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.

14. Гидраты природных газов

1. ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

Газ в условиях пластовых давлений и температур насыщен парами воды, поскольку газоносные породы всегда содержат связанную, подошвенную или краевую воду. По мере движения газа по скважине давление и температура уменьшаются. При понижении температуры происходит и уменьшение количества водяных паров в газовой фазе, а со снижением давления, наоборот, увеличивается содержание влаги в газе. Влагосодержание природного газа в продуктивном пласте увеличивается и при падении пластового давления по мере разработки месторождения.

Обычно влагосодержание газа выражают отношением массы паров воды, содержащейся в единице массы газа к единице массы сухого газа (массовое влагосодержание) или в количестве молей паров воды, приходящихся на моль сухого газа (молярное влагосодержание).

В практике чаще пользуются абсолютной влажностью, т.е. выражают массу паров воды в единице объема газа, приведенной к нормальным условиям (0°С и 0,1 МПа). Абсолютную влажность W измеряют в г/м 3 или кг на 1000 м 3 .

Относительная влажность – это выраженное в процентах (или долях единицы) отношение количества водяных паров, содержащихся в единице объема газовой смеси, к количеству водяных паров в том же объеме и при тех же температурах и давлении при полном насыщении. Полное насыщение оценивается как 100 %.

К факторам, определяющим влагосодержание природных газов относятся давление, температура, состав газа, а также количество солей, растворенных в воде, контактирующей с газом. Влагосодержание природных газов определяют экспериментально, по аналитическим уравнениям или по номограммам, составленным по экспериментальным данным или расчетным путем.

На рис. 1 приведена одна из таких номограмм, построенная в результате обобщения экспериментальных данных по ределению влагосодержания газов при широком диапазоне изменения давлений и температур равновесного содержания паров воды в кг на 1000 м 3 природного газа относительной плотности 0,6, не содержащего азот и находящегося в контакте с пресной водой. Линия гидратообразования ограничивает область равновесия паров воды над гидратом. Ниже линии гидратообразования приведены значения влажности для условий метастабильного равновесия паров воды над переохлажденной водой, Погрешность определений влажности газов с относительной плотностью, близкой к 0,6, по данной номограмме не превышает ±10 %, что допустимо для технологических целей.

Рис. 1 Номограмма равновесного содержания паров воды для газа, находящегося в контакте с пресной водой.

По экспериментальным данным по влиянию состава газа на его влагосодержание видим, что присутствие углекислого газа и сероводорода в газах увеличивает их влагосодержание. Наличие азота в газе приводит к уменьшению влагосодержания, так как этот компонент способствует уменьшению отклонения газовой смеси от законов идеального газа и менее растворим в воде.

С увеличением плотности (или молекулярной массы газа) влагосодержание газа уменьшается. Следует учитывать, что газы разных составов могут иметь одинаковую плотность. Если увеличение их плотности происходит за счет роста количества тяжелых углеводородов, то уменьшение влагосодержания объясняется взаимодействием молекул этих углеводородов с молекулами воды, что особенно сказывается при повышенных давлениях.

Наличие в пластовой воде растворенных солей уменьшает влагосодержание газа, так как при растворении в воде солей снижается парциальное давление паров воды. При минерализации пластовой воды менее 2,5 % (25 г/л) уменьшение влагосодержания газа происходит в пределах 5%, что позволяет в практических расчетах не пользоваться поправочными коэффициентами, так как погрешность находится в пределах определения влагосодержания по номограмме (см. рис. 1).

2. СОСТАВ И СТРУКТУРА ГИДРАТОВ

Природный газ, насыщенный парами воды, при высоком давлении и при определенной положительной температуре способен образовывать твердые соединения с водой – гидраты.

При разработке большинства газовых и газоконденсатных месторождений возникает проблема борьбы с образованием гидратов. Особое значение этот вопрос приобретает при разработке месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера. Низкие пластовые температуры и суровые климатические условия этих районов создают благоприятные условия для образования гидратов не только в скважинах и газопроводах, но и в пластах, в результате чего образуются газогидратные залежи.

Гидраты природных газов представляют собой неустойчивое физико-химическое соединение воды с углеводородами, которое с повышением температуры или при понижении давления разлагается на газ и воду. По внешнему виду – это белая кристаллическая масса, похожая на лед или снег.

Гидраты относятся к веществам, в которых молекулы одних компонентов размещены в полостях решетки между узлами ассоциированных молекул другого компонента. Такие соединения обычно называют твердыми растворами внедрения, а иногда соединениями включения.

Молекулы гидратообразователей в полостях между узлами ассоциированных молекул воды гидратной решетки удерживаются с помощью Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения. Гидраты образуются в виде двух структур, полости которых заполняются молекулами гидратообразователей частично или полностью (рис. 2). В I структуре 46 молекул воды образуют две полости с внутренним диаметром 5,2 10 -10 м и шесть полостей с внутренним диаметром 5,9 10 -10 м. Во II структуре 136 молекул воды образуют восемь больших полостей с внутренним диаметром 6,9 10 -10 м и шестнадцать малых полостей с внутренним диаметром 4,8 10 -10 м.

Рис. 2. Структура образования гидратов: а–вида I; б–вида II

При заполнении восьми полостей гидратной решеткисоставгидратов структуры I выражается формулой 8М-46Н 2 О или М-5,75Н 2 О, где М – гидратообразователь . Если заполняются только большие полости, формула будет иметь вид 6М-46Н 2 О или М-7,67 Н 2 О. При заполнении восьми полостей гидратной решетки состав гидратов структуры II выражается формулой 8М136 Н 2 О или М17Н 2 О.

Формулы гидратов компонентов природных газов: СН 4 6Н 2 О; С 2 Н 6 8Н 2 О; С 3 Н 8 17 Н 2 О; i -С 4 Н 10 17Н 2 О; H 2 S 6Н 2 О; N 2 6Н 2 О; СО 2 6Н 2 О. Эти формулы гидратов газов соответствуют идеальным условиям, т. е. таким условиям, при которых все большие и малые полости гидратной решетки заполняются на 100%. На практике встречаются смешанные гидраты, состоящие из I и II структур.

Условия образования гидратов

Представление об условиях образования гидратов дает фазовая диаграмма гетерогенного равновесия, построенная для систем М-Н 2 О (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма фазового состояния гидратов различной относительной плотности

В точке С одновременно существуют четыре фазы (/, //, ///, IV): газообразный гидратообразователь, жидкий раствор гидратообразователя в воде, раствор воды в гидратообразователе и гидрат. В точке пересечения кривых 1 и 2, соответствующей инвариантной системе, нельзя изменить температуру, давление или состав системы без того, чтобы не исчезла одна из фаз. При всех температурах выше соответствующего значения в точке С гидрат не может существовать, как бы ни было велико давление. Поэтому точка С рассматривается как критическая точка образования гидратов. В точке пересечения кривых 2 и 3 (точка В) появляется вторая инвариантная точка, в которой существуют газообразный гидратообразователь, жидкий раствор гидратообразователя в воде, гидрат и лед.

Из этой диаграммы следует, что в системе М-Н 2 О возможно образование гидратов по следующим процессам:

М г +m (Н 2 О) ж ↔Мm (Н 2 О) тв;

М г +m (Н 2 О) тв ↔Мm (Н 2 О) тв;

М ж +m (Н 2 О) ж ↔Мm (Н 2 О) тв;

М тв +m (Н 2 О) тв ↔Мm (Н 2 О) тв;

Здесь М г, М ж, М тв – условное обозначение гидратообразователя соответственно газообразного, жидкого и твердого; (Н 2 О) ж, (Н 2 О) тв – молекулы соответственно жидкой и твердой (лед) воды; т – число молекул воды в составе гидрата.

Для образования гидратов необходимо, чтобы парциальное давление паров воды над гидратом было выше упругости этих паров в составе гидрата. На изменение температуры образования гидратов влияют: состав гидратообразователя, чистота воды, турбулентность, наличие центров кристаллизации и т. д.

На практике условия образования гидратов определяют с помощью равновесных графиков (рис. 4) или расчетным путем – по константам равновесия и графоаналитическим методом по уравнению Баррера–Стюарта.

Рис. 4. Равновесные кривые образования гидратов природных газов в зависимости от температуры и давления

Из рис. 4 следует, что чем выше плотность газа, тем больше температура гидратообразования. Однако отметим, что с увеличением плотности газа не всегда повышается температура гидратообразования. Природный газ с небольшой плотностью может образовывать гидраты при более высоких температурах, чем природный газ с повышенной плотностью. Если на увеличение плотности природного газа влияют негидратообразующие компоненты, то температура его гидратообразования понижается. Если же влияют различные гидратообразующие компоненты, то температура гидратообразования будет выше для того состава газа, в котором преобладают компоненты с большей устойчивостью.

Условия образования гидратов природных газов по константам равновесия определяют по формуле: z = у/К, где z , у– молярная доля компонента соответственно в составе гидрата и газовой фазы; К – константа равновесия.

Равновесные параметры гидратообразования по константам равновесия при данных температуре и давлении рассчитывают следующим образом. Сначала находят константы для каждого компонента, а затем молярные доли компонента делят на найденную константу его равновесия и полученные значения складывают. Если сумма равна единице, система термодинамически равновесная, если больше единицы – существуют условия для образования гидратов, при сумме меньше единицы гидраты не могут образовываться.

Гидраты индивидуальных и природных углеводородных газов

Гидрат метана впервые был получен в 1888 г. при максимальной температуре, равной 21,5°С. Катц и другие, изучая равновесные параметры (давление и температуру) гидратообразования метана при давлении 33,0–76,0 МПа, получили гидраты метана при температуре 28,8 °С. В одной из работ отмечено, что температура образования гидратов этого компонента при давлении 390 МПа повышается до 47 °С.

3. ОБРАЗОВАНИЕ ГИДРАТОВ В СКВАЖИНАХ И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

Образование гидратов в скважинах и промысловых газопроводах и выбор метода борьбы с ними в значительной степени зависят от пластовых температур, климатических условий и режима эксплуатации скважины.

Часто в стволе скважины имеются условия для образования гидратов, когда температура газа при его движении вверх от забоя до устья становится ниже температуры гидратообразования. В результате скважина забивается гидратами.

Изменение температуры газа вдоль ствола скважины можно определить при помощи глубинных термометров или расчетным путем.

Образование гидратов в стволе можно предупредить теплоизоляцией фонтанных или обсадных колонн, повышением температуры газа в стволе с помощью нагревателей. Самый распространенный способ предупреждения образования гидратов – подача ингибиторов (метанола, гликолей) в поток газа. Иногда подача ингибитора осуществляется через затрубное пространство. Выбор реагента зависит от многих факторов.

Место начала образования гидратов в скважинах определяют по точке пересечения равновесной кривой образования гидратов с кривой изменения температуры газа по стволу скважин (рис. 8). Практически образование гидратов в стволе скважины можно заметить по снижению рабочего давления на устье и уменьшению дебита газа. Если гидраты перекрывают сечение скважины не полностью, разложения их проще всего достигнуть с помощью ингибиторов. Значительно труднее бороться с отложениями гидратов, полностью перекрывающих сечение фонтанных труб и образовавших сплошную гидратную пробку. При небольшой длине пробки ликвидацию ее обычно осуществляют продувкой скважины. При значительной длине выбросу пробки в атмосферу предшествует некоторый период, в течение которого она частично разлагается в результате снижения давления. Продолжительность периода разложения гидратов зависит от длины пробки, температуры газа и окружающих горных пород. Твердые частицы (песок, шлам, окалина, частицы глинистого раствора и т. п.) замедляют разложение пробки. Для ускорения этого процесса используют ингибиторы.

Следует учитывать также, что при образовании гидратной пробки в зоне отрицательных температур только при понижении давления получают эффект. Дело в том, что вода, выделяющаяся при разложении гидратов при низкой концентрации ингибитора, может замерзнуть и вместо гидратной образуется ледяная пробка, ликвидировать которую затруднительно.

Если пробка большой длины образовалась в стволе скважины, ее можно ликвидировать, применяя замкнутую циркуляцию ингибитора над пробкой. В результате механические примеси размываются, и на поверхности гидратной пробки постоянно содержится ингибитор высокой концентрации.

4. ОБРАЗОВАНИЕ ГИДРАТОВ В ГАЗОПРОВОДАХ

Для борьбы с отложениями гидратов в промысловых и магистральных газопроводах применяют те же способы, что и на скважинах. Кроме того, предупредить образование гидратов можно путем ввода ингибиторов и теплоизоляцией шлейфов.

По расчетам данным теплоизоляции шлейфа пенополиури-таном толщиной 0,5 см при среднем дебите скважин 3 млн. м 3 /сут обеспечивается безгидратный режим его работы при длине до 3 км, а при дебите 1 млн. м 3 /сут – до 2 км. Практически толщину теплоизоляции шлейфа с учетом запаса можно принять равной в пределах 1–1,5 см.

Для борьбы с образованием гидратов при исследовании скважин применяют способ, предотвращающий их прилипание к стенкам труб. С этой целью в поток газа вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), конденсат или нефтепродукты. При этом на стенках труб образуется гидрофобная пленка, и рыхлые гидраты легко транспортируются потоком газа. ПАВ, покрывая поверхность жидкостей и твердых веществ тончайшими слоями, способствует резкому изменению условий взаимодействия гидратов со стенкой трубы.

Гидраты водных растворов ПАВ не прилипают к стенкам. лучшие из водорастворимых ПАВ–ОП-7, ОП-10, ОП-20 и ИНХП-9–можно использовать только в области положительных температур. Из нефтерастворимых ПАВ лучшим является ОП-4–хороший эмульгатор.

Добавление к 1 л нефтепродуктов (лигроину, керосину, дизельному топливу, стабильному конденсату) соответственно 10; 12,7 и 6 г ОП-4 предотвращают прилипание гидратов к стенкам труб. Смесь, состоящая из 15–20% (по объему) солярового масла и 80–85% стабильного конденсата, предотвращает отложения гидратов на поверхности труб. Расход такой смеси составляет 5–6 л на 1000 м 3 газа.

Температурный режим газопроводов

После расчета температуры и давления по длине газопровода и зная равновесные их значения, можно определить условия образования гидратов. Температура газа рассчитывается по формуле Шухова, которая учитывает теплообмен газа с грунтом. Более общая формула, учитывающая теплообмен с окружающей средой, эффект Джоуля – Томсона, а также влияние рельефа трассы, имеет вид

Рис. 9. Изменение температуры газа вдоль подземного газопровода. 1–измеренная температура; 2 – изменение температуры по формуле (2); 3– температура грунта.

где , – температура соответственно газа в газопроводе и окружающей среды; – начальная температура газа; – расстояние от начала газопровода до рассматриваемой точки; – коэффициент Джоуля–Томсона; , – давление соответственно в начале и конце газопровода; –длина газопровода; – ускорение свободного падения; –разность отметок по высоте конечной и начальной точек газопровода; – теплоемкость газа при постоянном давлении; – коэффициент теплопередачи в окружающую среду; – диаметр газопровода; –плотность газа; –объемный расход газа.

Для горизонтальных газопроводов формула (1) упрощается и имеет вид

(2)

Расчеты и наблюдения показывают, что температура газа по длине газопровода плавно приближается к температуре грунта (рис. 9).

Выравнивание температур газопровода и грунта зависит от многих факторов. Расстояние, где разница температур газа в трубопроводе и грунте становится не ощутимой, можно определить, если в уравнении (2) принять и .

(3)

Например, по расчетным данным на подводном газопроводе диаметром 200 мм пропускной способностью 800 тыс. м 3 /сут температура газа выравнивается с температурой воды на расстоянии 0,5 км, а на подземном газопроводе при тех же параметрах – на расстоянии 17 км.

5. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И БОРЬБА С НИМИ

Эффективным и надежным методом предупреждения образования гидратов является осушка газа перед поступлением его в трубопровод. Необходимо, чтобы осушка проводилась до той точки росы, которая обеспечивала бы нормальный режим транспортирования газа. Как правило, осушку осуществляют до точки росы на 5–6°С ниже минимально возможной температуры газа в газопроводе. Выбирать точку росы следует с учетом условий обеспечения надежного газоснабжения на всем пути движения газа от месторождения до потребителя.

Ввод ингибиторов, используемых при ликвидации гидратных пробок

Место образования гидратной пробки обычно удается определить по росту перепада давления на данном участке газопровода. Если пробка не сплошная, то в трубопровод через специальные патрубки, штуцера для манометров или через продувочную свечу вводят ингибитор. Если в трубопроводе образовались сплошные гидратные пробки небольшой длины, их иногда удается ликвидировать таким же путем. При длине пробки, исчисляемой сотнями метров, над гидратной пробкой вырезают в трубе несколько окон и через них заливают метанол. Затем трубу заваривают вновь.

Рис. 10. Зависимость температуры замерзания воды от концентрации раствора. Ингибиторы: 1–глицерин; 2–ТЭГ; 3–ДЭГ; 4–ЭГ; 5–С 2 Н 5 ОН; 7–NaCl; 8– CaCI 2 ; 9–MgCl 2.

Для быстрого разложения гидратной пробки применяют комбинированный способ; одновременно с вводом ингибитора в зоне образования гидратов снижают давление.

Ликвидация гидратных пробок методом снижения давления. Сущность этого метода заключается в нарушении равновесного состояния гидратов, в результате чего происходит их разложение. Давление снижают тремя способами:

– отключают участок газопровода, где образовалась пробка, и с двух сторон через свечи пропускают газ;

– перекрывают линейный кран с одной стороны и выпускают в атмосферу газ, заключенный между пробкой и одним из перекрытых кранов;

– отключают участок газопровода с обеих сторон пробки и выпускают в атмосферу газ, заключенный между пробкой и одним из перекрытых кранов.

После разложения гидратов учитывают следующее: возможность накопления жидких углеводородов на продуваемом участке и образование повторных гидратоледяных пробок за счет резкого снижения температуры.

При отрицательных температурах по методу снижения давления в некоторых случаях не получают должного эффекта, так как вода, образовавшаяся в результате разложения гидратов, переходит в лед и образует ледяную пробку. В этом случае метод снижения давления используют в комбинации выводом в трубопровод ингибиторов. Количество ингибитора должно быть таким, чтобы при данной температуре раствор из введенного ингибитора и воды, получившийся при разложении гидратов, не замерзал (рис. 10).

Разложение гидратов снижением давления в комбинации с вводом ингибиторов происходит гораздо быстрее, чем при использовании каждого метода в отдельности.

Ликвидация гидратных пробок в трубопроводах природных и сжиженных газов методом подогрева. При этом способе повышение температуры выше равновесной температуры образования гидратов приводит к их разложению. На практике трубопровод подогревают горячей водой или паром. Исследования показали, что повышение температуры в точке контакта гидрата и металла до 30–40°С достаточно для быстрого разложения гидратов.

Ингибиторы для борьбы с образованием гидратов

На практике для борьбы с образованием гидратов широко применяют метанол и гликоли. Иногда используют жидкие углеводороды, ПАВ, пластовую воду, смесь различных ингибиторов, например метанола с растворами хлористого кальция и т. д.

Метанол обладает высокой степенью понижения температуры гидратообразования, способностью быстро разлагать уже образовавшиеся гидратные пробки и смешиваться с водой в любых соотношениях, малой вязкостью и низкой температурой замерзания.

Метанол – сильный яд, попадание в организм даже небольшой дозы его может привести к смертельному исходу, поэтому при работе с ним требуется особая осторожность.

Гликоли (этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль) часто используют для осушки газа и в качестве ингибитора для борьбы с отложениями гидратов. Наиболее распространен как ингибитор диэтиленгликоль, хотя применение этиленгликоля более эффективно: его водные растворы имеют более низкую температуру замерзания, меньшую вязкость, а также малую растворимость в углеводородных газах, что значительно снижает его потери.

Количество метанола, требуемого для предупреждения образования гидратов в сжиженных газах, можно определить по графику, приведенному на рис. 12. Для определения расхода метанола, необходимого для предупреждения гидратооб-разования в природных и сжиженных газах, поступают следующим образом. К расходу его, найденному по рис. 11 и 12, следует приплюсовать количество метанола, переходящего в газовую фазу. Количество метанола в газовой фазе значительно превышает содержание его в жидкой фазе.

БОРЬБА С ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯМИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ

(Громов В.В., Козловский В.И. Оператор магистральных газопроводов. – М.; Недра, 1981. – 246 с.)

Образование кристаллогидратов в газопроводе происходит при полном насыщении газа парами воды при определенном давлении и температуре. Кристаллогидраты – неустойчивые соединения углеводородов с водой. По внешнему виду они похожи на спрессованный снег. Гидраты, извлеченные из газопровода, на воздухе быстро распадаются на газ и воду.

Образованию гидратов способствуют наличие в газопроводе воды, увлажняющей газ, посторонних предметов, сужающих сечение газопровода, а также земли и песка, частицы которых служат центрами кристаллизации. Немаловажное значение имеет содержание в природном газе других углеводородных газов помимо метана (С 3 Н 8 , C 4 H 10 , H 2 S).

Зная, при каких условиях образуются гидраты в газопроводе (состав газа, точка росы – температура, при которой конденсируется содержащаяся в газе влага, давление и температура газа по трассе), можно принимать меры для предотвращения их образования. В борьбе с гидратами самым радикальным способом является осушка газа на головных сооружениях газопровода до точки росы, которая была бы на 5–7°С ниже возможной самой низкой температуры газа в газопроводе в зимний период.

При недостаточной осушке или при отсутствии ее для предотвращения образования и разрушения образовавшихся гидратов применяются ингибиторы, поглощающие из газа ";асть водяных паров и делающие его неспособным к гидратообразо-ванию при данном давлении. Известны такие ингибиторы, как метиловый спирт (метанол–СН 3 ОН), растворы этиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиленгликоля, хлористого кальция. Из перечисленных ингибиторов на магистральных газопроводах часто применяют метанол.

Для разрушения образовавшихся гидратов используется метод снижения давления на участке газопровода до давления, близкого к атмосферному (не ниже избыточного 200–500 Па). Гидратная пробка разрушается за время от 20–30 мин до нескольких часов в зависимости от характера и размера пробки, температуры грунта. На участке с отрицательной температурой грунта вода, образующаяся в результате разложения гидратов, может замерзнуть, образовав ледяную пробку, ликвидировать которую гораздо труднее, чем гидратную. Для ускорения разрушения пробки и предотвращения образования льда описанный способ применяется попутно с разовой заливкой большого количества метанола.

Повышенные перепады давления в газопроводе обнаруживаются по показаниям манометров, установленных на кранах по трассе газопровода. По показаниям манометров строятся графики падения давления. Если измерять давление на участке длиной / в одно и то же время и значения квадратов абсолютного давления нанести на график с координатами р 2 (МПа)-l (км), тогда все точки должны лечь на одну и ту же прямую (рис. 13). Отклонение от прямой на графике показывает участок с ненормальным перепадом давления, где идет процесс образования гидратов.

При обнаружении ненормального перепада давления в газопроводе обычно включают в работу метанольную установку или при отсутствии последней производят одноразовую заливку -метанола через свечу, для чего к верхнему концу свечи приваривают кран. При закрытом нижнем кране через верхний кран в свечу заливается метанол. Затем верхний кран закрывается, а нижний открывается. После того как метанол стечет в газопровод, нижний кран закрывается. Для заливки необходимого количества метанола эту операцию повторяют несколько раз.

Подача метанола через метанольницу и единовременная заливка метанола могут не дать должного эффекта или, судя по величине и быстрому росту перепада давления, создается угроза закупорки. Указанным способом заливают одновременно большое количество метанола и по ходу газа производят продувку газом. Количество метанола, заливаемое в участок газопровода протяженностью 20–25 км и диаметром 820 мм, составляет 2–3 т. Заливка метанола производится через свечу в начале участка, после этого краны в начале и конце участка перекрывают, газ сбрасывают в атмосферу через свечу перед краном на конце участка.

При более тяжелом положении после заливки метанола участок газопровода отключают, перекрывая краны на обоих концах, газ сбрасывают через свечи на обоих концах, снижая давление почти до атмосферного (не ниже избыточного 200– 500 Па). Через некоторое время, в течение которого гидратная пробка при отсутствии давления и под действием метанола должна разрушиться, открывают кран в начале участка и производят продувку через свечу в конце участка, чтобы стронуть пробку с места. Ликвидация гидратной пробки с применением продувки небезопасна, так как при внезапном разрушении ее в газопроводе могут возникнуть большие скорости потока газа, увлекающего остатки разрушенной пробки. Необходимо тщательно следить за давлением на участке до и после пробки, чтобы не допустить очень большого перепада. При большом перепаде, свидетельствующем о перекрытии значительной части сечения трубы, место образования пробки легко определить по характерному шуму, возникающему при дросселировании газа, который прослушивается с поверхности земли. При полной закупорке газопровода шума не бывает.

Соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и . Имя клатраты, от латинского «clathratus», что значит «сажать в клетку», было дано Пауэллом в . Гидраты газа относятся к нестехиометрическим, то есть к соединениям переменного состава. Впервые гидраты газов (сернистого газа и хлора) наблюдали ещё в конце Дж. Пристли, Б. Пелетье и В. Карстен.

Впервые газовые гидраты были описаны Гемфри Дэви в 1810 году. К 1888 году Вилард получает гидраты , C 2 H 2 , и N 2 O.

В 40-е годы советские учёные высказывают гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне . В 60-е годы они же обнаруживают первые меторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальные источник топлива. Постепенно выясняется их широкое распространение в океанах и нестабильность при повышении температуры. Поэтому сейчас природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата.

Свойства гидратов

Газовые гидраты внещне напоминают спресованный снег. Они часто имеют характерный запах природного газа, и могут гореть. Благодаря своей клатратной структуре единичный объём газового гидрата может содержать до 160-180 см³ чистого газа. Они легко распадаются на воду и газ при повышении температуры.

Строение гидратов

В структуре газогидратов молекулы образуют ажурный каркас (то есть решётку хозяина), в котором имеются полости. Эти полости могут занимать 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-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включённую молекулу газа, причём n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры. В настоящее время известно по крайней мере три кристаллические модификации газогидратов:

Структура I.

Структура II.

Структура H.

Газовые гидраты в природе

Большинство ( , и т. п.) образуют гидраты, которые существуют при определённых термобарических условиях. Область их существования приурочена к морским донным осадкам и к областям пород. Преобладающими природными газовыми гидратами являются и диоксида углерода.

При добыче газа гидраты могут образовываться в стволах скважин, промысловых 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 ( , гликоли, 30%-ный раствор CaCl 2), 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.

Гидраты природных газов

Исследованиями доказано, что в определённых термодинамических условиях природный газ в земной коре вступает в соединение с пластовой поровой водой, образуя твёрдые соединения - гидраты газов, крупные скопления которых образуют газогидратные залежи.

Природный газ в связанном гидратном состоянии характеризуется иными свойствами, чем в свободном состоянии.

Гидраты газов представляют собой твёрдые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определённых давлениях и температурах заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи. Молекулы воды при образовании гидрата и сооружении ажурных полостей как бы раздвигаются молекулами газа, заключенными в эти полости, - удельный объем воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26-1,32 см3/г (удельный объем воды в состоянии льда составляет 1,09 см3/г).

В настоящее время получены и изучены равновесные параметры гидратообразования практически всех известных природных и синтетических газов. Исключение составляют водород, гелий и неон.

Цель моей работы - узнать, что такое гидраты природных газов и рассмотреть газогидратные залежи на примерах.

Задачами являются:

1. узнать историю изучения природных газов

2. изучить свойства гидратов

3. рассмотреть месторождения

Газовые гидраты (также гидраты природных газов или клатраты) - кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Имя «клатраты» (от лат. clathratus - «сажать в клетку»), было дано Пауэллом в 1948 году. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава.

Впервые гидраты газов (сернистого газа и хлора) наблюдали ещё в конце XVIII века Дж. Пристли, Б. Пелетье и В. Карстен. Первые описания газовых гидратов были приведены Г. Дэви в 1810 году (гидрат хлора). В 1823 г. Фарадей приближённо определил состав гидрата хлора, в 1829 г. Левит обнаружил гидрат брома, а в 1840 г. Вёлер получит гидрат H2S. К 1888 году П. Виллар получает гидраты CH4, C2H6, C2H4, C2H2 и N2O.

Клатратная природа газовых гидратов подтверждена в 1950-е гг. после рентгеноструктурных исследований Штакельберга и Мюллера, работ Полинга, Клауссена.

В 1940-е годы советские учёные высказывают гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты (Стрижов, Мохнаткин, Черский). В 1960-е годы они же обнаруживают первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. Одновременно с этим возможность образования и существования гидратов в природных условиях находит лабораторное подтверждение (Макогон).

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(Рис.1)

Рис.1. Запасы углеводородных ресурсов.

Выясняется их широкое распространение в океанах и криолитозоне материков, нестабильность при повышении температуры и понижении давления.

В 1969 г. началась разработка Мессояхского месторождения в Сибири, где, как считается, впервые удалось (по чистой случайности) извлечь природный газ непосредственно из гидратов (до 36 % от общего объёма добычи по состоянию на 1990 г.).

Сейчас природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата (см. Гипотеза о метангидратном ружье).

Общие сведения о гидратах

Природный газ, насыщенный парами воды, при высоком давлении и при определенной положительной температуре способен образовывать твердые соединения с водой - гидраты.

Гидраты – это физико-химические соединения углеводородных и не углеводородных газов с водой. Гидраты природных газов являются смешанными.

Рис.2. Газогидрат метана

По внешнему виду похожи на рыхловатый снег (Рис.2.). Основным условие для образования гидратов являются снижение температуры и повышение давления и наличие влаги. На их образование влияет состав газа. Сероводород и углекислый газ способствует образованию гидратов особенно сероводород, даже при незначительном содержании сероводорода повышается температура гидратообразования. Азот, углеводороды тяжелее бутана, а также минерализированная пластовая вода ухудшают условия образования гидратов.

Рис. 3. Равновесные гидратообразования.

Вероятность образования гидратов увеличивается с повышением давления и понижением температуры, так как повышается влагоемкость газа (Рис.3). В транспортируемом газе всегда присутствует определенное количество воды и если оно такого, что газ насыщается влагой, то при снижении температуры ниже «точки росы по воде», в газопроводе будут образовываться гидраты.

Гидраты относятся к веществам, в которых молекулы одних компонентов размещены в полостях решетки между узлами ассоциированных молекул другого компонента. Такие соединения обычно называют твердыми растворами внедрения, а иногда соединениями включения.

Рис. 4. Структура образования гидратов.

Молекулы гидратообразователей в полостях между узлами ассоциированных молекул воды гидратной решетки удерживаются с помощью Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения. Гидраты образуются в виде двух структур, полости которых заполняются молекулами гидратообразователей частично или полностью (Рис. 4). В 1 (а) структуре 46 молекул воды образуют две полости с внутренним диаметром 5,2 * 10 - 10 м и шесть полостей с внутренним диаметром 5,9 *10 - 10 м; во II (б) структуре 136 молекул воды образуют восемь больших полостей с внутренним диаметром 6,9*10 - 10 м и шестнадцать малых полостей с внутренним диаметром 4,8*10 - 10 м.

При заполнении восьми полостей гидратной решетки состав гидратов структуры 1 выражается формулой 8M - 46Н2О или М - 5,75Н2О, где М - гидратообразователь.

Свойства гидратов

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).

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 (внук)- 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.

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·H2O, где М - молекула газа-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включённую молекулу газа, причём n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, 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, КС-II, в то время как остальные являются метастабильными.

Газовые гидраты в природе

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.

Условия залегания газогидратов

Гидраты газов представляют собой твердые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных давлении и температуре заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью водородной связи. Молекулы воды как бы раздвигаются молекулами газа - плотность воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26 - 1,32 см3/г (плотность льда 1,09см3/г). Один объем воды в гидратном состоянии связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа.

Рисунок ниже представляет собой диаграмму гетерогенного состояния газов (по Ю.Ф. Макогону):

1 - N2; 2 - СН4; 3 - СО2;

природная газовая смесь с относительной плотностью по воздуху: 4 - 0,6, 5 - 0,8: 6 - C2H6.; 7 - С3Н8: 8 -H2S

Условия образования гидратов определяются составом газа, состоянием воды, внешними давлением и температурой и выражаются диаграммой гетерогенного состояния в координатах р - Т (рис. 5). Для заданной температуры повышение давления выше давления, соответствующего равновесной кривой, сопровождается соединением молекул газа с молекулами воды и образованием гидратов. Обратное снижение давления (или повышение температуры при неизменном давлении) сопровождается разложением гидрата на газ и воду.

Плотность гидратов природных газов составляет от 0,9 до 1,1 г/см3.

Газогидратные залежи - это залежи, содержащие газ, находящийся частично или полностью в гидратном состоянии (в зависимости от термодинамических условий и стадии формирования). Для формирования и сохранения газогидратных залежей не нужны литологические покрышки: они сами являются непроницаемыми экранами, под которыми могут накапливаться залежи нефти и свободного газа. Газогидратная залежь внизу может контактировать с пластовой подошвенной водой, газовой залежью или непроницаемыми пластами.

Процесс образования гидратов происходит с выделением тепла от 14 до 134 кДж/моль при t > 00 С. При t < 00 C теплота гидратообразования составляет 16-30 кДж/моль.

Газогидратная залежь снизу может контактировать с пластовой, подошвенной или крыльевой водой, со свободной газовой, газоконденсатной или нефтяной залежью или газонепроницаемыми пластами. ГГЗ приурочены к охлаждённым разрезам осадочного чехла земной коры на материках и в акватории Мирового океана.

Как правило, в пределах материков ГГЗ приурочены к районам распространения многолетнемёрзлых пород. На материках глубина залегания этих залежей достигает 700-1500 м.

Как известно, большая часть дна мирового океана сложена осадочными породами мощностью от десятков до тысячи и более метров. Современный термодинамичекий режим придонной части океана, начиная с глубин 150-500м, соответствует условиям существования гидратов природных газов.

Присутствие гидратов в разрезе можно обнаружить стандартными методами каротажа. Гидратсодержащие пласты характеризуются:

Незначительной амплитудой ПС;

Отсутствием или малым значением приращения показаний микроградиент-зонда;

Интенсивностью вторичной a активности, близкой к интенсивности водонасыщенных пластов;

Отсутствием глинистой корки и наличием каверн;

Значительной (в большинстве случаев) величиной rк; повышенной скоростью прохождения акустических волн и др.

В основе разработки газогидратных залежей лежит принцип перевода газа в залежи из гидратного состояния в свободное и отбора его традиционными методами с помощью скважин. Перевести газ из гидратного состояния в свободное можно путем закачки в пласт катализаторов для разложения гидрата; повышения температуры залежи выше температуры разложения гидрата; снижения давления ниже давления разложения гидрата; термохимического, электроакустического и других воздействий на газогидратные залежи.

При вскрытии и разработке газогидратных залежей необходимо иметь в виду их специфические особенности, а именно: резкое увеличение объема газа при переходе его в свободное состояние; постоянство пластового давления, соответствующего определенной изотерме разработки газогидратной залежи; высвобождение больших объемов воды при разложении гидрата и др.

Научные исследования

В последние годы интерес к проблеме газовых гидратов во всем мире значительно усилился. Рост активности исследований объясняется следующими основными факторами:

активизацией поисков альтернативных источников углеводородного сырья в странах, не обладающих ресурсами энергоносителей, так как газовые гидраты являются нетрадиционным источником углеводородного сырья, опытно-промышленное освоение, которого может начаться в ближайшие годы;

необходимостью оценки роли газовых гидратов в приповерхностных слоях геосферы, особенно в связи с их возможным влиянием на глобальные климатические изменения;

изучением закономерностей образования и разложения газовых гидратов в земной коре в общетеоретическом плане с целью обоснования поисков и разведки традиционных месторождений углеводородов (природные гидратопроявления могут служить маркерами более глубокозалегающих обычных месторождений нефти и газа);

активным освоением месторождений углеводородов, расположенных в сложных природных условиях (глубоководный шельф, полярные регионы), где проблема техногенных газогидратов обостряется;

целесообразностью сокращения эксплуатационных затрат на предупреждение гидратообразования в промысловых системах добычи газа за счёт перехода на энерго-ресурсосберегающие и экологически чистые технологии;

возможностью использования газогидратных технологий при разработке, хранении и транспорте природного газа.

В последние годы (после проведения в 2003 году совещания в ОАО «Газпром») исследования гидратов в России продолжались в различных организациях как посредством госбюджетного финансирования (два интеграционных проекта Сибирского отделения РАН, небольшие гранты РФФИ, грант губернатора Тюмени, грант министерства высшего образования РФ), так и за счёт грантов международных фондов - ИНТАС, СРДФ, ЮНЕСКО (по программе «плавучий университет» - морские экспедиции под эгидой ЮНЕСКО под лозунгом Training Through Research - обучение через исследования), КОМЕКС (Kurele-Okhosk-Marine Experiment), ЧАОС (Carbon-Hydrate Accumulations in the Okhotsk Sea) и др.

В 2002-2004 гг. исследования по нетрадиционным источникам углеводородов, включая газовые гидраты (с учетом коммерческих интересов ОАО «Газпром»), продолжались в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ОАО «Промгаз» при небольшом масштабе финансирования. В настоящее время исследования по газовым гидратам проводятся в ОАО «Газпром» (главным образом, в ООО «Газпром ВНИИГАЗ»), в институтах Российской академии наук, в университетах.

Исследования геологических и технологических проблем газовых гидратов были начаты в середине 60-х годов специалистами ВНИИГАЗа. Вначале ставились и решались технологические вопросы предупреждения гидратообразования, затем тематика постепенно расширялась: включались в сферу интересов кинетические аспекты гидратообразования, далее значительное внимание было уделено геологическим аспектам, в частности возможностям существования газогидратных залежей, теоретическим проблемам их освоения.

Геологические исследования газовых гидратов

В 1970 году в Государственный реестр открытий СССР было внесено научное открытие «Свойство природных газов находиться в твёрдом состоянии в земной коре» под № 75 с приоритетом от 1961 г., сделанное российскими учеными В. Г. Васильевым, Ю. Ф. Макогоном, Ф. Г. Требиным, А. А. Трофимуком и Н. В. Черским. После этого геологические исследования газовых гидратов получили серьёзный импульс. Прежде всего, были разработаны графоаналитические методы выделения термодинамических зон стабильности газогидратов в земной коре (ЗСГ). При этом выяснилось, что зона стабильности гидратов (ЗСГ) метана, наиболее распространенного в земной коре углеводородного газа, покрывает до 20 % суши (в районах распространения криолитозоны) и до 90 % дна океанов и морей.

Эти сугубо теоретические результаты активизировали поиски гидратосодержащих пород в природе: первые успешные результаты были получены сотрудниками ВНИИГАЗа А. Г. Ефремовой и Б. П. Жижченко при донном пробоотборе в глубоководной части Чёрного моря в 1972 году. Они визуально наблюдали вкрапления гидратов, похожие на иней в кавернах извлеченного со дна грунта. Фактически, это первое, официально признанное в мире наблюдение природных газовых гидратов в породах. Данные А. Г. Ефремовой и Б. П. Жижченко впоследствии многократно цитировались зарубежными и отечественными авторами. На основе их исследований в США были разработаны первые методы отбора образцов субмаринных газогидратов. Позже А. Г. Ефремова, работая в экспедиции по донному пробоотбору в Каспийском море (1980 г.), также впервые в мире установила гидратоносность донных отложений этого моря, что позволило при более поздних детализированных исследованиях другим ученым (Г. Д. Гинсбург, В. А. Соловьев и др.) выделить в Южном Каспии гидратоносную провинцию (связанную с грязевулканизмом).

Большой вклад в геологические и геофизические исследования гидратосодержащих пород внесли сотрудники Норильской комплексной лаборатории ВНИИГАЗа М. Х. Сапир, А. Э. Беньяминович и др., изучавшие Мессояхское газовое месторождение, начальные пластовые Р, Т-условия которого практически совпадали с условиями гидратообразования метана. Этими исследователями в начале 70-х годов были заложены принципы распознавания гидратосодержащих пород по данным комплексного скважинного каротажа. В конце 70-х годов исследования в этой области в СССР практически прекратились. В то же время, в США, Канаде, Японии и других странах они получили развитие и к настоящему времени отработаны методики геофизического выделения гидратонасыщенных пород в геологических разрезах по данным комплекса каротажных данных. В России на базе ВНИИГАЗа были поставлены одни из первых экспериментальных исследований в мире по моделированию гидратообразования в дисперсных породах. Так, А. С. Схаляхо (1974 г.) и В. А. Ненахов (1982 г.) путём насыщения гидратами песчаных образцов установили закономерность изменения относительной проницаемости породы по газу в зависимости от гидратонасыщенности (А. С. Схаляхо) и предельный градиент сдвига поровой воды в гидратосодержащих породах (В. А. Ненахов) - две важные для прогноза добычи газогидратного газа характеристики.

Также была проведена важная работа Е. В. Захарова и С. Г. Юдина (1984 г.) по перспективам поиска гидратосодержащих отложений в Охотском море. Эта публикация оказалась прогностической: через два года после её опубликования появилась целая серия статей об обнаружении гидратосодержащих отложений при сейсмопрофилировании, донном пробоотборе, и даже при визуальном наблюдении с подводных обитаемых аппаратов в различных частях Охотского моря. К настоящему времени ресурсы гидратного газа России только в обнаруженных субмаринных скоплениях оцениваются в несколько трлн.м³. Несмотря на прекращение финансирования исследований по природным газогидратам в 1988 году, работы во ВНИИГАЗе были продолжены В. С. Якушевым, В. А. Истоминым, В. И. Ермаковым и В. А. Скоробогатовым на безбюджетной основе (исследования природных газогидратов не включались в официальную тематику института вплоть до 1998 года). Особую роль в организации и постановке исследований сыграл профессор В. И. Ермаков, который постоянно уделял внимание последним достижениям в области природных газогидратов и поддерживал эти исследования во ВНИИГАЗе на протяжении всей своей работы в институте.

В 1986-1988 гг. были разработаны и сконструированы две оригинальные экспериментальные камеры по исследованию газогидратов и гидратосодержащих пород, одна из которых позволяла наблюдать за процессом образования и разложения гидратов углеводородных газов под оптическим микроскопом, а другая - проводить изучение образования и разложения гидратов в породах различного состава и строения благодаря сменной внутренней гильзе.

К настоящему времени подобные камеры в модифицированном виде для исследований гидратов в поровом пространстве используются в Канаде, Японии, России и других странах. Проведенные экспериментальные исследования позволили обнаружить эффект самоконсервации газогидратов при отрицательных температурах.

Он заключается в том, что если монолитный газогидрат, полученный при обычных равновесных условиях, охладить до температуры ниже 0°С и сбросить давление над ним до атмосферного, то после первичного поверхностного разложения, газогидрат самоизолируется от окружающей среды тонкой пленкой льда, препятствующей дальнейшему разложению. После этого гидрат может храниться длительное время при атмосферном давлении (зависит от температуры, влажности и других параметров внешней среды). Обнаружение этого эффекта внесло значительный вклад в изучение природных газогидратов.

Разработка методики получения и изучения гидратосодержащих образцов различных дисперсных пород, уточненение методики изучения природных гидратосодержащих образцов, проведение первые исследования природных гидратосодержащих образцов, поднятых из мерзлой толщи Ямбургского ГКМ (1987 г.) подтвердили существование гидратов метана в «законсервированном» виде в мерзлой толще, а также позволили установить новый тип газогидратных залежей - реликтовые газогидратные залежи, распространенные вне современной ЗСГ.

Кроме того, эффект самоконсервации открыл новые возможности для хранения и транспорта газа в сконцентрированном виде, но без повышенного давления. Впоследствии эффект самоконсервации экспериментально был подтвержден исследователями в Австрии (1990 г.) и Норвегии (1994 г.) и в настоящее время исследуется специалистами из разных стран (Япония, Канада, США, Германия, Россия).

В середине 90-тых годов ВНИИГАЗом в содружестве с Московским Государственным Университетом (кафедра геокриологии - доцент Е. М. Чувилин с сотрудниками) были проведены исследования образцов керна из интервалов газопроявлений из толщи ММП в южной части Бованенковского ГКМ по методике, разработанной ранее при исследованиях образцов ММП Ямбургского ГКМ.

Результаты исследований показали присутствие в поровом пространстве мерзлых пород рассеянных реликтовых газогидратов. Аналогичные результаты позже были получены и при исследовании ММП в дельте реки Маккензи (Канада), где гидраты были идентифицированы не только по предложенной российской методике, но и наблюдались в керне визуально.

Экспериментальные и теоретические исследования свойств газовых гидратов

В 60-70-тые годы основное внимание уделялось условиям образования газовых гидратов из бинарных и многокомпонентных смесей, в том числе и в присутствии ингибиторов гидратообразования.

Экспериментальные исследования проводились специалистами ВНИИГАЗа Б. В. Дегтяревым, Э. Б. Бухгалтером, В. А. Хорошиловым, В. И. Семиным и др. На базе этих исследований были предложены первые эмпирические методы расчета фазовых равновесий газовых гидратов и разработаны инструкции по предупреждению гидратообразования в системах добычи газа.

Освоение Оренбургского месторождения с аномально-низкими пластовыми температурами привело к необходимости изучения проблем, связанных с гидратообразованием сероводородсодержащих газов. Это направление разрабатывалось А. Г. Бурмистровым. Им были получены практически важные данные по гидратообразованию в трехкомпонентных газовых смесях «метан - сероводород - диоксид углерода» и разработаны уточненные методики расчета применительно к сероводородсодержащим природным газам месторождений Прикаспийской впадины.

Следующий этап исследований термодинамики гидратообразования связан с освоением гигантских северных месторождений - Уренгойского и Ямбургского. Для совершенствования методов предупреждения гидратообразования применительно к системам сбора и промысловой обработки конденсатсодержащих газов понадобились экспериментальные данные по условиям гидратообразования в высококонцентрированных растворах метанола в широком диапазоне температур и давлений. В ходе экспериментальных исследований (В. А. Истомин, Д. Ю. Ступин и др.) выяснились серьёзные методические трудности получения представительных данных при температурах ниже минус 20 °C. В связи с этим была разработана новая методика исследований фазовых равновесий газовых гидратов из многокомпонентных газовых смесей с регистрацией тепловых потоков в гидратной камере и при этом обнаружена возможность существования метастабильных форм газовых гидратов (на стадии их образования), что подтвердилось последующими исследованиями зарубежных авторов. Анализ и обобщение новых экспериментальных и промысловых данных (как отечественных, так и зарубежных) дал возможность разработать (В. А. Истомин, В. Г. Квон, А. Г. Бурмистров, В. П. Лакеев) инструкцию по оптимальному расходу ингибиторов гидратообразования (1987 г.).

В настоящее время во ВНИИГАЗе начат новый цикл исследований по предупреждению техногенного гидратообразования. Значительные усилия учёных А. И. Гриценко, В. И. Мурина, Е. Н. Ивакина и В. М. Булейко были посвящены исследованиям теплофизических свойств газовых гидратов (теплотам фазовых переходов, теплоемкостям и теплопроводностям).

В частности, В. М. Булейко, проводя калориметрические исследования газового гидрата пропана, обнаружил метастабильные состояния газовых гидратов при их разложении. Что касается кинетики гидратообразования, то ряд интересных результатов был получен В. А. Хорошиловым, А. Г. Бурмистровым, Т. А. Сайфеевым и В. И. Семиным, особенно по гидратообразованию в присутствии ПАВ.

В последние годы эти ранние исследования российских учёных были «подхвачены» специалистами ряда зарубежных фирм с целью разработки новых классов так называемых низкодозируемых ингибиторов гидратообразования.

Проблемы и перспективы, связанные с природными газогидратами

Освоение месторождений севера Западной Сибири с самого начала столкнулось с проблемой выбросов газа из неглубоких интервалов криолитозоны. Эти выбросы происходили внезапно и приводили к остановке работ на скважинах и даже к пожарам. Так как выбросы происходили из интервала глубин выше зоны стабильности газогидратов, то длительное время они объяснялись перетоками газа из более глубоких продуктивных горизонтов по проницаемым зонам и соседним скважинам с некачественным креплением. В конце 80-х годов на основе экспериментального моделирования и лабораторных исследований мерзлого керна из криолитозоны Ямбургского ГКМ удалось выявить распространение рассеянных реликтовых (законсервировавшихся) гидратов в четвертичных отложениях. Эти гидраты совместно с локальными скоплениями микробиального газа могут сформировать газоносные пропластки, откуда происходят выбросы при бурении. Присутствие реликтовых гидратов в неглубоких слоях криолитозоны было в дальнейшем подтверждено аналогичными исследованиями на севере Канады и в районе Бованенковского ГКМ. Таким образом, сформировались представления о новом типе газовых залежей - внутримерзлотных метастабильных газ-газогидратных залежах, которые, как показали испытания мерзлотных скважин на Бованенковском ГКМ, представляют собой не только осложняющий фактор, но и определённую ресурсную базу для местного газоснабжения.

Внутримерзлотные залежи содержат лишь незначительную часть ресурсов газа, которые связывают с природными газогидратами. Основная часть ресурсов приурочена к зоне стабильности газогидратов - тому интервалу глубин (обычно первые сотни метров), где имеют место термодинамические условия для гидратообразования. На севере Западной Сибири это интервал глубин 250-800 м, в морях - от поверхности дна до 300-400 м, в особо глубоководных участках шельфа и континентального склона до 500-600 м под дном. Именно в этих интервалах была обнаружена основная масса природных газогидратов.

В ходе изучения природных газогидратов выяснилось, что отличить гидратосодержащие отложения от мерзлых современными средствами полевой и скважинной геофизики не представляется возможным. Свойства мерзлых пород практически полностью аналогичны свойствам гидратосодержащих. Определенную информацию о присутствии газогидратов может дать каротажное устройство ядерного магнитного резонанса, но оно весьма дорогостояще и применяется крайне редко в практике геолого-разведочных работ. Основным показателем наличия гидратов в отложениях являются исследования керна, где гидраты либо видны при визуальном осмотре, либо определяются по замеру удельного газосодержания при оттаивании.

Перспективы применения в промышленности газогидратных технологий

Технологические предложения по хранению и транспорту природного газа в гидратном состоянии появились ещё в 40-х годах 20-ого века. Свойство газовых гидратов при относительно небольших давлениях концентрировать значительные объёмы газа привлекает внимание специалистов длительное время. Предварительные экономические расчеты показали, что наиболее эффективным оказывается морской транспорт газа в гидратном состоянии, причем дополнительный экономический эффект может быть достигнут при одновременной реализации потребителям транспортируемого газа и чистой воды, остающейся после разложения гидрата (при образовании газогидратов вода очищается от примесей). В настоящее время рассматриваются концепции морского транспорта природного газа в гидратном состоянии при равновесных условиях, особенно при планировании разработки глубоководных газовых (в том числе и гидратных) месторождений, удаленных от потребителя.

Однако в последние годы все большее внимание уделяется транспорту гидратов в неравновесных условиях (при атмосферном давлении). Ещё одним аспектом применения газогидратных технологий является возможность организации газогидратных хранилищ газа в равновесных условиях (под давлением) вблизи крупных потребителей газа. Это связано со способностью гидратов концентрировать газ при относительно низком давлении. Так, например, при температуре +4°С и давлении 40 атм., концентрация метана в гидрате соответствует давлению в 15 - 16 МПа (150-160 атм.).

Сооружение подобного хранилища не является сложным: хранилище представляет собой батарею газгольдеров, размещенных в котловане или ангаре, и соединённую с газовой трубой. В весенне-летний период хранилище заполняется газом, формирующим гидраты, в осенне-зимний - отдает газ при разложении гидратов с использованием низкопотенциального источника теплоты. Строительство подобных хранилищ вблизи теплоэнергоцентралей может существенно сгладить сезонную неравномерность в производстве газа и представлять собой реальную альтернативу строительству ПХГ в ряде случаев.

В настоящее время активно разрабатываются газогидратные технологии, в частности, для получения гидратов с использованием современных методов интенсификации технологических процессов (добавки ПАВ, ускоряющие тепломасооперенос; использование гидрофобных нанопорошков; акустические воздействия различного диапазона, вплоть до получения гидратов в ударных волнах и др.).

Добыча гидратов природного газа

На сегодняшний день разрабатывается 3 основных способа добычи гидратов природного газа. 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 или как-то изменяют свою форму, тем самым высвобождая молекулы природного газа, заключенные внутри кристалла.

Три основных перспективных метода добычи гидратов природного газа: термальное воздействие, снижение давления и воздействие ингибитором (веществом, замедляющим химические процессы, реакции).

Рис. 5. Способы добычи гидратов природного газа.

Термальное воздействие .

Этот метод основан на подаче тепла внутрь кристаллической структуры гидрата с целью повышения температуры и ускорения процесса диссоциации. Практическим примером такого метода может служить накачивание теплой морской воды внутрь слоя гидратов газа, залегающего на дне моря. Как только газ начнет высвобождаться из слоя морских отложений, его можно будет собрать.

Воздействие ингибитором

Некоторые виды спиртов, например метанол, действуют как ингибиторы при подаче внутрь слоя залегания гидратов газа, и вызывают изменение состава гидрата. Ингибиторы изменяют условия температуры и давления, способствуя диссоциации гидратов и высвобождению содержащегося в них метана.

Снижение давления.

В некоторых месторождениях гидратов есть участки, где природный газ уже

Еще несколько лет назад среди экономистов, то есть людей, далеких от техники, была популярна теория «исчерпания углеводородов». Во многих изданиях, составляющих цвет глобальной финансовой элиты, обсуждалось: каким же будет мир, если вскоре на планете совсем закончится, например, нефть? А какими будут цены на нее, когда процесс «исчерпания» вступит, так сказать, в активную фазу?

Впрочем, «сланцевая революция», происходящая сейчас буквально на наших глазах, убрала эту тему как минимум на задний план. Всем стало понятно то, о чем раньше говорили лишь некоторые специалисты: углеводородов на планете еще достаточно. Говорить об их физическом исчерпании явно рано.

Реальный же вопрос – в развитии новых технологий добычи, позволяющих добывать углеводороды из источников, ранее считавшихся недоступными, а также в стоимости получаемых с их помощью ресурсов. Добыть можно почти все что угодно, просто это будет дороже.

Все это заставляет человечество искать новые «нетрадиционные источники традиционного топлива». Одним из них как раз и является упомянутый выше сланцевый газ. О различных аспектах, связанных с его добычей, «ГАЗTechnology» писал уже не раз.

Однако есть и другие такие источники. В их числе и «герои» нашего сегодняшнего материала – газовые гидраты.

Что это такое? В самом общем смысле газовые гидраты – это кристаллические соединения, образующиеся из газа и воды при определенных температуре (достаточно низкой) и давлении (довольно высоком).

Заметим: в их образовании могут принимать участие самые разные химические вещества. Речь совсем не обязательно идет именно об углеводородах. Первые гидраты газов, которые когда-либо наблюдали ученые, состояли из хлора и сернистого газа. Произошло это, кстати, еще в конце XVIII века.

Однако, поскольку нас интересуют практические аспекты, связанные с добычей природного газа, мы здесь будем говорить, прежде всего, об углеводородах. Тем более что в реальных условиях среди всех гидратов преобладают именно гидраты метана.

Согласно теоретическим оценкам, запасы подобных кристаллов буквально поражают воображение. По самым скромным подсчетам речь идет о 180 триллионах кубических метров. Более оптимистические оценки дают цифру, которая в 40 тысяч раз больше. При таких показателях, согласитесь, говорить об исчерпаемости углеводородов на Земле даже как-то неудобно.

Надо сказать, что гипотеза о наличии в условиях сибирской мерзлоты огромных залежей газовых гидратов была выдвинута советскими учеными еще в грозные 40-е годы прошлого века. Через пару десятилетий она нашла свое подтверждение. А в конце 60-х даже началась разработка одного из месторождений.

Впоследствии ученые подсчитали: зона, в которой гидраты метаны способны находится в стабильном состоянии, покрывает 90 процентов всего морского и океанского дна Земли и плюс 20 процентов суши. Выходит, что речь идет о потенциально общераспространенном полезном ископаемом.

Идея добывать «твердый газ» действительно выглядит привлекательно. Тем более что в единице объема гидрата содержится порядка 170 объемов самого газа. То есть достаточно, казалось бы, достать совсем немного кристаллов, чтобы получить большой выход углеводородов. С физической же точки зрения они находятся в твердом состоянии и представляют нечто вроде рыхлого снега или льда.

Проблема, однако, в том, что расположены газовые гидраты, как правило, в весьма труднодоступных местах. «Внутримерзлотные залежи содержат лишь незначительную часть ресурсов газа, которые связывают с природными газогидратами. Основная часть ресурсов приурочена к зоне стабильности газогидратов – тому интервалу глубин (обычно первые сотни метров), где имеют место термодинамические условия для гидратообразования. На севере Западной Сибири это интервал глубин 250-800 м, в морях – от поверхности дна до 300-400 м, в особо глубоководных участках шельфа и континентального склона до 500-600 м под дном. Именно в этих интервалах была обнаружена основная масса природных газогидратов», – сообщает «Википедия». Таким образом, речь идет, как правило, о работе в экстремальных глубоководных условиях, при большом давлении.

Добыча газовых гидратов может быть связана и с другими трудностями. Подобные соединения способны, например, детонировать даже при небольших сотрясениях. Они очень быстро переходят в газовое состояние, что в ограниченном объеме может вызвать резкие скачки давления. По сообщениям специализированных источников, именно такие свойства газовых гидратов стали источником серьезных проблем у добывающих платформ в Каспийском море.

Кроме того, метан относится к числу газов, способных создавать парниковый эффект. Если промышленная добыча будет вызывать его массовые выбросы в атмосферу, это чревато усугублением проблемы глобального потепления. Но даже если на практике этого и не произойдет, пристальное и недоброжелательное внимание «зеленых» подобным проектам практически гарантировано. А их позиции в политическом спектре многих государств сегодня весьма и весьма сильны.

Все это чрезвычайно «утяжеляет» проекты по разработке технологий добычи метановых гидратов. Фактически по-настоящему промышленных способов разработки таких ресурсов на планете пока нет. Однако соответствующие разработки ведутся. Есть даже патенты, выданные изобретателям подобных способов. Их описание порой носит настолько футуристический характер, что кажется списанным с книги какого-то фантаста.

Например, «Способ добычи газовых гидратных углеводородов со дна водных бассейнов и устройство для его реализации (патент РФ № 2431042)», изложенный на сайте http://www.freepatent.ru/: «Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых, находящихся на морском дне. Техническим результатом является повышение добычи газовых гидратных углеводородов. Способ заключается в разрушении донного слоя острыми кромками ковшей, закрепленных на вертикальной ленте транспортера, передвигающегося по дну бассейна с помощью гусеничного движителя, относительно которого лента транспортера перемещается вертикально, с возможностью заглубления в дно. При этом газовый гидрат поднимают в зону, изолированную от воды поверхностью опрокинутой воронки, где его нагревают, а выделившийся газ транспортируют на поверхность с помощью шланга, закрепленного на вершине воронки, подвергнув его дополнительному нагреву. Также предложено устройство для реализации способа». Заметим: все это должно происходить в морской воде, на глубине в несколько сотен метров. Трудно даже представить, какую сложность имеет данная инженерная задача, и сколько может стоить добытый таким способом метан.

Есть, впрочем, и другие способы. Вот описание еще одного метода: «Известен способ добычи газов (метана, его гомологов и др.) из твердых газогидратов в донных отложениях морей, океанов, при котором в пробуренную до его подошвы скважину выявленного пласта газогидратов погружают две колонны труб – закачивающую и откачивающую. Природная вода с естественной температурой или подогретая поступает по закачивающей трубе и разлагает газогидраты на систему «газ-вода», аккумулирующуюся в образующейся в подошве пласта газогидратов сферической ловушке. По другой колонне труб осуществляют откачку из этой ловушки выделяющихся газов… Недостатком известного способа является необходимость подводного бурения, что является технически обременительным, затратным и вносящим порой непоправимые нарушения в сложившуюся подводную среду водоема» (http://www.findpatent.ru).

Можно привести и другие описания подобного рода. Но из уже перечисленного ясно: промышленная добыча метана из газовых гидратов является пока делом будущего. Она потребует сложнейших технологических решений. Да и экономика подобных проектов пока неочевидна.

Впрочем, работы в этом направлении идут, и довольно активно. Особенно ими интересуются страны, расположенные в наиболее быстрорастущем, а значит предъявляющем все новый спрос на газовое топливо регионе мира. Речь идет, конечно же, о Юго-Восточной Азии. Одним из государств, работающих в данном направлении, является Китай. Так, по сообщению газеты «Женьминь жибао», в 2014 году морские геологи провели широкомасштабные исследования одного из расположенных неподалеку от его побережья участков. Проведенное бурение показало, что там содержатся газовые гидраты большой чистоты. Всего было сделано 23 скважины. Это позволило установить, что площадь распространения газовых гидратов на участке составляет 55 квадратных километров. А его запасы, по утверждениям китайских специалистов, составляют 100-150 триллионов кубических метров. Приведенная цифра, откровенно говоря, столь велика, что заставляет задуматься, не слишком ли она оптимистична, и действительно ли такие ресурсы могут быть извлечены (китайская статистика вообще нередко вызывает у специалистов вопросы). Тем не менее очевидно: ученые Поднебесной активно работают в данном направлении, изыскивая способы обеспечения своей быстрорастущей экономики столь необходимыми ей углеводородами.

Ситуация в Японии, конечно, сильно отличается от того, что наблюдается в Китае. Однако снабжение топливом Страны Восходящего Солнца и в более спокойные времена было отнюдь не тривиальной задачей. Ведь традиционными ресурсами Япония обделена. А после трагедии на Фукусимской АЭС в марте 2011 года, заставившей власти страны под давлением общественного мнения сократить программы ядерной энергетики, данная проблема обострилась практически до предела.

Именно поэтому в 2012 году одна из японских корпораций начала пробное бурение под океанским дном на расстоянии всего нескольких десятков километров от островов. Глубина самих скважин составляет несколько сотен метров. Плюс глубина океана, которая в том месте составляет около километра.

Надо признать, что через год японским специалистам удалось получить в этом месте первый газ. Однако говорить о полном успехе пока не приходится. Промышленная добыча в данном районе, по прогнозам самих японцев, может начаться не ранее 2018 года. А главное, трудно оценить, какой же будет итоговая себестоимость топлива.

Тем не менее, можно констатировать: человечество все же потихоньку «подбирается» к залежам газовых гидратов. И не исключено, что настанет день, когда оно будет извлекать из них метан в действительно промышленных масштабах.