Газогидраты

В каждой статье портала «Эковатт» мы стараемся представить вашему вниманию самую интересную и актуальную информацию о развитии нефтегазового комплекса. Сегодня в прессе всё чаще поднимается тема альтернативных источников энергии. Это не удивительно, ведь уже в обозримом будущем человечество исчерпает все месторождения природного газа, позволяющие его добычу традиционными способами. Тогда останется два пограничных варианта: переход на альтернативные виды топлива и поиск альтернативных источников.

газогидрат,газогидраты,метаногидраты, биотопливо

Пока не изобретён еще вид топлива, способный стать достойной заменой традиционным, основным направлением этого поиска становится разработка новых способов добычи топлива традиционного. Их список пока сравнительно короток: водорастворенные газы подземной гидросферы, метан угленосных толщ и природные газовые гидраты. В этой статье мы расскажем об одном из наиболее перспективных для России на сегодняшний день источников энергии, так называемых «метаногидратах».

Вначале, немного о том, что же эти загадочные газогидраты из себя представляют и почему называть их «метаногидратами» не совсем корректно. Как вы уже, наверное, догадались, газогидраты представляют собой придонные скопления газа (чаще всего, но совершенно не обязательно, метана). Эти скопления образуются в условиях низкой температуры и высокого давления. Их агрегатное состояние проще всего можно представить в качестве скопления кристаллов (рыхлый лёд).

Вся прелесть газогидратов заключается в том, что один кубометр этих кристаллов может содержать 0.87 кубометра воды и 164 кубических метра метана в газообразном состоянии. Однако, наличествует и определенное содержание других веществ. К сожалению, на сегодняшний день до сих пор не выявлен полный потенциал таких запасов. В №6 журнала «Зарубежная информация» за 2000 год приводились данные, согласно которым по предварительным оценкам на суше содержится 14×10 12 -34×10 15 кубометров, в акватории - 3.1×10 15 - 7.6×10 18 кубометров метана в газогидратах. Даже если лишь незначительную часть (10%) этих запасов считать извлекаемыми, они вдвое превысят сегодняшние мировые запасы традиционного природного газа.

Идея получения метана из газогидратов не так уж нова. Первоначально, человечество столкнулось с газогидратами в рамках организации подводных газопроводов. Когда попадавшая в трубы влага приводила к их образованию и закупорке трубопроводов. Тогда американским ученым пришлось разрабатывать специальные технологии для дополнительной герметизации и осушки труб. Однако же первыми рассматривать скопления газогидратов в качестве дополнительного источника топлива стали именно российские ученые. Точнее ещё советские.

Месторождение Мессояхское было введено в промышленную разработку еще в 1970 году. Изначально его запасы составляли около 30 миллиардов кубометров метана, из них на сегодняшний день добыто уже более половины. Согласно данным, опубликованным в №7 журнала «Газовая промышленность» за 2001 год, отечественные запасы природного газа в гидратах континентальной и шельфовой части России оцениваются 100-1000 триллионов кубометров. А по последней оценке ВНИИГАЗ в России для гидратонакопления благоприятно около 30% территории.

При этом мировые запасы крайне неоднородны. Вызвано это в первую очередь серьезными различиями гидратообразующих условий. В различных водоемах неоднородны температура и химический состав воды. Советские ученые посвятили немало времени тому, чтобы изучить природу газогидратных месторождений и составить их подробную карту для пространств бывшего СССР. Но, как понимаете, Россия не единственный счастливый обладатель подобного газопромышленного потенциала.

Большая часть ресурсов находится в акваториях мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Японии, Норвегии и Африки, и только около 2% - в приполярных частях материков. В США ресурсы месторождений на суше и шельфе были оценены Геологической службой в 6000 триллионов кубометров, и программа их выработки получила, наравне с космической и ядерной, приоритетный характер. По предварительным оценкам запасы газа в кристаллизованном состоянии на Аляске достигают 66.8 триллиона кубометров, а в Мексиканском заливе выявлено еще 1.03 триллиона кубометров метана в виде газовых гидратов. На проводимые исследования по добыче метана сенат США в 2001 году выделил около 42 миллионов долларов.

Вообще, не будет лишним отметить, что в последнее десятилетие интерес к этому подводному источнику топлива крайне обострился. В 1998 году, в дельте реки Маккенези (Канада), была пробурена экспериментальная скважина Малик (Malik), по данным которой установлено наличие мощного поля скоплений газовых гидратов. Не отстает и Индия, которая согласно одной из программ развития должна начать промышленную разработку своих газогидратных месторождений уже к 2010 году.

В 2003 году «Газпром» создал специальную экспертную группу по разведке и подготовке к промышленной разработке отечественных газогидратных залежей. В итоге это позволит компании номинально увеличить свои запасы природного газа в 50 раз (на 1400 триллионов кубометров) и вывести её на первое место по объему запасов среди ведущих мировых производителей. Однако технологии промышленной выработки газогидратных месторождений со времён советских исследований так и остаются недоработанными.

Наибольших успехов на этой ниве пока добились японские геологи. В стране восходящего солнца уже не первый год ведется разработка новых высокоточных методов геофизического каротажа и новых технологий добычи газа из месторождений гидратов: с помощью нагрева формаций, уменьшения давления или химических инъекций. А вот Норвежские исследователи предложили использовать процесс образования гидратов газа, для упрощения его транспортировки и хранения. Кроме того, разрабатывается технология применения газогидратов в качестве химического сырья для опреснения морской воды и разделения газовых смесей.

Другими словами, изучение газогидратов открыло перед человечеством массу новых интересных возможностей, местами даже не связанных с работой нефтегазового комплекса. Но, как вы уже, наверное, догадались, наличествует и ряд серьезных препятствий такому благостному повороту событий. В первую очередь это, конечно, отсутствие технологий качественной добычи и переработки. Более того, разработка газогидратных месторождений неизбежно приведет к увеличению объемов выброса природного газа в атмосферу и, как следствие, к усилению парникового эффекта.

Вторым камнем преткновения 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. Именно это привело в своё время привело в свое время к разрушению добывающих платформ в Каспийском море. Таким образом излишне высок риск аварийности, а следовательно и резкое снижение рентабельности разработки гидратных месторождений. Однако, пока всё идет к тому, что время и ситуация на мировом рынке заставят компании пойти на заведомый риск и приобщиться к новому источнику углеводородов.

Вот почему исследование и выработка газогидратов считается на сегодняшний день наиболее перспективным технологическим направлением нефтегазовой промышленности. Наблюдая развитие ситуации с поиском новых источников топлива, невольно вспоминается сказка о колобке, слепленном хозяевами из того, что нашлось по сусекам. Насколько высоки кулинарные способности «Газпрома» и не «уйдет» ли от него метановый колобок мы узнаем уже не в самом далёком будущем.

Пока же нам остается только с интересом следить за развитием сего некогда сказочного сюжета..

газогидрат,газогидраты,метаногидраты, биотопливо

Нефтегазовые перспективы России в XXI веке связаны с освоением шельфа ее арктических морей, где по оценкам различных специалистов залегает свыше 100 млрд тонн углеводородов в нефтяном эквиваленте.

По мнению cпециалистов ОАО «НК «Роснефть», на арктическом шельфе сосредоточено до 80% всех потенциальных углеводородных ресурсов России. При этом наиболее изученной является территория Западной Арктики - шельфы Баренцева, Печорского и Карского морей. Так, по данным Минприроды РФ, начальные извлекаемые ресурсы углеводородов в этом регионе составляют 62 млрд т. Необходимо отметить, что большинство из 13 открытых в западной части Арктики углеводородных месторождений относятся к крупным, а некоторые - даже к уникальным объектам. Остальной российский Север в геологическом отношении еще мало изучен. Тем не менее было установлено, что начальные извлекаемые углеводородные ресурсы моря Лаптевых составляют 3,7 млрд т. у. т. (тонн условного топлива), Восточно-Сибирского моря - 5,6 млрд т. у. т. и Чукотского моря - 3,3 млрд т. у. т. Но есть и нетрадиционные, к тому же - неконвенционные, то есть не подлежащие обязательному согласованию с другими странами при их разработке, углеводороды - газовые гидраты. По различным экспертным оценкам, в газогидратных залежах содержится примерно 20 000–21 000 трлн м3 метана. Поисково-оценочные и исследовательские работы по аквальной газогидратной тематике в настоящее время ведут Россия, Норвегия, США, Канада, Германия, Нидерланды, Япония, Китай, Индия и даже Южная Корея.

Газогидраты Арктики - гигантский углеводородный ресурс России

Газовые гидраты являются единственным пока всё еще не разрабатываемым в промышленных масштабах, но весьма перспективным источником природного газа на Земле. Они могут составить реальную конкуренцию традиционным углеводородам: в силу наличия огромных ресурсов, широкого распространения на планете, неглубокого залегания и весьма концентрированного состояния (1 м3 природного метаногидрата содержит около 164 м3 метана в газовой фазе и 0,87 м3 воды).
Так, Южная Корея уже планирует начать бурение для опытно-промышленной добычи метана из залежей газовых гидратов шельфа в Японском море. Свое первое месторождение газовых гидратов в Японском море (с мощностью газоносного пласта 130 м) корейцы обнаружили в 135 км к северо-востоку от южнокорейского порта Пхохан.
Большинство природных газов (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, изобутан и т. п.) образуют гидраты или клатраты - кристаллические структуры, в которых газ находится в окружении молекул воды (рис. 1), удерживаемых вместе низкой температурой и высоким давлением окружающей водной среды.

Залежи аквальных гидратов метана образуются в пределах верхних 1,5 км отложений морского дна (при этом эшелон глубины 200–800 метров ниже уровня морского дна рассматривается как наиболее перспективный для их промышленной разработки).
Мощность залежи аквальных газогидратов зависит от глубины акватории и температуры ее придонных вод и колеблется от 100 м до 300-350 м (в северных морях на глубинах шельфа около 1000 м).
Арктический шельф Северного Ледовитого океана занимает особое место в ряду других акваторий Земли из-за наличия довольно обширной субмаринной криолитозоны, с которой и связано образование многочисленных залежей газогидратов. На представленном фрагменте карты явно показано, что зоны возможной газогидратоносности российского шельфа весьма обширны и, по-видимому, могут рассматриваться в качестве весьма важных источников углеводородов в будущем (рис. 3).
Термобарические условия существования аквальных газогидратов характерны для большей части дна Мирового океана с глубинами более 300–400 м. На арктическом шельфе зона стабильности газовых гидратов связана с наличием субмаринной криолитозоны и поэтому может существовать при несколько меньшей глубине (если подошва криолитозоны расположена на глубине более 260 м от уровня моря). В частности, низкотемпературные потенциально гидратоносные осадки занимают центральную, северо- и юго-восточную части Баренцева моря, примыкающие к Новой Земле (рис. 3).
В ходе проведенных Россией многочисленных экспедиционных исследований были получены количественные данные и показатели, характеризующие зону стабильности залежей газогидратов на дне Северного Ледовитого океана (таблица).
Результаты подобных исследований в совокупности с их научной интерполяцией и экспертными оценками позволили рассчитать объемы потенциальных ресурсов метана в имеющихся газогидратных залежах основных геоморфологических структур дна Северного Ледовитого океана.
Приведенные цифры не являются окончательными, так как сейчас осуществляется работа по уточнению шельфовых областей (вопрос о современном разделе арктического шельфа рассматривается Комиссией ООН по границам континентального шельфа на основании положений Конвенции ООН по морскому праву) и Россия претендует на территорию Арктики общей площадью 1,2 млн км2, что может привести к дальнейшему росту потенциальных объемов газогидратов.

Геоэкологические риски и экономические аспекты газогидратных разработок

Разработка газогидратов на шельфе влечет за собой экологическую угрозу, связанную с глобальным потеплением. В частности, уже сейчас вечная мерзлота в Западной Сибири оттаивает на 4 см в год, а в ближайшие 20 лет ее граница сдвинется на север примерно на 80 км. Похожая ситуация и с таянием льдов в Арктике. Так, если в 1979 году площадь арктических льдов составляла 7,2 млн км2, то уже в 2007 году она сократилась до 4,3 млн км2. К тому же толщина ледяного покрова здесь за этот период уменьшилась примерно вдвое. Заметно теплеет и вода морей и океанов (даже на глубине до 2000 м). А газовые гидраты устойчивы только при низкой температуре и повышенном давлении (рис. 5).
В результате, во-первых, мы можем потерять столь ценный углеводородный природный ресурс, а во-вторых, при разложении аквальных газогидратов за счет повышения температуры даже на несколько градусов выделяемый метан попадет в атмосферу Земли, где его концентрация удвоится и существенно усилит парниковый эффект.
Следует также отметить, что быстротечное разрушение газогидратных залежей может привести к образованию волн-цунами, способных нанести серьезный ущерб прибрежным территориям. Гигантские воронки в Ямало-Ненецком автономном округе в 2012 и 2013 годах образовались из-за выброса газогидратов, вызванного прогревом земной поверхности.
Освоение (разработка) выявленных к настоящему времени значительных объемов природных газогидратов и аквальных залежей, содержащих около 15 000×1012 м3 СН4, сдерживается их довольно неустойчивым состоянием, обусловливающим возможное быстротечное (взрывное) разрушение их массивов. В ходе подобного саморазрушения газогидратов объем возникающего газа увеличивается в 160–180 раз, что существенно осложняет и даже препятствует применению известных промышленных технологий их разработки.
Себестоимость добычи газа из газогидратных залежей зависит от ряда факторов: в первую очередь от геологических условий и применяемой технологии. Необходимо сразу отметить, что ограниченное число как реализованных проектов добычи метана из газогидратных залежей, так и экономических расчетов подобных проектов затрудняет выработку обоснованной оценки их средней себестоимости.
Так, выполненная в 2008 году оценка добычи метана из газогидратной залежи Маллик в канадской Арктике показала, что совокупные капитальные и операционные издержки подобной разработки варьируют в пределах 195–230 долл./тыс. м3 для газогидратов, расположенных над свободным газом, и в пределах 250–365 долл./тыс. м3 - для газогидратов, расположенных над морским дном. Особо была отмечена необходимость наличия соответствующей инфраструктуры для транспортировки добытого газа.
Японские разработчики оценивают себестоимость добычи метана из поддонных газогидратов на уровне 540 долл./тыс. м3, в то время как по оценкам ИНЭИ РАН и Аналитического центра, данная технология становится конкурентоспособной только при затратах на добычу метана менее 390 долл./тыс. м3. По расчетам МЭА, оценочная себестоимость промышленной разработки месторождений газогидратов может составить 175–350 долл./тыс. м3, что всё равно делает их наиболее дорогостоящим из известных способов добычи природного газа.

Сферические наночастицы как агенты активирования газогидратов

В настоящее время существенное снижение себестоимости производимой продукции возможно прежде всего на основе
использования достижений в области нанотехнологий, что объясняется наличием принципиально новых свойств и характеристик у веществ наноуровня. Экспериментально было установлено, что основным структурным элементом газовых гидратов являются кристаллические ячейки - элементы, обладающие наноразмерностью, состоящие из молекул воды, внутри которых и размещены молекулы газа. При этом структура гидратов подобна структуре льда, но отличается от последней тем, что молекулы газа расположены внутри кристаллических решеток, а не между ними.
Очевидно, что для разрушения подобной газогидратной ячейки с целью высвобождения метана более эффективным является использование различных наночастиц, соразмерных с ячейкой.
Необходимо отметить, что длины связей в кристаллических решетках газогидратов и углы между ними практически одинаковы и равны 2,76° и 109,5°.
В соответствии с разработками профессора А.Е. Воробьева первоначально предполагалось подавать и использовать наночастицы практически любой формы. При этом главным фактором являлась их масштабная соразмерность с разрушаемыми ячейками клатратов - газовых гидратов.
В дальнейшем была установлена явно выраженная зависимость эффективности разрушения газогидратов от формы наночастиц: в частности, от наличия у сферических наночастиц различных шипов (рис. 6), размещенных равномерно по всей их поверхности.
Для эффективного обеспечения процесса разрушения ячейки клатрата с включенной в нее молекулой метана важными также представляются оптимальные параметры (длина, расстояние между ними и др.) и форма (прямолинейная, изогнутая, утолщенная и т. д.) шипов сферической наночастицы.
Такие наноструктуры, которые выглядят как природные биологические объекты - морские ежи (рис. 8), довольно легко формируются электрохимическим методом. В настоящее время основным материалом для их строительства является полистирол.
Микросфера полистирола представляет собой основу, на которой оксид цинка образует трехмерную поверхность. В результате получаются полые, сферической формы наноструктуры с торчащими во все стороны шипами. В настоящее время себестоимость производства 10 кг подобных наночастиц составляет 50 долл. США.
При разработке обеспечивается постепенное разрушение верхнего слоя скоплений газовых гидратов гидродинамической струей морской воды, предварительно насыщенной сферическими наночастицами. При перемещении сферической частицы вдоль поверхности кристаллической ячейки газогидратов происходит ее разрушение и высвобождение молекулы метана (рис. 7). Таким образом образуется раствор метана и его гомологов, извлечение которого на поверхность осуществляют вначале принудительно, а затем за счет эффекта газлифта.
Однако в процессе обработки аквальной газогидратной залежи такие частицы могут разлетаться в разные стороны и впоследствии теряться. Для сбора им придают магнитные, т. е. выполняют целиком из магнитных материалов, что существенно удорожает их себестоимость, или помещают в них магнитные материалы.
Кроме того, подачу «магнитизированной» воды в трубы осуществляют также при помощи погружного оборудования. Сбор образующейся водно-газовой смеси осуществляют посредством колокола (рис. 9). Откачку образующейся водно-газовой смеси газовых гидратов осуществляют через систему труб, соединенных с баком-хранилищем, установленным на береговой поверхности, плавучей платформе или судне.
Для этого подают воду, насыщенную сферическими наночастицами, равномерно по поверхности залежи газогидратов, через гидранты-форсунки. В результате во внутреннем пространстве колокола образуются осколки газовых гидратов, газ и раствор метана в воде.
Через систему труб для откачки образующаяся водно-газовая смесь поступает вверх самостоятельно (эффект аэролифта) и направляется в специальный бак-хранилище, откуда по трубопроводу поступает к месту назначения. Магнитные наночастицы собираются посредством электромагнита (на схеме не показан) и снова используются.

Перспективы использования РЗМ в нанотехнологиях освоения газогидратных залежей

Большое будущее в технологиях освоения газогидратов имеют нанокомпозиты, которые содержат смесь наночастиц неодима с наночастицами железа. Результатом взаимодействия таких наноструктурированных фрагментов магнита становится усиление его магнитных свойств по сравнению с обычными магнитными сплавами.
Улучшение магнитных свойств в указанных нанокомпозитах обусловлено свойством, называемым обменной связью (синергетическим взаимодействием). Упрощая сложный физический процесс, можно сказать, что связь между отдельными наночастицами в образуемом композите приводит к появлению магнитных свойств более сильных, чем сумма свойств отдельных его компонентов.
Кроме того, в ходе проведенных нами исследований было установлено несколько довольно существенных аспектов, определяющих эффективность промышленного применения подобных нанотехнологий при разработке залежей газогидратов.
Во-первых, полученная в составе гидродинамической струи потенциальная энергия рабочего инструмента - наночастицы - обеспечивает ее перемещение по поверхности газогидратов только на весьма короткое расстояние, так как зачастую наблюдается ее рикошет, с потерей потенциальной энергии разрушения клатратных связей и изменением траектории перемещения, от поверхности газогидратной залежи. И, следовательно, практически каждая из них осуществляет разрушение довольно небольшого количества ячеек - клатратов, хаотической последовательности.
Поэтому, кроме шарообразных наночастиц, в качестве рабочего инструмента, разрушающего гидратные залежи, более целесообразно применять различные молекулярные шестерни (рис. 11) и соединенные осью колеса. Модели подобных наноустройств были предложены K.E. Drexler и R. Merkle из IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto).
Валами «шестеренок» в подобной «коробке передач» являются углеродные нанотрубки, а «зубцами» служат молекулы бензола. При этом характерные частоты вращения шестеренок составляют несколько десятков гигагерц.
Механизм образования подобных наноколес уже детально обоснован (рис. 12). Так, группой исследователей под руководством А. Мюллера (Achim Müller) из Университета Билефельд (Германия) было обнаружено, что смешение молибдата натрия, воды и восстановителя при низком значении рН приводит к самопроизвольному образованию бубликоподобных наноколес, состоящих из оксида молибдена. Диаметр формирующихся молибденсодержащих колес составляет около 4 нм.
Необходимо отметить, что для разрушения ячеек газогидратов наночастицами может быть использована не только энергия гидродинамического потока. В частности, одним из важных и перспективных направлений применения нанотехнологий в нефтяной и газовой промышленности является создание специальных миниатюрных устройств, оснащенных микропроцессорами и способных выполнять целенаправленные операции с объектами нанометровых масштабов, называемых «нанороботами».
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») - это наномашины, созданные из различных наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, а также исполнения специальных программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров.
Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию - реагировать на различные сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важными представляются их функции репликации - самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, например, по окончании работы. В этом случае роботы должны распадаться на экологически безвредные и быстровыводимые компоненты.
При этом существуют различные подходы к разработке нанороботов: одним из них является создание самоходных микро- и наноразмерных актюаторов (наномоторов). Наномотор представляет собой молекулярное устройство, способное преобразовывать различные виды энергии в движение. В типичном случае он может создавать силу порядка одного пиконьютона.
В качестве энергии движения наномоторов могут выступать различные химические реакции, энергия света, звука (механических колебаний), электромагнитное поле и электрический ток.
Так, в Калифорнийском университете были проведены лабораторные эксперименты по перемещению нанотрубок посредством диэлектрофореза в водных растворах. При этом промежуток между электродами-нанотрубками составлял 10 нм, а подаваемое на них напряжение - 1 В. В результате на концах таких электродов образовывалось довольно сильное неоднородное электростатическое поле, притягивающее подобные частицы.
Нанотрубки-электроды образуют статор, а наночастицы в центре - ротор. Если на электроды подавать переменное напряжение, то наночастица будет вращаться, причем ее положение напрямую зависит от величины напряжения, подводимого к электродам.
Кроме этого, M.P. Hughes из School of Engineering, University of Surrey предложил модель асинхронного электродинамического наномотора, который обладает вращающим моментом благодаря вращающемуся электромагнитному полю.
Подобное взаимодействие «вращающееся поле - электрический диполь (ротор)» значительно стабилизирует положение ротора. Электрическое поле генерируется благодаря прямоугольным импульсам, посылаемым на статор, что дает возможность прямого компьютерного управления таким наномотором. Также возможно прецизионное управление и частотой вращения такого ротора. Разработанный наномотор состоит из ротора длиной 1 мкм и диаметром 100 нм. Такой наномотор развивает момент усилия в 10–15 Н/м.
Подобные нанотехнологии обеспечивают эффективную и последовательную проработку всей поверхности аквальной залежи газогидратов с необходимой скоростью их разрушения и получения запланированных объемов метана.
В перспективе новые технологии получения горючего природного газа из газогидратов повысят мировой спрос на некоторые виды редких и редкоземельных металлов (РЗМ). В силу имеющихся в России запасов и ресурсов РЗМ возможное экономичное производство таких металлов усилит позиции России и ее производителей на мировом рынке. В частности, гольмий -идеальный парамагнетик. И подобные магнитные свойства проявляет большинство редкоземельных элементов. Магнитные свойства ставят гадолиний в один ряд с железом, кобальтом и никелем. В то время как лантан и другие лантаноиды парамагнитны, гадолиний - ферромагнетик, причем даже более сильный, чем никель и кобальт.
Ресурсный потенциал РЗМ в России достаточен для обеспечения как внутренних потребностей промышленного развития в перспективе на 2020–2030 годы и далее, так и организации их экспорта в виде конечной химико-металлургической продукции и изделий. Дело за технологической реализацией этого потенциала путем технической модернизации ОАО «Ловозерский ГОК» и «Соликамский МЗ», промышленного освоения Томторского месторождения как мирового железорудно-алюмофосфатно-редкометального супергиганта, обогащенного иттриевыми ланданидами и скандием, и, наконец, организации разработки наиболее востребованных различных источников иттриевоземельных лантаноидов средне-тяжелой группы и иттрия (эвдиалитовых и др. руд). С этих позиций вышеизложенный материал ориентирует на организацию НИР и НИОКР по применению РЗМ в различных технологических направлениях освоения полезных ископаемых арктического побережья и шельфа, включая нанотехнологию применительно к газогидратным ресурсам. Здесь у нашей страны очевидные перспективы опережения не только «состояния умов», но и высокотехнологичных решений. Академик Н.П. Лаверов считает освоение Арктики более сложным, чем космоса. Следовательно, решение технологических проблем ее освоения требует объединения возможностей академической, вузовской и отраслевой науки при условии необходимой поддержки целевых научных исследований со стороны государства и бизнеса.
Новые задачи встают перед российскими научными организациями и техническими университетами. Так, известный специалист по редкоземельным металлам Л.П. Рихванов, профессор кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ (г. Томск), считает, что «нужна специальная подготовка магистерских программ узкой направленности. Поскольку по геохимии редкие земли и урановые месторождения различаются, то опыта лишь урановых специалистов будет недостаточно». Эта точка зрения находит поддержку, в частности, в столичном МГРИ-РГГРУ, являющимся старейшим в России вузом, готовящим геологов, геофизиков и горных инженеров. При численности этого вуза около пяти тысяч человек в настоящее время в нем учится 120 аспирантов. В числе научных школ МГРИ-РГГРУ - урановая и редкоземельная. Многие годы МГРИ работал по заданиям Минсредмаша СССР. В соответствии с заданием Минобрнауки РФ № 26.2510.2014 К от 17 июля 2014 года, МГРИ-РГГРУ начал работать по трехгодичной НИР «Разработка рекомендаций по развитию минерально-сырьевой и производственной базы редкоземельных полезных ископаемых России с учетом мировых тенденций». Руководитель проекта - Е.А. Козловский, доктор технических наук, профессор, вице-президент РАЕН, бывший министр геологии СССР.
С изложенных позиций своевременность организации и развития поисково-исследовательских работ на газогидраты в России, несмотря на обеспеченность запасами и ресурсами нефти и газа на десятки лет, приобретает перспективное стратегическое значение. Тем более что кроме прибрежной зоны арктических морей определенные перспективы выявления крупных месторождений газогидратов в России связаны на юге с Черным (30–50 трлн т) и на Дальнем Востоке - с Охотским (>17 трлн т) морями. Ресурсы газа в гидратах континентальной и шельфовой части России оцениваются в 100–1000 трлн м3. Следовательно, перспективу получения природного газа из нетрадиционных месторождений газогидратов, так же как из сланцевого углеводородного сырья, необходимо квалифицировать как «прорывную инновационную технологию» в освоении недр Арктики и других регионов газовой промышленностью России.

Воробьев Александр Егорович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела Российского университета дружбы народов, директор НОЦ «Инновации в горном и нефтегазовом комплексе» при РУДН и НОЦ «Национальной минеральносырьевой безопасности стран Центральной Азии» (КРСУ, г. Бишкек, Кыргызстан), профессор Грозненского государственного нефтяного института, директор аспирантуры РУДН по направлению «Геология, разведка и разработка полезных ископаемых»

А.Е. ВОРОБЬЕВ, В.И. ЛИСОВ, Г.Б. МЕЛЕНТЬЕВ
Российский университет дружбы народов

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.

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

Газы газонефтяных и нефтегазовых залежей . Газонефтяные и нефтегазовые залежи являются двухфазными. Свободный газ в них залегает совместно с нефтью. При этом в нефтегазовых залежах газ занимает основой объём ловушки и располагается над нефтяной частью залежи, называемой нефтяной оторочкой . В газонефтяных залежах газ занимает меньший объём ловушки. Газовая часть такой залежи называется газовой шапкой , а добываемые газы называются попутными .

Попутные газы представляют собой смесь свободного газа газовой шапки и газа, растворенного в нефти – нефтяного газа. Их состав отличается от газов газовых залежей и зависит от состава, плотности нефти и растворимости в нефти индивидуальных газовых компонентов.

В газовых шапках метан обычно находится в меньших количествах по сравнению залежами сухих и газоконденсатных газов. Газы газовых шапок отличаются также повышенным содержанием ТУВГ и паров жидких УВ, более тяжелых, чем гексан С 6 Н 14 . Иногда их суммарное содержание превышает содержание метана. Из ТУВГ в большинстве случаев преобладает пропан С 3 Н 8 .

Нередко в составе газов газовых шапок встречаются высокие концентрации неуглеводородных газов: азота, углекислого газа или сероводорода. При этом азот и углекислый газ могут резко преобладать.

Химический состав газов, растворенных в нефти . Газы, растворённые в нефти, называются нефтяными или попутными нефтяными . Нефтяной газ представляет собой смесь газо- и парообразных углеводородных и неуглеводородных компонентов, выделяющихся из пластовой нефти при её дегазации в газосепараторах в результате изменения давления и температуры.

Качественный состав попутных нефтяных газов не отличается от природных свободных газов: метан, его гомологи, азот, углекислый газ, сероводород, гелий, аргон и другие компоненты. Однако количественное отличие часто весьма существенно . Содержание метана не превышает 20–30 %, но его гомологов, включая высшие УВ, значительно больше. Нефтяные газы – жирные (среди УВ часто преобладают пропан и бутан ) .

Состав углеводородной части нефтяных газов тесно связан с составом нефти. Легкие метановые нефти сопровождаются жирными газами, состоящими на 20–80 % из гомологов метана. Тяжелые нефти, наоборот, содержат преимущественно метан. Из неуглеводородных газов существенное значение имеют углекислый газ, сероводород и особенно азот, который может быть преобладающим компонентом.

Газовые гидраты

Все газы , за исключением водорода, гелия, неона и н-бутана, а также легколетучие органические жидкости, молекулы которых имеют размеры, не превышающие 0,69 нм, при соответствующих давлениях и температурах образуют твёрдые растворы с водой, называемые газовыми гидратами, газогидратами, или клатратами . Внешний вид газогидратов (ГГ) напоминает снег или фирн (рыхлый лед).

При образовании ГГ полости кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи (рис. 8) заполняются молекулами только одного определённого газа. При этом один объем воды связывает от 70 до 300 объемов газа, поэтому плотность газогидратов меняется в широком диапазоне, от 0,8 до 1,8 г/см 3 . Общая идеальная формула газовых гидратов М∙nН 2 О, где М – 1 моль конкретного газа. Значения n меняются от 5,75 до 17, в зависимости от состава газа и условий образования гидратов. Условия образования газогидратов определяются составом газа, температурой, давлением и минерализацией воды. Обычно газогидраты образуются при температуре ниже 30°С и повышенном давлении. Например, при 0ºС гидрат метана образуется при давлении 3 МПа, а при температуре 25ºС уже при давлении 40 МПа. Таким образом, чем выше температура, тем выше необходимо давление для образования ГГ.

Рисунок - 8. Кристаллическая решетка газового гидрата (по Ю.Ф. Макагону; 1985)

Элементарные ячейки гидрата: а – структура I, образуемая лёгкими компонентами углеводородных газов; б – структура II, образуемая тяжёлыми компонентами углеводородных газов.

Кроме того, на равновесные условия образования газогидратов оказывает большое влияние минерализация воды : чем она больше, тем более низкие температуры или более высокие давления необходимы для образования гидратов. Поскольку в гидрат переходит лишь пресная вода, то при их образовании минерализация оставшейся пластовой воды растет.

Непосредственно в воде ГГ не образуются потому, что там концентрация растворенного газа не достигает необходимых значений. Образуются они в водонасыщенных осадках и на разделах горная порода-вода, так как на поверхности минеральных частиц имеется слой адсорбированных молекул газа. Образуются ГГ и из свободного газа на разделе: газ–вода. Образование газогидратов может происходить в пласте в процессе разработки газовой залежи, в стволе скважины или в газопроводе, поэтому прежде чем газ подают потребителям, его осушают.

Условиям образования ГГ в природе соответствуют зоны многолетнемерзлых пород, а также морские и озерные осадки, лежащие на достаточной глубине. Сезонные колебания температуры воды в Мировом океане захватывают только верхний слой толщиной около 100 м. Затем колебания сглаживаются и на глубинах ниже 1500–2000 м температура становится постоянной в пределах от 2 до 3ºС и только в Арктике падает до –0,7 и даже до –1,4 ºС. Поэтому образование гидратов происходит в глубоких акваториях не зависимо от широты. В настоящее время установлено, что условиям гидратообразования соответствует до 23 % площади континентов, особенно Евразии и 90 % площади Мирового океана. Ресурсы гидратного в десятки тысяч раз превышают мировые запасы природного газа. В России газогидраты могут занимать около половины территории суши, которая промерзает на глубину то 500 до 1000 м. Обнаружены они также в придонных осадках Балтийского, Черного и Каспийского морей, озера Байкал.

Ресурсы гидратного газа в акваториях, связывают как с биохимическими газами, так и с глубинными, в том числе катагенетическими газами.

ЛИТОГЕНЕЗ И ОБРАЗОВАНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

Согласно органической теории процесс нефте- и газообразования развивается периодично, стадийно, длительно и непрерывно, имеет региональный характер и прямо связан с тектогенезом и литогенезом.

Формирование месторождений происходит в течение двух следующих этапов: нефтегазообразования и нефтегазонакопления .

Этап нефтегазообразования разделяется на три стадии: седиментогенеза ОВ, диагенеза ОВ и катагенеза О В. Углерод является главным биогенным элементом, или основой живого вещества и ОВ осадочных пород. Кроме того, углерод в больших количествах, как в окисленных (СО, СО 2), так и в восстановленных (СН 4 и др.) формах поступает в осадочную оболочку и биосферу из мантии Земли.