового агента либо другой агрессивной среды. Поэтому должен быть исключен контакт теплового агента с электродами. Для этого разработана конструкция нагревателя-рекуператора (рис.2)[4].

Электротермический комплекс за счет наличия в своем составе забойных электротепловых генераторов позволит обеспечить эффективную обработку газогидратных залежей и обладает следующими преимуществами:
- малая себестоимость добычи;
- возможность использования как на больших, так и малых глубинах залегания;
- возможность применения как для разработки шельфовых месторождений, так и месторождений в условиях вечной мерзлоты;
- конструкция забойного электротеплового генератора позволяет использовать в качестве теплоносителя пар, агрессивные для нагревателей среды, такие как горячая соленая вода, вода с добавление ингибиторов.
Таким образом, за счет малой металлоемкости конструкции, экологической безопасности, возможности использования различных типов теплоносителя электротермические технологии являются возможной технологий разработки газогидратных залежей.
Электрическая мощность ЗЭПГР в зависимости от избранного соотношения объёмов «вода-пар» в стационарном режиме может быть определена выражением

, (1)

где m – число электродов, Рi – мощность электрода (кВт); li – длина межэлектродного промежутка (м); Lв – расчётная длина столба воды в стационарном режиме (м).
После определения высоты столба воды и пара необходимо определить количество электродов, участвующих в нагреве токопроводящей жидкости.
Объём воды в изолированной зоне определяется по формуле

, (2)

где d – внутренний диаметр внешнего корпуса, L – длина корпуса, – диаметр внешнего корпуса.
Масса воды в корпусе G до нагрева можно допустить равной

. (3)

Энергию, необходимую на нагрев теплоносителя до кипения, можно найти через энтальпию жидкости до теплового воздействия  и энтальпию при температуре кипения – .

. (4)

Количество теплоты на испарение воды определяется через теплоту парообразования r

. (5)

Объем образующегося пара , согласно таблицам состояния вода-пар

. (6)

Время, необходимое на нагрев воды от естественной температуры на данной глубине tпл до температуры кипения tк

. (7)

Время, необходимое на испарение воды

. (8)

Тогда длина корпуса определяется по формуле:

. (9)

Таким образом, за счет малой металлоемкости конструкции, экологической безопасности, возможности использования различных типов теплоносителя электротермические технологии являются перспективной технологий разработки газогидратных залежей.

1. http://gazprom.ru/press/news/2003/april/article54324/
2. В.Ж. Аренс, А.А. Вертман, Е.Ф. Крейнин, П.П. Полуэктов, Г.Х. Хчеян. О перспективных технологиях разработки газогидратных залежей. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) -  М.: Издательство Московского горного университета, №2/2005, с.246-248.
3. Ю.Ф. Макогон. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы. – Российский химический журнал (журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева), т. XLVII,2003 г., c. 70-79.
4. Пат.№2516303. Устройство для тепловой обработки газогидратных залежей/ Э.А.Загривный, В.И. Маларев,А.Е. Козярук, В.О. Зырин; от 02.07.2012

Все статьи автора «Зырин Вячеслав Олегович»