Analysis of gas hydrate deposits development by applying elements of hydraulic borehole mining technology

Purpose. To substantiate and develop the principal schematics suitable for the existing technological level and method of gas hydrates production from the offshore fields. Methods. Analysis of properties inherent to gas hydrates and gas hydrate deposits and research into peculiarities of the technological operations of the hydraulic borehole mining. Findings. Basic processes related to the method of gas hydrate extraction from the productive stratum without energy consumption for phase transition on the basis of the hydraulic borehole mining technology are substantiated. Originality. The research provided rationale for manifestation of the group of factors involved in the process of immersed jets action on the gas hydrate in conditions of its natural occurrence. It was confirmed that gas hydrates can be extracted from the productive stratum without energy consumption for dissociation, by creating conditions for their recrystallization as a result of joint impact produced by immersed jets of sea water and a complex of related processes. Theoretical justification is given to the physical fundamentals of the processes associated with gas hydrates enrichment and concentration in the mine working. Practical implications. Technology for the development of gas hydrate deposits on the basis of hydraulic borehole mining without energy consumption for the phase transition is proposed.Мета. Обґрунтування і розроблення принципової схеми, прийнятної для існуючого рівня техніки, способу видобування газових гідратів морських родовищ. Методика. Аналіз властивостей газових гідратів та газогідратних покладів, а також особливостей протікання технологічних операцій свердловинного гідровидобутку. Результати. Обґрунтовано основні процеси способу вилучення газогідрату із продуктивного пласта без витрати енергії на фазовий перехід на основі технології свердловинного гідровидобутку. Наукова новизна. Встановлено та обґрунтовано прояв комплексу чинників у процесі дії затоплених струменів на газогідрат в умовах його природного залягання. Обґрунтовано можливість вилучення газогідрату із продуктивного пласта без витрати енергії на дисоціацію шляхом створення умов його перекристалізації у результаті сумісної дії затоплених струменів морської води і комплексу супутніх процесів. Теоретично обґрунтовано фізичні основи процесів збагачення і концентрування газових гідратів у гірничій виробці. Практична значимість. Запропоновано технологію розробки газогідратних покладів на основі свердловинного гідровидобутку без витрати енергії на фазовий перехід.Цель. Обоснование и разработка принципиальной схемы, приемлемой для существующего уровня техники, способа добычи газовых гидратов морских месторождений. Методика. Анализ свойств газовых гидратов и газогидратных залежей, а также особенностей протекания технологических операций скважинной гидродобычи. Результаты. Обоснованы основные процессы способа извлечения газогидрата из продуктивного пласта без затрат энергии на фазовый переход на основе технологии скважинной гидродобычи. Научная новизна. Установлено и обосновано проявление комплекса факторов в процессе действия затопленных струй на газогидрат в условиях его естественного залегания. Обоснована возможность извлечения газогидрата из продуктивного пласта без затрат энергии на диссоциацию путем создания условий его перекристаллизации в результате совместимого действия затопленных струй морской воды и комплекса сопутствующих процессов. Теоретически обоснованы физические основы процессов обогащения и концентрирования газовых гидратов в горной выработке. Практическая значимость. Предложена технология разработки газогидратных залежей на основе скважинной гидродобычи без затрат энергии на фазовый переход.Дана робота стала можливою завдяки фінансовій та організаційній підтримці в межах державних бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Застосування газогідратних технологій при розробці традиційних і газогідратних родовищ газу” (№ держреєстрації 0113U00857) та “Дослідження впливу термодинамічних параметрів фазових переходів у системах із газовими гідратами на ефективність газогідратних технологій” (№ держреєстрації 0115U002420). Автори роботи висловлюють свою подяку керівнику даних проектів – доктору технічних наук, професору, завідувачу кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету (м. Дніпро) Бондаренку Володимиру Іллічу за підтримку у проведенні досліджень

Thermodynamic and geomechanical processes research in the development of gas hydrate deposits in the conditions of the Black Sea

Purpose. Research of thermodynamic and geomechanical processes occurring in a gas hydrate body under the influence of an activating agent (sea water from surface layers) in the conditions of the Black Sea by mathematical modeling using finite element method. Methods. The modeling of thermodynamic and geomechanical processes is performed with the use of ANSYS v17.0 software and in accordance with the climatic, hydrogeological and physic-mechanical properties of the numerical model elements in the Black Sea gas hydrate deposit under consideration, which are similar to natural ones. The thermodynamic processes were studied in the section “Steady-State Thermal”, and the geomechanical (stress-strain state) in “Static Structural”. Findings. The spatial model is developed, which allows to simulate thermodynamic and geomechanical processes in a gas hydrate body under the influence of a thermal agent. As a result of modeling, it was determined that under these conditions the temperature in the gas hydrate body varies with the distance from the production well similarly in both directions according to the polynomial dependence. What is more, at a distance from the well of 18.7 m the temperature is stable and equals +22°С, and in the range of 18.7 – 24.9 m – decreases by 3.1 times and reaches a value of +7°С. It was found out that deformations in a gas hydrate body under the influence of an activating agent, which is fed under pressure above the initial, are directed from the lateral boundaries to the center of the gas hydrate body in the direction of productive dissociation zones. This, in its turn, results in the displacement of the gas hydrate volume to the reaction proceeding center, improving the quality of the decomposition process and allows mining of 87 – 91% gas hydrate volume, which is presented in the model. Originality. For the first time, for the conditions of the Black Sea gas hydrate deposits, an analytical assessment of the dissociation zone distribution from the production well under the influence of the thermal agent and the changes of the stress-strain state of the gas hydrated body during its decomposition, has been carried out. This allows to improve the technology of the gas hydrate deposits development in the conditions under consideration. Practical implications. The technological scheme for the development of a gas hydrate body based on the combined approach to the effects of activators (temperature and pressure) is proposed, which eliminates the need to warm the boundary sections of the deposit and increases the amount of the supplied activating agent and its temperatures, which in its turn leads to a decrease in the resource and energy consumption.Мета. Дослідження термодинамічних і геомеханічних процесів, що протікають у газогідратному тілі при впливі активуючого агента (морської води з поверхневих шарів) в умовах Чорного моря шляхом математичного моделювання методом кінцевих елементів. Методика. Моделювання термодинамічних і геомеханічних процесів виконано за допомогою програмного забезпечення ANSYS v17.0 з відповідністю кліматичних, гідрогеологічних та фізико-механічних властивостей елементів чисельної моделі у розглянутому газогідратному родовищі Чорного моря, які є аналогічними натурним. Термодинамічні процеси досліджувалися у розділі програми “Steady-State Thermal”, а геомеханічні (напружено-деформований стан) – в “Static Structural”. Результати. Розроблена просторова модель, що дозволяє моделювати термодинамічні та геомеханічні процеси у газогідратному тілі при впливі теплового агента. В результаті моделювання встановлено, що у розглянутих умовах температура в газогідратному тілі змінюється з відстанню від видобувної свердловини аналогічно в обидві сторони за поліноміальною залежністю, причому на відстані від свердловини 18.7 м температура стабільна і становить +22°С, а в інтервалі 18.7 – 24.9 м – знижується у 3.1 рази і досягає значення +7°С. Виявлено, що деформації у газогідратному тілі при впливі активуючого агента, який подається під тиском, що перевищує початковий, спрямовані від бокових меж у центр газогідратного тіла у напрямі продуктивних зон дисоціації, що, в свою чергу, призводить до зміщення об’єму газогідрату в центр протікання реакції, покращуючи якість процесу розкладання і дозволяючи відпрацювати 87 – 91% об’єму газогідрата, представленого в моделі. Наукова новизна. Вперше для умов газогідратних родовищ Чорного моря проведена аналітична оцінка характеру поширення зони дисоціації від видобувної свердловини при впливі теплового агента та змін напружено-деформованого стану газогідратного тіла при його розкладанні, що дозволяє удосконалити технологію розробки газогідратних покладів у розглянутих умовах. Практична значимість. Запропоновано технологічну схему розробки газогідратного тіла на основі комбінованого підходу до впливу активаторами (температурою та тиском), що усуває необхідність прогріву граничних ділянок покладу і збільшення кількості активуючого агента, що подається, та його температури, що, в свою чергу, веде до зниження ресурсо- й енерговитрат.Цель. Исследование термодинамических и геомеханических процессов, протекающих в газогидратном теле при воздействии активирующего агента (морской воды с поверхностных слоев) в условиях Черного моря посредством математического моделирования методом конечных элементов. Методика. Моделирование термодинамических и геомеханических процессов выполнено при помощи программного обеспечения ANSYS v17.0 с соответствием климатических, гидрогеологических и физико-механических свойств элементов численной модели в рассматриваемом газогидратном месторождении Черного моря, которые являются аналогичными натурным. Термодинамические процессы исследовались в разделе программы “Steady-State Thermal”, а геомеханические (напряженно-деформированное состояние) – в “Static Structural”. Результаты. Разработана пространственная модель, позволяющая моделировать термодинамические и геомеханические процессы в газогидратном теле при воздействии теплового агента. В результате моделирования установлено, что в рассматриваемых условиях температура в газогидратном теле изменяется с расстоянием от добывающей скважины аналогично в обе стороны по полиномиальной зависимости, причем на расстоянии от скважины 18.7 м температура стабильна и составляет +22°С, а в интервале 18.7 – 24.9 м – снижается в 3.1 раза и достигает значения +7°С. Выявлено, что деформации в газогидратном теле при воздействии активирующего агента, подаваемого под давлением, превышающее начальное, направлены от боковых границ в центр газогидратного тела в направлении продуктивных зон диссоциации, что, в свою очередь, приводит к смещению объема газогидрата в центр протекания реакции, улучшая качество процесса разложения и позволяя отработать 87 – 91% объема газогидрата, представленного в модели. Научная новизна. Впервые для условий газогидратных месторождений Черного моря проведена аналитическая оценка характера распространения зоны диссоциации от добывающей скважины при воздействии теплового агента и изменений напряженно-деформированного состояния газогидратного тела при его разложении, что позволяет усовершенствовать технологию разработки газогидратных залежей в рассматриваемых условиях. Практическая значимость. Предложена технологическая схема разработки газогидратного тела на основании комбинированного подхода к воздействию активаторами (температурой и давлением), устраняющая необходимость прогрева граничных участков залежи и увеличения подаваемого количества активирующего агента и его температуры, что, в свою очередь, ведет к снижению ресурсо- и энергозатрат.The results of the current researches were obtained within the framework of the research works of GP-473 Development of scientific principles of phase transformations of technogenic and natural gas hydrates and creation of the newest technologies of their extraction” (State Registration No.0115U002294) and GP-487 “Scientific substantiation and development of energy saving and low waste technologies of hydrocarbon and mineral raw materials extraction” (State Registration No.0116U008041)

Process pattern of heterogeneous gas hydrate deposits dissociation

Purpose. Justification of the effective dissociation process parameters of heterogeneous gas hydrate deposits and elaboration of their classification according to the thermal energy consumption. Methodology. The methodological basis of the conducted complex research is the analysis and synthesis of literary sources, devoted to studying the peculiarities and thermobaric properties of gas hydrates, analytical calculations and laboratory experiments on the thermal energy consumption for the efficient decomposition of gas hydrates, experimental studies of the hydrate formation process and gas hydrate deposits of the mottled structure dissociation. Findings. The parameters of formation and stable gas hydrate occurrence in natural environment, which should be taken into account when developing gas hydrate deposits, are substantiated. The existing classification of gas hydrate deposits in sedimentary rocks is analyzed. The regularities of the gas hydrate deposits dissociation process and methane gas production, depending on the percentage of rock intercalations content, are established. The volumes of analysis zones and gas output from heterogeneous gas hydrate deposits are determined. The amount of thermal energy that is necessary to be consumed to produce 1000 m3 of hydrated gas during the gas hydrate deposits development, is calculated. Originality. It is established that the thermal energy consumption on the dissociation process in order to obtain methane gas varies with a parabolic dependency with an increase in the rock intercalations proportion in the gas hydrate deposit. A new classification of gas hydrate deposits, based on the content of rock intercalations and the amount of spent thermal energy for gas hydrate dissociation, has been developed. Practical value. The results of studies with sufficient accuracy for practical application may be used in the development of the Black Sea gas hydrate deposits in order to obtain natural gas. The revealed dependencies of the methane gas output on the rock intercalation share are a tool for determining the effective application of technologies for the gas hydrate deposit development.Мета. Обґрунтування параметрів ефективного процесу дисоціації неоднорідних газогідратних покладів і розробка їх класифікації за затратами теплової енергії. Методика. Методичною основою проведених комплексних досліджень є аналіз і узагальнення літературних джерел, присвячених вивченню особливостей і термобаричних властивостей газових гідратів, аналітичні розрахунки й лабораторні екс- перименти щодо затрат теплової енергії для ефективного розкладання газогідратів, експериментальні дослідження процесу гідратоутворення й дисоціації газогідратних покладів неоднорідної структури. Результати. Обґрунтовані параметри формування й стабільного існування газогідратів у природних умовах, що необхідно враховувати при розробці газогідратних родовищ. Проаналізовані існуючі класифікації покладів газових гідратів в осадових породах. Встановлені закономірності процесу дисоціації газогідратних покладів і одержання газу метану в залежності від процентного вмісту породних включень. Визначені об’єми зон розкладання й вихід газу із неоднорідних газогідратних покладів. Розрахована кількість теплової енергії, що необхідно затратити для одержання 1000 м3 гідратного газу при розробці газогідратних родовищ. Наукова новизна. Встановлено, що затрати теплової енергії на протікання процесу дисоціації для одержання газу метану змінюються за параболічною залежністю зі збільшенням частки породних включень у газогідратному покладі. Розроблена нова класифікація газогідратних покладів за вмістом породних включень і кількістю затраченої теплової енергії на дисоціацію газогідрату. Практична значимість. Результати досліджень із достатньою для практичного застосування точністю можуть використовуватися при розробці газогідратних родовищ Чорного моря з метою отримання природного газу. Виявлені залежності виходу газу метану від частки породних включень є інструментарієм для визначення ефективної області застосування технологій розробки покладів газових гідратів. Ключові слова: газогідратний поклад, неоднорідність, класифікація, породні включення, дисоціація, затрати енергіїЦель. Обоснование параметров эффективного процесса диссоциации неоднородных газогидратных залежей и разработка их классификации по затратам тепловой энергии. Методика. Методической основой проведенных комплексных исследований является анализ и обобщение литературных источников, посвященных изучению особенностей и термобарических свойств газовых гидратов, аналитические расчеты и лабораторные эксперименты по затратам тепловой энергии для эффективного разложения газогидратов, экспериментальные исследования процесса гидратообразования и диссоциации газогидратных залежей неоднородной структуры. Результаты. Обоснованы параметры формирования и стабильного существования газогидратов в природных условиях, что необходимо учитывать при разработке газогидратных месторождений. Проанализированы существующие классификации залежей газовых гидратов в осадочных породах. Установлены закономерности процесса диссоциации газогидратных залежей и получения газа метана в зависимости от процентного содержания породных включений. Определены объемы зон разложения и выход газа из неоднородных газогидратных залежей. Рассчитано количество тепловой энергии, которую необходимо затратить для получения 1000 м3 гидратного газа при разработке газогидратных месторождений. Научная новизна. Установлено, что затраты тепловой энергии на протекание процесса диссоциации для получения газа метана изменяются по параболической зависимости с увеличением доли породных включений в газогидратной залежи. Разработана новая классификация газогидратных залежей по содержанию породных включений и количеству затраченной тепловой энергии на диссоциацию газогидрата. Практическая значимость. Результаты исследований с достаточной для практического применения точностью могут использоваться при разработке газогидратных залежей Черного моря с целью получения природного газа. Выявленные зависимости выхода газа метана от доли породных включений являются инструментарием для определения эффективной области применения технологий разработки залежей газовых гидратов.The presented results were obtained in the framework of the complex implementation of research papers GP-473 “Development of scientific principles of phase transformations of technogenic and natural gas hydrates and creation of the newest technologies of their extraction” (State registration No. 0115U002294) and GP-487 “Scientific substantiation and development of energy saving and low waste technologies of hydrocarbon and mineral raw materials extraction” (State registration No. 0116U008041)

Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку

Мета. Обґрунтування і розроблення принципової схеми, прийнятної для існуючого рівня техніки, способу видобування газових гідратів морських родовищ. Результати. Обґрунтовано основні процеси способу вилучення газогідрату із продуктивного пласта без витрати енергії на фазовий перехід на основі технології свердловинного гідровидобутку.Цель. Обоснование и разработка принципиальной схемы, приемлемой для существующего уровня техники, способа добычи газовых гидратов морских месторождений. Результаты. Обоснованы основные процессы способа извлечения газогидрата из продуктивного пласта без затрат энергии на фазовый переход на основе технологии скважинной гидродобычи.+Purpose. To substantiate and develop the principal schematics suitable for the existing technological level and method of gas hydrates production from the offshore fields. Findings. Basic processes related to the method of gas hydrate extraction from the productive stratum without energy consumption for phase transition on the basis of the hydraulic borehole mining technology are substantiated.Дана робота стала можливою завдяки фінансовій та організаційній підтримці в межах державних бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Застосування газогідратних технологій при розробці традиційних і газогідратних родовищ газу” (№ держреєстрації 0113U00857) та “Дослідження впливу термодинамічних параметрів фазових переходів у системах із газовими гідратами на ефективність газогідратних технологій” (№ держреєстрації 0115U002420). Автори роботи висловлюють свою подяку керівнику даних проектів – доктору технічних наук, професору, завідувачу кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету (м. Дніпро) Бондаренку Володимиру Іллічу за підтримку у проведенні досліджень

Peculiarities of geological and thermobaric conditions for the gas hydrate deposits occurence in the Black Sea and the prospects for their development

The actuality has been revealed of the necessity to attract the gas hydrate deposits of the Black Sea into industrial development as an alternative to traditional gas fields. This should be preceded by the identification and synthesis of geological and thermobaric peculiarities of their existence. It was noted that the gas hydrates formation occurs under certain thermobaric conditions, with the availability of a gas hydrate-forming agent, which is capable of hydrate formation, as well as a sufficient amount of water necessary to start the crystallization process. The gas hydrate accumulation typically does not occur in free space – in sea water, but in the massif of the sea bed rocks. The important role in the process of natural gas hydrates formation is assigned to thermobaric parameters, as well as to the properties and features of the geological environment, in which, actually, the process of hydrate formation and further hydrate accumulation occurs. It was noted that the source of formation and accumulation of the Black Sea gas hydrates is mainly catagenetic (deep) gas, but diagenetic gas also takes part in the process of gas hydrate deposits formation. The main component of natural gas hydrate deposits is methane and its homologs – ethane, propane, isobutane. The analysis has been made of geological and geophysical data and literature materials devoted to the study of the offshore area and the bottom of the Black Sea, as well as to the identification of gas hydrate deposits. It was established that in the offshore area the gas hydrate deposits with a heterogeneous structure dominate, that is, which comprises a certain proportion of aluminosilicate inclusions. It was noted that the Black Sea bottom sediments, beginning with the depths of 500 – 600 m, are gassy with methane, and a large sea part is favourable for hydrate formation at temperatures of +8...+9ºC and pressures from 7 to 20 MPa at different depths. The characteristics of gas hydrate deposits are provided, as well as requirements and aspects with regard to their industrialization and development. It is recommended to use the method of thermal influence on gas hydrate deposits, since, from an ecological point of view, it is the safest method which does not require additional water resources for its implementation, because water intake is carried out directly from the upper sea layers. A new classification of gas hydrate deposits with a heterogeneous structure has been developed, which is based on the content of rocks inclusions in gas hydrate, the classification feature of which is the amount of heat spent on the dissociation process

Shape Memory Alloy Rock Splitters (SMARS) - A Non-Explosive Method for Fracturing Planetary Rocklike Materials and Minerals

A static rock splitter device based on high-force, high-temperature shape memory alloys (HTSMAs) was developed for space related applications requiring controlled geologic excavation in planetary bodies such as the Moon, Mars, and near-Earth asteroids. The device, hereafter referred to as the shape memory alloy rock splitter (SMARS), consisted of active (expanding) elements made of Ni50.3Ti29.7Hf20 (at.%) that generate extremely large forces in response to thermal input. The preshaping (training) of these elements was accomplished using isothermal, isobaric and cyclic training methods, which resulted in active components capable of generating stresses in excess of 1.5 GPa. The corresponding strains (or displacements) were also evaluated and were found to be 2 to 3 percent, essential to rock fracturing and/or splitting when placed in a borehole. SMARS performance was evaluated using a test bed consisting of a temperature controller, custom heaters and heater holders, and an enclosure for rock placement and breakage. The SMARS system was evaluated using various rock types including igneous rocks (e.g., basalt, quartz, granite) and sedimentary rocks (e.g., sandstone, limestone)

Gas hydrate technology: state of the art and future possibilities for Europe

Interest in natural gas hydrates has been steadily increasing over the last few decades, with the understanding that exploitation of this abundant unconventional source may help meet the ever-increasing energy demand and assist in reduction of CO2 emission (by replacing coal). Unfortunately, conventional technologies for oil and gas exploitation are not fully appropriate for the specific exploitation of gas hydrate. Consequently, the technology chain, from exploration through production to monitoring, needs to be further developed and adapted to the specific properties and conditions associated with gas hydrates, in order to allow for a commercially and environmentally sound extraction of gas from gas hydrate deposits. Various academic groups and companies within the European region have been heavily involved in theoretical and applied research of gas hydrate for more than a decade. To demonstrate this, Fig. 1.1 shows a selection of leading European institutes that are actively involved in gas hydrate research. A significant number of these institutes have been strongly involved in recent worldwide exploitation of gas hydrate, which are shown in Fig. 1.2 and summarized in Table 1.1. Despite the state of knowledge, no field trials have been carried out so far in European waters. MIGRATE (COST action ES1405) aims to pool together expertise of a large number of European research groups and industrial players to advance gas-hydrate related activity with the ultimate goal of preparing the setting for a field production test in European waters. This MIGRATE report presents an overview of current technologies related to gas hydrate exploration (Chapter 2), production (Chapter 3) and monitoring (Chapter 4), with an emphasis on European activity. This requires covering various activities within different disciplines, all of which contribute to the technology development needed for future cost-effective gas production. The report points out future research and work areas (Chapter 5) that would bridge existing knowledge gaps, through multinational collaboration and interdisciplinary approaches

Electromagnetic imaging and deep learning for transition to renewable energies: a technology review

Electromagnetic imaging is a technique that has been employed and perfected to investigate the Earth subsurface over the past three decades. Besides the traditional geophysical surveys (e.g., hydrocarbon exploration, geological mapping), several new applications have appeared (e.g., characterization of geothermal energy reservoirs, capture and storage of carbon dioxide, water prospecting, and monitoring of hazardous-waste deposits). The development of new numerical schemes, algorithms, and easy access to supercomputers have supported innovation throughout the geo-electromagnetic community. In particular, deep learning solutions have taken electromagnetic imaging technology to a different level. These emerging deep learning tools have significantly contributed to data processing for enhanced electromagnetic imaging of the Earth. Herein, we review innovative electromagnetic imaging technologies and deep learning solutions and their role in better understanding useful resources for the energy transition path. To better understand this landscape, we describe the physics behind electromagnetic imaging, current trends in its numerical modeling, development of computational tools (traditional approaches and emerging deep learning schemes), and discuss some key applications for the energy transition. We focus on the need to explore all the alternatives of technologies and expertise transfer to propel the energy landscape forward. We hope this review may be useful for the entire geo-electromagnetic community and inspire and drive the further development of innovative electromagnetic imaging technologies to power a safer future based on energy sources.This work was supported by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreements No. 955606 (DEEP-SEA) and No. 777778 (MATHROCKS). Furthermore, the research leading of this study has received funding from the Ministerio de Educación y Ciencia (Spain) under Project TED2021-131882B-C42.Peer ReviewedPostprint (published version