газовые гидраты на шельфе мирового океана – энергетические
advertisement
ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2015 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РИСКОВ УДК 553.981.02.04 ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ НА ШЕЛЬФЕ МИРОВОГО ОКЕАНА – ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ М.В. Минина, А.В. Митько, В.Б. Митько Российский государственный гидрометеорологичсекий университет, Санкт-Петербург Статья посвящена проблемам газовых гидратов как новым источникам природного газа благодаря весьма значительным ресурсам, неглубокому залеганию и концентрированному состоянию в них газа, а также проблеме их промышленной добычи и возможным экологическим рискам. Ключевые слова: Российский север, шельф Арктическиъх морей, газогидраты, метан гидратов, климат, пласты гидратов, шельф Мирового океана, промышленная добыча метана, экологические риски ВВЕДЕНИЕ Совершенно очевидно, что мировые запасы газа и нефти не бесконечны. Об этом уже давно задумались в развитых странах, а ученые-аналитики приходят к неутешительным выводам, что этих запасов хватит примерно на 50-60 лет [11]. Что же предлагают в различных странах по поводу ТЭК будущего? РАЗДЕЛ 1. РАЗРАБОТАННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ Существует большое количество различных проектов на этот счет. И сейчас более всего возрастает интерес к проблеме газовых гидратов. Связано это с признанием того факта, что газовые гидраты могут стать новым источником природного газа благодаря весьма значительным ресурсам, неглубокому залеганию и концентрированному состоянию в них газа [10]. Помимо того, что все озабочены запасами топливных ресурсов и их добычей, в результате различных исследований накапливаются данные, свидетельствующие о важной роли процессов образования и разложения газовых гидратов в глобальных природных процессах [2]. Большинство природных газов образуют гидраты или клатраты – кристаллические структуры, в которых газ находится в окружении молекул воды, удерживаемых вместе низкой температурой и высоким давлением. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим, т.е. к соединениям переменного состава. В структуре газогидратов молекулы воды образуют ажурный каркас (так называемую «решетку хозяина»), в котором имеются полости (см. рис.1). 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*nH2O, где М – молекула газогидратообразователя, n – число, показывающее количество молекул воды, приходящихся на одну молекулу газа (n может изменяться от 5.75 до 17). При этом 1 м3 воды может связать до 220 м3 метана. Структура I Структура II Структура III Рис.1. Типовые кристаллические структуры газогидратов _______________________________________________________________________________________________________________________ 2 МИНИНА, МИТЬКО // ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2015 Гидрат метана напоминает лед, или спрессованный снег, который способен гореть, словно газовая горелка, если его поджечь [1]. РАЗДЕЛ 2. РЕТРОСПЕКТИВА МЕТОДОВ ДОБЫЧИ МЕТАНГИДРАТОВ Впервые гидраты газов (сернистого газа и хлора) наблюдали ещё в конце XVIII века Дж. Пристли, Б. Пелетье и В. Карстен. В 1940-е годы советские учёные высказывают гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты (Стрижов, Мохнаткин, Черский), и в 1965 г. Юрий Макагон заявил о возможности существования газогидратных залежей в природе, а полтора года спустя в Заполярье нашли Мессояхское месторождение, где свободный газ находился под пластом газогидратов. Это достижение было зарегистрировано как научное открытие. Клатратная природа газовых гидратов подтверждена в 1950-е гг. после рентгеноструктурных исследований Штакельберга и Мюллера, работ Полинга, Клауссена [9]. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива. По различным оценкам, запасы углеводородов в гидратах составляют от 1.8·1014 до 7.6·1018 м³. Выясняется также их широкое распространение в океанах и криолитозонематериков. Месторождения гидратов метана встречаются в виде рассеянных крупинок или тонких пластов. Постоянным спутником и источником образования гидратов метана является так называемый «свободный газ» (free gas), который находится под их залежами. Залежи гидратов метана и сопутствующего им «свободного газа» образуются в пределах верхних 1,5 км отложений морского дна, при этом эшелон глубины 200-800 метров ниже уровня морского дна рассматривается перспективным для их промышленной разработки [8]. Давление и температура, необходимые для устойчивого существования в природе гидрата метана, встречаются в районах вечной мерзлоты (Западная Сибирь, Аляска) и на дне океана. Однако твердый гидрат не образуется до тех пор, пока концентрация метана не превысит концентрацию насыщения. Только в определенных участках донных отложений концентрация метана настолько высока, что он начинает проникать в пустоты между частицами породы. К настоящему времени установлено, что около 98% залежей газогидратов являются аквамаринными и сосредоточены на шельфе и континентальном склоне Мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Северной Азии, Норвегии, Японии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях), на глубинах воды более 200-700 м, и только всего 2% – в приполярных частях материков (рис. 2). Сегодня установлено свыше 220 газогидратных залежей. Многие страны приняли национальные программы по изучению и освоению этих месторождений. На сегодняшний день лидерами на газогидратном направлении являются Япония, Корея и Индия. Все три страны являются крупными импортерами энергоресурсов, и поэтому считают разработку газогидратных месторождений приемлемой альтернативой зарубежным закупкам. Так же большие надежды на газогидратный газ возлагает Украина; США и Канада активно занимаются его исследованием [9]. Рис.2. Известные и перспективные залежи (месторождения) гидрата метана © Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова ФАМИЛИЯ И.О. // ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2015 3 В России же основные направления поиска газогидратов сейчас сосредоточены в Охотском море и на озере Байкал. Однако наибольшие перспективы обнаружения залежей гидратов с промышленными запасами связаны с Восточно-Мессояхским месторождением в Западной Сибири. Интерес также представляют акватории юга России – Черного и Каспийского морей [1]. Что касается методов обнаружения залежей гидратов метана, то одним из основных и наиболее эффективных сегодня является акустическое зондирование отложений морского дна. Трудности извлечения метана из газогидратов связаны с тем, что месторождения залегают на больших глубинах. Чтобы получить метан, надо превратить газогидрат в газ, т.е. разрушить его, и отобрать пузыри газа в емкости [6]. Рис.3. Методы вызова притока газа из гидратного пласта РАЗДЕЛ 3.ПЕРСПЕКТИВЫ ДОБЫЧИ МЕТАНГИДРАТОВ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА БУДУЩЕГО Сейчас рассматриваются только три основных метода вызова притока газа из гидратного пласта (рис.3): понижение давления ниже равновесного давления; нагрев гидратосодержащих пород выше равновесной температуры, а также их комбинация. Все они основаны на применении диссоциации – процесса, в ходе которого вещество распадается на более простые составляющие. В случае с гидратами природного газа диссоциация проходит при увеличении температуры и снижении давления, когда кристаллы льда тают, тем самым, высвобождая молекулы природного газа, заключенные внутри кристалла. Метод понижения давления является пригодным для гидратных пластов, где насыщенность гидратами невелика, а газ или вода не потеряли свою подвижность. Естественно, что при увеличении гидратонасыщенности эффективность этого метода резко падает. Так, при насыщенности пор гидратами более 80% получить приток изгидратов за счет снижения забойного давления практически невозможно. Другой недостаток метода снижения давления связан с техногенным образованием гидратов в призабойной зоне вследствие эффекта Джоуля-Томсона. Таким образом, разработка гидратных залежей за счет понижения давления возможна только при закачкеингибиторов в призабойную зону, что значительно увеличит себестоимость добываемого газа. Тепловой метод разработки газогидратных месторождений пригоден для пластов, имеющих высокое содержание гидратов в порах. Однако, как показывают результаты расчетов, тепловое воздействие через забой скважины малоэффективно. Это связано с тем, что процесс разложения гидратов сопровождается поглощением тепла с высокой удельной энтальпией 0,5 МДж/кг (для примера: теплота плавления льда составляет 0,34 МДж/кг). По мере удаления фронта разложения от забоя скважины все больше энергии тратится напрогрев вмещающих пород и кровли пласта, поэтому зона теплового воздействия на гидраты через забой скважины исчисляется первыми метрами. Наибольшие перспективы имеет комбинированный метод, состоящий в одновременном снижении давления и подводе тепла к скважине. Причем основное разложение гидрата происходит за счет снижения давления, а подводимая к забою теплота позволяет сократить зону вторичного гидратообразования, что положительно сказывается на дебите. Недостатком комбинированного метода (как и теплового) является большое количество попутно добываемой воды [5]. Кроме вышеперечисленных МИНИНА, МИТЬКО // ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2015 4 существует еще один способ -воздействие ингибитором (веществом, замедляющим химические процессы, реакции). Некоторые виды спиртов, например, этиленгликоль, действуют как ингибиторы при подаче внутрь слоя залегания гидратов газа, и вызывают изменение состава гидрата. Ингибиторы изменяют условия температуры и давления, способствуя диссоциациигидратов и высвобождению содержащегося в них метана. Однако этот метод вряд ли окажется рентабельным вследствие высокой стоимости ингибиторов. Другие предлагаемые методы воздействия, в частности электромагнитное, акустическое и закачка углекислого газа в пласт, пока еще мало изучены экспериментально. Недостатки добычи природного газа из слоя гидратов с использованием любого из вышеуказанных методов заключаются в том, что они будут иметь отрицательные последствия для самого слоя гидратов и для окружающей среды. В слое гидратов под морским дном уже могут иметься неоднородности жесткости осадочных пород, которые могут быть вызваны влиянием гидратов на нормальное образование осадочных пород и уплотнение местных пород. К тому же газ, скопившийся под слоем гидратов, может находиться под высоким давлением, что может привести к резкому выбросу газа на границе слоя. Такие неоднородности представляют большую опасность для стабильности местного морского дна в случае начала добычи газа из слоя гидратов. Неуправляемое растопление гидрата, возникшее от какого-нибудь сотрясения, может привести к образованию газового пузыря, объем которого более чем в 160 раз превысит первоначальный объем гидрата. Именно высвобождение большого количества газа вызвало в свое время разрушение добывающих платформ в Каспийском море. Выдвинута интересная и достаточно хорошо аргументированная гипотеза, согласно которой периодические потепления и оледенения на Земле вызваны разложением и образованием газовых гидратов. В целом решение проблемы взаимосвязи климат – газовые гидраты находится сегодня в зачаточном состоянии [1]. Одним из решений этой проблемы может стать добыча газогидратов, особенно в Охотском море, что, кстати, могло бы способствовать развитию энергетики в Республике Саха (Якутия). И добыча газогидратов не предполагает строительства дорогостоящих систем транспортирования (нефтепроводов и газопроводов) в отличие от добычи обычного природного газа и нефти [4]. Это можно назвать экологическим преимуществом газогидратов, ведь разрастающаяся сеть газопроводов ведет к нарушению различных экосистем и другим проблемам. Например, это заставляет коренные малочисленные народы Севера покидать их привычные районы обитания. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключение следует сказать, что природные газовые гидраты представляют несомненный практический интерес как горючее ископаемое. Потенциал энергии, заключенной в газовых гидратах, может обеспечить мир экологически чистой энергией еще минимум на 200 лет [4]. Освоение газогидратных месторождений может привести к революции на энергетическом рынке, результаты которой изменят взгляд на традиционные источники и способы добычи энергии, поэтому многоаспектной проблеме газовых гидратов следует уже сейчас уделить достаточное внимание, как это делается в таких странах как США, Япония, Канада, Индия. GAS HYDRATES ON THE SHELF OF THE WORLD OCEAN – ENERGETIC PROSPECTS M. V. Minina, A. V. Mitko, V. B. Mitko Russian state hydrogeological University, Saint-Petersburg The article is devoted to the problems of gas hydrates as new sources of natural gas due to the very significant resources, shallow take and release as they strip, as well as the problem of their commercial production and possible environmental risks Keywords: Russian north, shelf of the Arctic seas, gas hydrates, metanhydrate, hydrate layers, climate, oceans, offshore mining methane, environmental risks © Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова ФАМИЛИЯ И.О. // ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2015 5 ЛИТЕРАТУРА 1. Беляев А.М. Гидраты метана – новый энергетический ресурс и экологические проблемы //Материалы девятой межвузовской молодежной научной конференции: «Школа экологической геологии и рационального недропользования» С-Петербург, 2008, с.72-82. 2. Воробьев А.Е. Экспертная оценка современных мировых запасов аквальных залежей газогидратов [Электронный ресурс]:/ А.Е. Воробьев, А.Б. Болатова, Г.Ж Молдабаева, Е.В Чекушина // Специализированный журнал: Бурение и нефть. – 2011. – декабрь. – электрон.дан. – URL: http://burneft.ru, свободный. – яз.рус. – (Дата обращения: 04.10.2013). 3. Кузнецов Ф.А. Газовые гидраты: исторический экскурс, современное состояние, перспективы исследований [Текст]/ Ф.А. Кузнецов, В.А. Истомин, Т.В. Родионова // Рос.хим.ж. (Ж. Рос. хим. обва им. Д.И.Менделеева). – 2003. – т. XLVII. - № 3. – с. 5-14. 4. Макагон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы [Текст]/ Ю.Ф. Макагон// Рос.хим.ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева). – 2003. – т. XLVII. – № 3. – с. 70-79. 5. Минина М.В. Подводный сбор метана на восточном шельфе Арктики – низкозатратная технология добычи газа [Электронный ресурс]:/М.В Минина, В.П. Дегтярев, В.Б. Митько // – электрон. дан. – URL: http://www.arcticas.ru, свободный. – яз.рус. – (Дата обращения: 04.10.2013). 6. Минина М.В. Газогидраты – энергетический источник будущего [Текст] / Антонов Я.В., Васильева М.В., Кудрявцева М.Н. Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право: Сб. тр. Международной научно-практической конференции «Инфогео 2013» / Вып. 2 (11)/Под ред. д.т.н., проф. Марлей В.Е., д.э.н., проф. Скобелевой И.П., д.ю.н., проф. Соболь И.А. – СПб.: ООО «Андреевский издательский дом» – 2013 г., 136-141 с. 7. Пестрикова Н.Л. Распределение метана и газогидратов на Сахалинском восточном склоне Охотского моря [Текст] / Н.Л. Петрикова, А.И. Обжиров // Подводные исследования и робототехника. – 2010. – № 1(9). – с. 65-71. 8. Тарнавский В. Газогидраты могут стать для Украины важным источником природного газа [Текст]/ Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». – 2010. – № 8(8). 9. Тохиди Б. Газогидратные исследования в университете Хериот Ватт (Эдинбург) [Текст] / Б. Тохиди, Р. Андерсон, А. Масоуди, Дж. Арджманди, Р. Бургасе, Дж. Янг // Рос.хим.ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева). – 2003. – т. XLVII. – № 3. – с. 49-58. 10. Википедия. Газовые гидраты [Электронный ресурс]:/ – электрон.дан. - URL: http://ru.wikipedia.org, свободный. – яз. рус., англ. – (Дата обращения: 04.10.2013). 11. Eni: Мировых запасов нефти и газа хватит еще на 50-60 лет [Электронный ресурс]/ - электрон. дан. – 07.10.2013, – URL: http://www.vedomosti.ru, свободный. – яз.рус. – (Дата обращения: 04.10.2013).
