Газовыми гидратами или гидратами природного газа называются кристаллические образования газа, например метана, и воды. Внешне они похожи на лед, и представляют собой твердую массу белого цвета. Один объем газогидрата может содержать от 160 до 180 объемов чистого природного газа.
Образование газогидратов возможно только при создании определенных термобарических условий: невысокие температуры или большое давление. Получить газогидраты можно даже при нуле градусов Цельсия, для этого необходимо лишь соблюдать давление в 25 атмосфер. Чаще всего благоприятные условия для формирования газогидратов встречаются в районах с холодным климатом.
Такие соединения газа и воды также называют «горящим льдом» из-за своей способности гореть и взрываться при нагреве. Такие соединения метана и воды считают одним из потенциальных источников энергии против традиционных полезных ископаемых.
Месторождения газогидратов
Газогидраты могут встречаться практически на всем пространстве мирового океана - на 90% территорий. На суше они встречаются на 23% территорий.
Специалисты сходятся во мнении, что содержащийся в литосфере природный газ в большинстве своем находится там в форме природных газовых гидратов. Общий объем газа, заключенного в гидратах оценивается в 2 - 5 квадриллионов кубических метров. Причем большая их часть находится в полярных широтах: вечная мерзлота создает благоприятный фон для их формирования. Содержание газогидратов в полярных широтах России, по разным экспертным оценкам, может составлять около 1 квадриллиона кубометров.
Кроме того, оптимальные условия для появления газогидратов возникают на глубине от 300 до 1200 метров в морях или океанах. Глубина образования зависит от температурно-климатического режима местности. В той же Арктике холодные воды океана позволяют газогидратам образовываться уже на глубине 250 - 300 метров.
При подъеме газового гидрата на поверхность он разлагается на метан и воду. Это связано с повышением температуры и уменьшением оказываемого давления.
Добыча газогидратов
В мае 2017 года сообщалось, что Китаю удалось осуществить успешную добычу метана из газовых гидратов Южно-Китайского моря. Процесс газодобычи был проведен в северной части моря на территории Шенху. Глубина моря в месте добычи достигала 1266 метров. При этом китайцам пришлось опуститься еще ниже уровня морского дна и пробурить скважину в 200 метров. Сообщалось, что добыча газа на 99,5% состоящего из метана достигала 16 тысяч кубометров в сутки. По заявлению китайских властей, эта пробная добыча стала переломным этапом.
Первые находки газогидратов а Южно-Китайском море относятся к 2007 году. Весь процесс по добыче газа из гидратов осуществлялся на плавучей платформе.
Ранее, в том же году, Япония заявила об успешном получении газа из газогидратов, расположенных в Тихом океане. Первая же успешная экспериментальная добыча была осуществлена японскими специалистами еще в 2013 году. По прогнозам экспертов, коммерческая газодобыча подобным образом должна заработать в Японии уже в 2023 году. Успешное развитие этого направления способно сделать Японию энергетически независимой страной. По разным оценками, ресурсы природного газа из гидратов способны решить проблему энергозависимости страны в ближайшие сто лет.
Международное энергетическое агентство оценивает промышленную разработку месторождений газогидратов в 175-350 долларов за тысячу кубометров. На сегодняшний день подобная добыча газа является самым дорогим способом.
Кроме Китая и Японии работу над подобным производством ускоряют Канада и США. Проекты по исследованию и разработке месторождений газогидратов ведут такие компании как BP, Chevron, ConocoPhillips, Schlumberger.
В России добыча газогидратов проводилась в 70-е годы на Мессояхском месторождении. Около 36% добытого газа было получено из гидратов. В 80-е годы Россия также вела поиски газовых гидратов в Охотском море на побережье Тихого океана. Однако исследования не привели к старту промышленных разработок.
Сложность добычи газогидратов определяется трудностями при их подъеме на поверхность, а также транспортировки и хранения из-за изменения внешних условий. Японская технология транспортировки и хранения газовых гидратов заключается в том, что с помощью специализированных механизмов создаются плотные блоки замороженного гидрата. После заморозки их загружают в резервуары с системой охлаждения, а затем доставляют контейнеры к месту газификации. Там же газогидраты разлагаются с помощью частичного нагрева емкостей и выделяют необходимый объем газа. После полного использования газа оставшуюся воду и контейнеры доставляются обратно.
Опасности добычи газогидратов
Основные экологические риски, связанные с добычей газогидратов, касаются вероятности больших выбросов метана, что может привести к изменению биосферы земли. Метан входит в число газов, которые вызывают парниковый эффект.
Неконтролируемые выбросы метана, вероятность появления которых есть при работе с глубоководными месторождениями, могут негативно повлиять на окружающую экологическую обстановку.
Кроме того, подводная добыча может привести к нарушению морского дна и изменению его рельефа. А это в свою очередь может стать причиной образования цунами
Газогидраты - относительно новый и потенциально обширный источник природного газа. Они представляют собой молекулярные соединения воды и метана, существующие при низких температурах и высоком давлении. За внешнее сходство газогидраты стали называть «горящим льдом». В природе газогидраты встречаются либо в зонах вечной мерзлоты, либо на глубоководье, что изначально создает трудные условия для их разработки.
В 2013 году Япония первой в мире провела успешную экспериментальную добычу метана из газогидратов на море. Это достижение заставляет пристальнее приглядеться к перспективам разработки газогидратов.Можно ли после «неожиданного» наступления сланцевой революции ожидать газогидратную революцию?
Предварительные оценки запасов газогидратов в мире свидетельствуют о том, что они на порядок превышают запасы конвенционального природного газа.Но, во-первых, они носят весьма приблизительный характер; во-вторых, лишь небольшая часть из них может быть добыта при текущем уровне развития технологий. И даже эта часть потребует огромных издержек и может быть связана с непредвиденными экологическими рисками. Тем не менее ряд стран, таких как США, Канада и страны азиатского региона, которые отличаются высокими ценами на природный газ и растущим спросом на него, проявляют большую заинтересованность в развитии разработки газогидратов и продолжают активно исследовать данное направление.
Эксперты отмечают высокую неопределенность в отношении будущего газогидратов и считают, что их промышленная разработка начнется не ранее чем через 10-20 лет, но упускать из виду этот ресурс нельзя.
Что такое газогидраты?
Газовые гидраты (клатраты) представляют собой твердые кристаллические соединения низкомолекулярных газов, таких как метан, этан, пропан, бутан и др., с водой. Внешне они напоминают снег или рыхлый лед. Они устойчивы при низких температурах и повышенном давлении; при нарушении указанных условий газогидраты легко распадаются на воду и газ. Самым распространенным природным газом-гидратообразователем является метан.
Техногенные и природные газогидраты
Различают техногенные и природные газовые гидраты.
Техногенные гидраты могут образовываться в системах добычи
конвенционального природного газа (в призабойной зоне, в
стволах скважин и т.д.) и при его транспортировке. В
технологических процессах добычи и транспортировки
конвенционального природного газа образование газогидратов
рассматривается как нежелательное явление, что предполагает
дальнейшее совершенствование методов их предупреждения и
ликвидации. В то же время техногенные газогидраты могут быть
использованы для хранения больших
объемов газа, в технологиях очистки и разделения газов, для
опреснения морской воды и в аккумулировании энергии для целей
охлаждения и кондиционирования.
Природные гидраты могут формировать скопления или находиться в рассеянном состоянии. Они встречаются в местах, сочетающих низкие температуры и высокое давление, таких как глубоководье (придонные области глубоких озер, морей и океанов) и зона вечной мерзлоты (арктический регион). Глубина залегания газогидратов на морском дне составляет 500-1 500 м, а в арктической зоне - 200-1 000 м.
Особое значение с точки зрения перспектив разработки месторождений газогидратов имеет наличие нижнего пласта свободного природного газа или свободной воды:
Свободный газ. В этом случае разработка газогидратных месторождений происходит способом, схожим с добычей конвенционального газа. Добыча свободного газа из нижнего пласта вызывает снижение давления в гидратонасыщенном пласте и разрушает границу между ними. Газ, полученный из газогидратов, дополняет газ, полученный из нижнего пласта. Это наиболее перспективное направление разработки месторождений газогидратов. Свободная вода. Когда под газогидратным месторождением находится вода, снижение давления в зоне гидратов может быть достигнуто за счет ее извлечения. Этот способ технически реализуем, но менее экономически привлекателен по сравнению с первым. Отсутствие нижнего слоя. Перспективы разработки газогидратных месторождений, снизу и сверху окруженных непроницаемыми осадочными породами, остаются туманными
Оценки ресурсов природных газогидратов в мире.
Оценки мировых ресурсов газогидратов с самого начала, а именно с 1970-х годов, носили противоречивый и отчасти спекулятивный характер. В 1970-1980-х годах они находились на уровне 100-1 000 квадрлн. куб. м, в 1990-х годах - снизились до 10 квадрлн. куб. м, а в 2000-е годы - до 100-1 000 трлн. куб. м.
Международное энергетическое агентство (МЭА) в 2009 году привело оценку в 1 000-5 000 трлн. куб. м, хотя значительный разброс сохраняется. Например, ряд текущих оценок указывают на наличие ресурсов газогидратов в 2 500-20 000 трлн. куб. м. Тем не менее даже с учетом значительного снижения оценок ресурсы газогидратов остаются на порядок выше ресурсов конвенционального природного газа, оцененных на уровне 250 трлн. куб. м (МЭА оценивает запасы конвенционального природного газа в 468 трлн. куб. м).
К примеру, возможные ресурсы газогидратов в США по типу месторождений показывает Рисунок (в сравнении с ресурсами природного газа). «Газогидратная пирамида» также отражает потенциал добычи газа из газогидратных месторождений различного типа. На вершине пирамиды находятся хорошо разведанные месторождения в Арктике вблизи существующей инфраструктуры, подобные месторождению Маллик в Канаде. Далее следуют менее изученные газогидратные образования со сходными геологическими характеристиками (на Северном склоне Аляски), но требующие развития инфраструктуры. По последним оценкам, технически извлекаемые ресурсы газогидратов Северного склона Аляски составляют 2,4 трлн. куб. м газа. Вслед за арктическими запасами расположены глубоководные месторождения средней и высокой насыщенности. Так как стоимость их разработки потенциально крайне высока, наиболее перспективным регионом для этого считается Мексиканский залив, где уже создана инфраструктура нефте- и газодобычи. Масштаб этих ресурсов пока не очень хорошо известен, но Служба управления минеральными ресурсами США ведет их изучение.
Рис 1 «Газогидратнаяпирамида»
У подножия пирамиды (Рисунок 2) обозначены скопления газогидратов, которые характеризуются крайне неравномерным распределением в больших объемах мелкозернистых и недеформированных осадочных пород. Типичный пример такого скопления - глубоководное месторождение у хребта Блейк (побережье американского штата Каролина). При текущем уровне развития технологий их разработка не представляется возможной.
В промышленном масштабе
В промышленном масштабе добыча метана из газогидратных залежей нигде в мире не ведется, и запланирована она только в Японии - на 2018-2019 годы. Тем не менее ряд стран реализуют исследовательские программы. Наиболее активны здесь США, Канада и Япония.
Дальше всех в изучении потенциала разработки залежей газогидратов продвинулась Япония. В начале 2000-х годов страна начала реализацию программы по освоению газогидратов. Для ее поддержки по решению государственных органов был организован исследовательский консорциум MH21, нацеленный на создание технологической основы промышленной разработки залежей газогидратов. В феврале 2012 года Японская национальная корпорация по нефти, газу и металлам (JOGMEC) начала пробное бурение скважин в Тихом океане, в 70 км к югу от полуострова Ацуми, для получения гидратов метана. А в марте 2013 года Япония (первой в мире) приступила к тестовому извлечению метана из газогидратов в открытом море. По оценке JOGMEC, с имеющимися запасами метангидратов на шельфе страны Япония может покрыть свои потребности в природном газе на 100 лет вперед.
В области освоения газогидратов Япония развивает научное сотрудничество с Канадой, США и другими странами. В Канаде действует обширная исследовательская программа; совместно с японскими специалистами проводилось бурение скважин в устье реки Маккензи (месторождение Маллик). Исследовательские проекты газогидратов США сосредоточены в зоне вечной мерзлоты на Аляске и на глубоководье в Мексиканском заливе.
Менее масштабные, но тем не менее заметные исследования газогидратов проводят такие страны, как Южная Корея, Китай и Индия. Южная Корея занимается оценкой газогидратного потенциала в Японском море. Исследования показали, что наиболее перспективно для дальнейшей разработки месторождение Уллеунг. Индия создала свою национальную исследовательскую программу по газогидратам в середине 1990-х годов. Главным объектом ее исследований является месторождение Кришна-Годавари в Бенгальском заливе.
Китайская программа по газогидратам включает исследования шельфа Южно-Китайского моря вблизи провинции Гуандун и вечной мерзлоты на плато Цинхай в Тибете.Ряд других стран, в числе которых Норвегия, Мексика, Вьетнам и Малайзия, такжепроявляют интерес к исследованиям газогидратов. Исследовательские программы по изучению газогидратов есть и в Европейском союзе: например, в 2000-е годы действовала программа HYDRATECH (Техника оценки метангидратов на европейскомшельфе) и программа HYDRAMED (Геологическая оценка газогидратов в Средиземном море). Но европейские программы отличает акцент на научных и экологических вопросах.
Газогидраты в России
Россия обладает собственными месторождениями газогидратов. Их наличие подтверждено на дне озера Байкал, Черного, Каспийского и Охотского морей, а также на Ямбургском, Бованенковском, Уренгойском, Мессояхском месторождениях. Разработка газогидратов на этих месторождениях не велась, а их наличиерассматривалось как фактор, усложняющий разработку конвенционного газа (в случае его наличия). Также высказываются предположения, подтверждаемые теоретической аргументацией, о наличии большого числа месторождений газогидратов на всей площади арктического шельфа России.
Геологические исследования газогидратов начались в СССР еще в 1970-е годы. В современной России в основном проводятся лабораторные исследования газогидратов: например, создание технологий предотвращения их образования в газотранспортных системах или определение их физических, химических и иных свойств. Среди центров изучения газогидратов в России можно отметить МГУ, Сибирское отделение РАН, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Университет нефти и газа им. Губкина.
В 2003 году прикладные исследования по оценке газогидратного
потенциала в России инициировало ОАО «Газпром».
Предварительные оценки «Газпрома ВНИИГАЗ» указывают на
наличие в стране ресурсов газогидратов в 1 100 трлн. куб. м.
В середине 2013 года появилась информация о том, что
Дальневосточный геологический институт РАН предложил
«Роснефти» изучить возможность добычи газовых гидратов на
шельфе Курил, оценивая их потенциал в 87 трлн. куб. м.
Специализированные государственные программы по исследованию
и добыче газогидратов по примеру отмеченных выше стран в
России отсутствуют. В Генеральной схеме развития газовой
отрасли до 2030 года газогидраты упоминаются
лишь один раз в контексте ожидаемых направлений
научно-технического прогресса.
В целом разработка газогидратов в России из подтвержденных месторождений представляется перспективной после значительного удешевления технологии и только в районах с уже существующей газотранспортной инфраструктурой.
Газовые гидраты – это твердые растворы, растворителем которых является кристаллическая решетка состоящая из молекул воды. Внутри воды размещаются молекулы «растворенного газа», размеры которых определяют возможность образования гидратов только из метана, этана, пропана и изобутана. Для образования газовых гидратов необходимы низкие температуры и давления, сочетания которых возможно в пластовых условиях лишь в районах развития мощной толщи многолетней мерзлоты.
По различным оценкам, запасы земных углеводородов в гидратах составляют от 1,8·10 5 до 7,6·10 9 км³. Сейчас природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата.
Образование газовых гидратов
Газовые гидраты подразделяются на техногенные (искусственные) и природные (естественные). Все известные газы при определенных давлениях и температурах образуют кристаллогидраты, структура которых зависит от состава газа, давления и температуры. Гидраты могут стабильно существовать в широком диапазоне давлений и температур. Например, гидрат метана существует при давлениях от 2*10 -8 до 2*10 3 MPa и температурах от 70 до 350 K.
Некоторые свойства гидратов уникальны. Например, один объем воды при переходе в гидратное состояние связывает 207 объемов метана. При этом ее удельный объем возрастает на 26% (при замерзании воды ее удельный объем возрастает на 9%). 1 м 3 гидрата метана при P=26 атм и Т=0°С содержит 164 объема газа. При этом на долю газа приходится 0.2 м 3 , на воду 0,8 м 3 . Удельный объем метана в гидрате соответствует давлению порядка 1400 атм. Разложение гидрата в замкнутом объеме сопровождается значительным повышением давления. На рисунке 3.1.1 дана диаграмма условий существования гидрата некоторых компонентов природного газа в координатах давление-температура.
Рисунок 3.1.1 - Кривые газо-гидрато-образования для некоторых компонентов природного газа.
Для образования газогидрата необходимы следующие три условия:
1. Благоприятные термобарические условия. Образованию газогидратов благоприятствует сочетание низкой температуры и высокого давления.
2. Наличие гидратообразующего вещества. К гидратообразующим веществам относятся метан, этан, пропан, двуокись углерода и др.
3. Достаточное количество воды. Воды не должно быть ни слишком мало, ни слишком много.
Для предотвращения газогидратообразования достаточно исключить одно из трёх условий.
Природные газовые гидраты представляют собой метастабильный минерал, образование и разложение которого зависит от температуры, давления, химического состава газа и воды, свойств пористой среды и др.
Морфология газогидратов весьма разнообразна. В настоящее время выделяют три основных типа кристаллов:
· массивные кристаллы. Формируются за счёт сорбции газа и воды на всей поверхности непрерывно растущего кристалла;
· вискерные кристаллы. Возникают при туннельной сорбции молекул к основанию растущего кристалла;
· гель-кристаллы. Образуются в объёме воды из растворённого в ней газа при достижении условий гидратообразования.
В пластах горных пород гидраты могут быть как распределены в виде микроскопических включений, так и образовывать крупные частицы, вплоть до протяжённых пластов многометровой толщины.
Благодаря своей клатратной структуре единичный объём газового гидрата может содержать до 160-180 объёмов чистого газа. Плотность гидрата ниже плотности воды и льда (для гидрата метана около 900 кг/м³).
Ускоренному образованию газовых гидратов способствуют следующие явления:
· Турбулентность. Образование газовых гидратов активно протекает на участках с высокими скоростями потока среды. При перемешивании газа в трубопроводе, технологическом резервуаре, теплообменнике и т.п. интенсивность газогидратообразования возрастает.
· Центры кристаллизации. Центр кристаллизации представляет собой точку, в которой имеются благоприятные условия для фазового превращения, в данном случае – образования твердой фазы из жидкой.
· Свободная вода. Наличие свободной воды не является обязательным условием для гидратообразования, однако интенсивность этого процесса в присутствии свободной воды значительно возрастает. Кроме того, поверхность раздела фаз вода-газ является удобным центром кристаллизации для образования газогидратов.
Строение гидратов
В структуре газогидратов молекулы воды образуют ажурный каркас (то есть решётку хозяина), в котором имеются полости. Установлено, что полости каркаса обычно являются 12- («малые» полости), 14-, 16- и 20-гранниками («большие» полости), немного деформированными относительно идеальной формы. Эти полости могут занимать молекулы газа («молекулы-гости»). Молекулы газа связаны с каркасом воды ван-дер-ваальсовскими связями. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой M·n·H 2 O, где М - молекула газа-гидрато-образователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включённую молекулу газа, причём n - переменное число, зависящее от типа гидрато-образователя, давления и температуры.
Полости, комбинируясь между собой, образуют сплошную структуру различных типов. По принятой классификации они называются КС, ТС, ГС - соответственно кубическая, тетрагональная и гексагональная структура. В природе наиболее часто встречаются гидраты типов КС-I (англ. sI), КС-II (англ. sII), в то время как остальные являются метастабильными.
Таблица 3.2.1 - Некоторые структуры клатратных каркасов газовых гидратов.
Рисунок 3.2.1 - Кристаллические модификации газогидратов.
При повышении температуры и уменьшении давления гидрат разлагается на газ и воду с поглощением большого количества теплоты. Разложение гидрата в замкнутом объёме либо в пористой среде (естественные условия) приводит к значительному повышению давления.
Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук, и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа. Для них характерна аномально низкая теплопроводность (для гидрата метана при 273 К в пять раз ниже, чем у льда).
Для описания термодинамических свойств гидратов в настоящее время широко используется теория Ван-дер-Ваальса - Платтеу. Основные положения данной теории:
· решётка хозяина не деформируется в зависимости от степени заполнения молекулами-гостями либо от их вида;
· в каждой молекулярной полости может находиться не более одной молекулы-гостя;
· взаимодействие молекул-гостей пренебрежимо мало;
· к описанию применима статистическая физика.
Несмотря на успешное описание термодинамических характеристик, теория Ван-дер-Ваальса - Платтеу противоречит данным некоторых экспериментов. В частности, показано, что молекулы-гости способны определять как симметрию кристаллической решётки гидрата, так и последовательность фазовых переходов гидрата. Помимо того, обнаружено сильное воздействие гостей на молекулы-хозяева, вызывающее повышение наиболее вероятных частот собственных колебаний.
Большинство природных газов (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, изобутан и т. п.) образуют гидраты, которые существуют при определённых термобарических условиях. Область их существования приурочена к морским донным осадкам и к областям многолетнемёрзлых пород. Преобладающими природными газовыми гидратами являются гидраты метана и диоксида углерода.
При добыче газа гидраты могут образовываться в стволах скважин, промышленных коммуникациях и магистральных газопроводах. Отлагаясь на стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность. Для борьбы с образованием гидратов на газовых промыслах вводят в скважины и трубопроводы различные ингибиторы(метиловый спирт, гликоли, 30%-ный раствор CaCl2), а также поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляцией трубопроводов и подбором режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективна газоосушка - очистка газа от паров воды.
Состав и свойства воды
Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) - 361,13 млн км 2 . На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % - ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды). Бо́льшая часть земной воды - солёная, непригодная для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах.
Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля.
Химический состав воды
Вода (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение с химической формулой Н 2 O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном - водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях). Составляет приблизительно около 0,05 массы Земли.
Состав воды можно выяснить с помощью реакции разложения электрическим током. Образуется два объема водорода на один объем кислорода (объем газа пропорционален количеству вещества):
2H 2 O = 2H 2 + O 2
Вода состоит из молекул. Каждая молекула содержит два атома водорода, соединенные ковалентными связями с одним атомом кислорода. Угол между связями около 105º.
Национальный минерально-сырьевой университет Горный
Научный руководитель: Гульков Юрий Владимирович, кандидат технических наук, Национальный минерально-сырьевой университет Горный
Аннотация:
В данной статье рассматриваются химические и физические свойства газовых гидратов, история их изучения и исследования. Кроем того, рассматриваются основные проблемы, препятствующие организации коммерческой добычи газовых гидратов.
In this article we describes chemical and physical characteristics of gas hydrates, the history of their study and research. In addition, the basic problems hindering the organization of commercial production of gas hydrates аре considered.
Ключевые слова:
газогидраты; энергетика; коммерческая добыча; проблемы.
gas hydrates; power engineering; commercial extraction; рroblems.
УДК 622.324
Введение
Первоначально человек использовал собственные силы как источник энергии. Через некоторое время на помощь пришли энергия дерева и органики. Около века назад основным энергоресурсом стал уголь, через 30 лет его первенство разделила нефть. Сегодня энергетика мира зиждется на триаде газ-нефть-уголь. Однако, в 2013 году это равновесие было смещено с в сторону газа японскими энергетиками. Япония- мировой лидер импорта газа. Государственная корпорация нефти, газа и металлов (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) сумела первой в мире получить газ из гидрата метана на дне Тихого океана с глубины 1,3 километра . Пробная добыча длилась всего 6 недель, не смотря на то, что в плане рассматривалась двухнедельная добыча, было добыто 120 тыс куб м природного газа Это открытие позволит стране стать независимой от импорта, в корне изменить свою экономику. Что такое газогидрат и как он может повлиять на мировую энергетику?
Целью данной статьи является рассмотрение проблем в освоении газогидратов.
Для этого были поставлены следующие задачи:
- Изучить историю исследования газогидратов
- Изучить химические и физические свойства
- Рассмотреть основные проблемы освоения
Актуальность
Традиционные ресурсы распределены по Земле не равномерно, кроме того, они ограничены. По современным оценкам запасов нефти по сегодняшним меркам потребления хватит на 40 лет, энергоресурсов природного газа- на 60-100. Мировые же запасы сланцевого газа оцениваются примерно в 2 500-20 000 трлн. куб. м. Это энергетический резерв человечества более чем на тысячу лет Коммерческая добыча гидратов подняла бы мировую энергетику на качественно новый уровень. Другими словами, изучение газогидратов открыло перед человечеством альтернативный источник энергии. Но существует и ряд серьезных препятствий их изучению и коммерческой добычи.
Историческая справка
Возможность существования газогидратов была предсказала Стрижовым И.Н., но он говорил о нецелесообразности их добычи. Гидрат метана в лаборатории впервые получил Виллар в 1888 году, вместе с гидратами других легких углеводородов. Первоначальные столкновения с газогидратами, рассматривались как проблемы и помехи в добыче энергии. В первой половине XX века было установлено, что газогидраты являются причиной пробкообразования в газопроводах, расположенных в арктических районах (при температуре выше 0 °С). В 1961г. было зарегистрировано открытие Васильева В.Г., Макагона Ю.Ф., ТребинаФ.А., Трофимука А.А., Черского Н.В. «Свойство природных газов находиться в твердом состоянии вземной коре» , возвестившее о новом природном источнике углеводородов- газогидрате. После этого заговорили об исчерпаемости традиционных ресурсов громче, и уже через 10 лет было обнаружено первое месторождения газогидратов в январе 1970 в Заполярье, на границе Западной Сибири, оно носит название Мессояхское. Далее были проведены крупные экспедиции ученых как СССР, так и многих других стран.
Слово химии и физики
Газогидраты - это молекулы газа, облепленные вокруг молекулами воды, словно «газ в клетке». Это называется водный клатратный каркас. Представьте, что летом вы поймали бабочку в ладони, бабочка- это газ, ваши ладони-молекулы воды. Т.к вы охраняете бабочку от внешних воздействий, но она сохранит свою красоту и индивидуальность. Так и газ ведет себя в клатратном каркасе.
В зависимости от условий образования и состояния гидратообразователя внешне гидраты выглядят в виде четко выраженных прозрачных кристаллов разнообразной формы или представляют собой аморфную массу плотно спрессованного «снега».
Гидраты залегают при определенных термобарических условиях- фазовое равновесие. При атмосферном давлении газовые гидраты природных газов существуют вплоть до 20-25 °C. Благодаря своей структуре единичный объём газового гидрата может содержать до 160—180 объёмов чистого газа. Плотность гидрата метана около 900 кг/м³, что ниже плотности воды и льда. При нарушении фазового равновесия: повышении температуры и/ или уменьшении давления гидрат разлагается на газ и воду с поглощением большого количества теплоты. Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук, и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа, обладают низкой теплопроводностью.
Разработка
Газогидраты труднодоступны,т.к. к настоящему времени установлено, что около 98% залежей газогидратов сосредоточены на шельфе и континентальном склоне океана, на глубинах воды более 200 - 700 м, и только всего 2% - в приполярных частях материков. Поэтому, проблемы в освоении коммерческой добычи газовых гидратов встречаются уже на этапе разработки их месторождений.
На сегодняшний день существует несколько методов обнаружения залежей газовых гидратов: сейсмическое зондирование, гравиметрический метод, измерение теплового и диффузного потоков над залежью, изучение динамики электромагнитного поля в исследуемом регионе и др.
При сейсмическом зондировании используются данные двухмерной (2-D) сейсморазведки при наличии свободного газа под гидратонасыщенным пластом определяется нижнее положение гидратонасыщенных пород. Но при сейсморазведке нельзя обнаружить качество залежи, степень гидратонасыщенности пород. Кроме того, сейсморазведка не применима на сложных рельефах.Но она выгодна более всех с экономической стороны, однако, лучше ее использовать в дополнении с другими методами.
Например, пробелы можно заполнить применив в дополнении с сейсморазведке электромагнитную разведку. Она позволит более точно охарактеризовать породу, благодаря индивидуальным сопротивлениям в точках залегания газогидратов. Министерство энергетики США планирует проводить ее с 2015 года. Сейсмоэлектромагнитный способ применялся для разработки Черноморских месторождений.
Также рентабельно разрабатывать месторождение насыщенных залежей комбинированным методом разработки, когда процесс разложения гидратов сопровождается снижением давления с одновременным тепловым воздействием. Понижение давления позволит сэкономить тепловую энергию, затрачиваемую на диссоциацию гидратов, а прогрев поровой среды будет препятствовать повторному образованию газогидратов в призабойной зоне пласта.
Добыча
Следующим камнем преткновения является непосредственно добыча гидратов. Гидраты залегают в твердой форме, что вызывает трудности. Так как газогидрат залегает в определенных термобарических условиях, то при нарушении одного из них он будет разлагаться на газ и воду, в соответствии с этим были разработаны следующие технологии извлечения гидратов.
1. Разгерметизация:
Выводы гидрат из фазового равновесия он разложится на газ и воду. Эта технология славится своей тривиальностью и экономической целесообразностью, кроме того на ее плечи ложится успех первой добычи японцев 2013 года. Но не все так радужно: образовавшаяся вода при низких температурах может закупорить оборудование. Кроем того, технология действительно эффективна, т.к. при проведении пробной добычи метана на месторождении Маллик за 5,5 дней было добыто 13 000 куб. м газа, что во много раз превышает показатели добычи на этом же месторождении по технологии нагревания — 470 куб. м газа за 5 дней. (см. таблица)
2. Нагревание:
Снова нужно разложить гидрат на газ и воду но уже по средствам подведения тепла. Подвод тепла может осуществляться разными способами: впрыскивание теплоносителя, циркуляция горячей воды, нагрев паром, нагрев электричеством. Хотелось бы остановиться на интересной технологии придуманий исследователями из Дортмундского университета. Проект предполагает прокладку трубопровода до залежей газогидратов на морском дне. Особенность его в том, что у трубы двойные стенки. По внутренней трубе к месторождению подается морская вода, нагретая до 30-40˚С, температуры фазового перехода, и пузырьки газообразного метана вместе с водой поднимаются по внешней трубе наверх. Там метан отделяется от воды, отправляется в цистерны или в магистральный трубопровод, а теплая вода возвращается вниз, к залежам газогидратов. Однако, этот метод добычи требует высоких затрат, постоянного увеличения подводимого количества теплоты. При этом газогидрат разлагается медленнее.
3. Введение ингибитора:
Также для разложения гидрата использую ввод ингибитора. В Институте Физики и Технологии Университета Бергена в качестве ингибитора рассмотрели углекислый газ. С помощью этой технологии можно получить метан без непосредственной добыче самих гидратов. Этот метод уже тестируется Японской Национальной Корпорацией Нефти, Газа и Металлов (JOGMEC) при поддержке Американского Департамента Энергетики. Но эта технология таит в себе экологическую опасность, требует высоких затрат. Реакции при этом протекает медленнее.
|
Название проекта |
Дата |
Страны-участницы |
Компании |
Технология |
|
Маллик, Канада |
Япония, Канала США, Германия, Индия |
JOGMEC, BP, Chevron Texaco |
Нагреватель (теплоноситель-вода) |
|
|
Северный склон Аляски, США |
США, Япония |
Conoco Phillips, JOGMEC |
Инъекция углекислого газа, ввод ингибитора |
|
|
Аляска, США |
BP, Schlumberger |
Бурение с целью изучения свойств газогидрата |
||
|
Маллик, Канада |
Япония, Канада |
JOGMEC в составе частного государственного консорциума |
Разгерметизация |
|
|
Огонь во льду (Ignik Sikumi ), Аляска, США |
США, Япония, Норвегия |
Conoco Phillips, JOGMEС, университет Бергена (Норвегия) |
Инъекция углекислого газа |
|
|
Совместный проект (Joint Industry Project ) Мексиканский залив, США |
Chevron как лидер консорциума |
Бурение с целью изучения геологии залегания газогидратов |
||
|
Вблизи полуострова Ацуми, Япония |
JOGMEC, JAPEX, Japan Drilling |
Разгерметизация |
Источник - аналитический центр по материалам открытых источников
Технологии
Еще одной причиной неосвоенности коммерческой добычи гидратов -отсутствие технология для их выгодной добычи, что провоцирует большие капиталовложения. В зависимости от технологии, встречаются разные барьеры: эксплуатация специального оборудования для введения химических элементов и/или локального нагрева для избегания повторного образования газогидратов и закупоривания скважин; применения технологий, препятствующих добыче песка.
Например, в 2008 году по предварительным оценкам для месторождения Маллик в канадской Арктике указывали на то, что издержки разработки варьируются в пределах 195-230 долл./тыс. куб. м для газогидратов, расположенных над свободным газом, и в пределах 250- 365 долл./тыс. куб. м для газогидратов, расположенных над свободной водой.
Для решения этой проблем необходимо популяризовать коммерческую добычу гидратов среди научных кадров. Организовывать больше научных конференций, конкурсов для усовершенствования старого либо создания нового оборудования, что могло бы обеспечить меньше издержки.
Экологическая опасность
Более того, разработка газогидратных месторождений неизбежно приведет к увеличению объемов выброса природного газа в атмосферу и, как следствие, к усилению парникового эффекта. Метан является мощным парниковым газом и, несмотря на то, что его время жизни в атмосфере меньше, чем у СО₂, потепление, вызванное выбросами в атмосферу больших количеств метана, будет в десятки раз быстрее, чем потепление, вызванное углекислым газом. Кроме этого, если глобальное потепление, парниковый эффект или по другим причинам будет вызван распад хотя бы одного месторождения газогидратов, то это вызовет колоссальный выброс метана в атмосферу. И, словно лавина, от одного залегания до другого, это приведет к глобальным изменения климата на Земле, а последствия этих изменений даже приблизительно предсказать нельзя.
Во избежание этого необходима интеграция данных комплексных анализов разведки, прогнозирование возможных поведения залежей.
Детонация
Еще одной нерешенной задачей для добытчиков становится весьма неприятное свойство газогидратов «детонировать» при самых незначительных сотрясениях. При этом кристаллы быстро проходят фазу трансформации в газообразное состояние, и обретают объем в несколько десятков раз превышающий исходный. Поэтому в сообщениях японских геологов очень аккуратно говорится о перспективе разработки метангидратов - ведь катастрофа буровой платформы Deepwater Horizon, по мнению ряда ученых, включая профессора Калифорнийского университета в Беркли Роберта Би, стала следствием взрыва гигантского пузыря метана, который образовался из потревоженных буровиками донных залежей гидратов.
Добыча нефти и газа
Газогидраты рассматриваются не только со стороны энергетического ресурса, чаще с ними сталкиваются при добычи нефти. И снова мы обратимся к гибели платформы Deepwater Horizon в Мексиканском заливе. Тогда для контроля над вырывающейся нефтью соорудили специальный короб, который планировали поставить над аварийным устьем скважины. Но нефть оказалась весьма газированной, и метан стал образовывать на стенках короба целые наледи газогидратов. Они примерно на 10% легче воды, и когда количество газогидратов стало достаточно большим, они просто стали поднимать короб, что, в общем-то, заранее предсказывалось специалистами.
С той же проблемой столкнулись при добыче традиционного газа. Кроме «природных» газовых гидратов, образование газовых гидратов является большой проблемой в магистральных газопроводах, расположенных в условиях умеренного и холодного климата, поскольку газовые гидраты способны забить газопровод и снизить его пропускную способность. Для того, чтобы этого не происходило, в природный газ добавляют небольшое количество ингибитора и ли же просто используют подогрев.
Эти проблемы решают такими же способами как и при добычи: понижая давления, нагревая, вводя ингибитор.
Заключение
В данной статье были рассмотрены барьеры, стоящие на пути коммерческой добычи газогидратов. Они встречаются уже на этапе разработке газовых месторождений, непосредственно при самой добычи. Кроме того, на данный момент газогидраты являются проблемой при нефте- и газодобычи. На сегодняшний день, впечатляющие запасы газогидратов, экономическая рентабельность требуют накопления информации и уточнений. Специалисты до сих пор находятся в поиске оптимальных решений разработки газигидратных месторождений. Но с развитием технологий стоимость разработки залежей должна снизиться.
Библиографический список:
1. Васильев А., Димитров Л. Оценка пространственного распределения и запасов газогидратов в Черном море // Геология и геофизика. 2002. №7. т. 43.
2. Дядин Ю. А., Гущин А.Л. Газовые гидраты. // Соросовский образовательный журнал, №3, 1998, с. 55–64
3. Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы. – 70 с.
4. Трофимук А. А., Макогон Ю. Ф., Толкачев М. В., Черский Н. В. Особенности обнаружения разведки и разработки газогидратных залежей -2013 г. [Электронный ресурс] http://vimpelneft.com/fotogalereya/6-komanda-vymlnefti/detail/32-komanda-vympelnefti
5. Химия и Жизнь, 2006, №6, стр. 8.
6. The Day The Earth Nearly Died – 5. 12. 2002 [электронный ресурс] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayearthdied.shtml
Рецензии:
1.12.2015, 12:12 Мордашев Владимир Михайлович
Рецензия
: Статья посвящена широкому кругу проблем, связанных с актуальной задачей освоения газогидратов - перспективного энергетического ресурса. Решение этих проблем потребует, в том числе, анализа и обобщения разнородных данных научных и технологических исследований, носящих зачастую неупорядоченный, хаотический характер. Поэтому рецензент рекомендует авторам в своей дальнейшей работе обратить внимание на статью "Эмпиризм для хаоса", сайт, №24, 2015, с. 124-128.
Статья "Проблемы освоения газогидратов" представляет несомненный интерес для широкого круга специалистов, её следует опубликовать.
18.12.2015 2:02 Ответ на рецензию автора Курикова Полина Робертовна
:
Ознакомилась со статьей, при дальнейшей разработке темы,решении освещенных проблем, буду пользоваться данными рекомендациями. Благодарю.