На пороге газогидратной революции

Введение

Газогидраты — это различные газы (метан, пропан, этан, изобутан, аргон, криптон и др.), образующие с водой кристаллические минеральные вещества серого и жёлтого цвета. В своем составе содержат более 90% метана. Внешне они похожи на полупрозрачный лёд. В данном соединении молекулы газа не соединены химически с кристаллической решёткой воды, образуя водородные связи за счёт высокого давления и низкой температуры. Эти соединения обладают огромным энергетическим потенциалом, ввиду того, что 1 кубометр природного метангидрата высвобождает от 164 до 200 кубометров метана. Газогидраты занимают практически всю площадь мирового океана, по некоторым оценкам около 93% дна, однако на суше их месторождения значительно меньше и находятся преимущественно в районах вечной мерзлоты. Большая часть метана, образующаяся в зоне диагенеза, не исчезает в результате всплывания (как предполагалось ранее), а полностью переходит в газогидратное состояние, на глубинах не менее 100 метров в Арктике и 400 метров в тропиках. Считается, что самые богатые залежи газогидратов находятся в местах, где происходит сочленение арктического шельфа и материка. Условия Северного Ледовитого океана благоприятны для формирования метангидратов по всей придонной поверхности. Залежи данного вида топлива известны геологам уже несколько десятилетий, однако промышленного извлечения не было потому, что несовершенство технологий добычи усугубляется существенными отличиями в геологии залегания газовых пластов, что ведёт к конечному удорожанию бурения.

Метангидраты являются самым большим источником углеводородов, запасенных в недрах Земли, во много раз превышая объемы всех других видов ископаемого топлива. На данный момент, запасы метана призваны обеспечить человечество энергией на многие столетия вперёд, если считать потребность в углеводородах исходя из нынешних объёмов добычи. Одна только Нанкайская газогидратная залежь, находящаяся на дне Японского моря (в 30 километрах к северу от Дзьоцу), способна обеспечить японскую промышленность газом на целых десять лет вперёд. И это при том, что сейчас Япония импортирует более девяноста процентов энергоносителей. Таким образом, многие страны получат шанс стать энергонезависимыми уже в недалёком будущем. Несмотря на то, что запасы газогидратов огромны, не стоит забывать, что можно бурить скважины, при современном уровне технологий, лишь на десяти процентах месторождений, а по мнению экспертов, придерживающихся более пессимистичных оценок, объём поддающегося извлечению газа не превышает 1%.

Способы добычи метана

Главной проблемой, стоящей на пути газовиков, является огромная энергозависимость методов бурения, т.к. газогидраты на большой глубине и под высоким давлением очень неохотно распадаются, высвобождая метан. Из-за этих сложностей стоимость получаемого газа сравнима со стоимостью затрат на его извлечение; но технологии в этой отрасли не стоят на месте, совершенствуясь каждый год, что конечно же обнадёживает. Существует технология закачки в газогидратный пласт концентрированного соляного раствора, призванного растопить «лёд». Также развивается технология замещения, в которой метан вытесняется при помощи другого газа: в пласты газогидратов закачивается углекислый газ, что значительно ускоряет растапливание «горючего льда». Ещё одно направление, в котором ведутся работы, — это использование электромагнитной индукции, возникающей от токов Фуке, в такой установке предлагается использовать постоянные магниты.

Разработка газогидратных залежей заключается в переводе газа из твердого состояния в свободное, их распад происходит при понижении давления, увеличении температуры, добавлении в пласт веществ, которые разлагают гидрат.

Разгерметизация является, на сегодняшний день, наиболее многообещающей технологией разработки месторождений газогидратов. Принцип действия относительно прост и заключается в искусственном снижении давления в разрабатываемом пласте: этого добиваются уменьшением давления в самой буровой скважине или его сокращением на пласт вследствие неполной откачки из него воды и свободного газа. После понижения давления, относительно фазового равновесия газогидрата, происходит его распад на составные части (газ и вода), с поглощением тепловой энергии. Данный метод целесообразен для разработки залежей с повышенной проницаемостью, залегающих глубже 700 метров. Главным преимуществом является невысокая себестоимость, возможность быстро нарастить объемы добычи, а также простота технологического процесса. Данный метод имеет ограничения в условиях низких температур, т.к. замёрзшая вода может закупорить оборудование.

Технология нагревания подразделяется на несколько видов: инжектирование теплоносителя, циркуляция горячей воды, применение нагретого газа, повышение температуры при помощи электричества. Рассмотрим эти методы чуть подробнее. При инжектировании, как правило, в качестве теплоносителя используется вода. Уменьшение теплопотерь достигается за счёт подведения горячей воды по замкнутому кругу. Открытое инжектирование целесообразно только в пластах толще 15-20 метров. Канадцы (месторождение Mallik) были одними из первых, кто применил метод циркуляции воды в скважине глубиной более 1000 метров. Также используется прямое нагревание переменным электрическим током, этот метод позволяет перемещаться вдоль всего пласта. Преимуществом этой технологии является простота и высокая отказоустойчивость системы. Однако, накладываются определённые ограничения, такие как: невозможность разработки глубинных пластов, большое количество энергии, необходимой для нагревания, медленное разложение газогидрата. К тому же, требуется постоянно наращивать мощность силовой установки, т.к. расходуется энергия не только на само нагревание, но и на разложение метангидрата.

Ещё одним способом является введение ингибитора (например морской воды, метанола, этанола и др.), понижающего температуру газогидрата и тем самым выводящем его из фазового равновесия. Преимуществом этой технологии является полный контроль над количеством высвобождающегося метана, т.к. регулируется объём поступающего ингибитора. Из явных минусов стоит отметить высокую себестоимость, медленное протекание химических процессов в скважине, а также повышенную экологическую опасность используемых реагентов.

Все перечисленные способы далеки от того, чтобы в существующем на сегодняшний день виде могли быть внедрены для промышленной добычи «горючего льда». Однако, технологии очень быстро развиваются, и человечество с каждым годом всё ближе к тому, чтобы наладить массовую добычу метана.

Экологические риски

Огромные риски при добыче связаны с самопроизвольным высвобождением газообразного метана из недр Земли. Так, например печально известная буровая платформа по добыче нефти Deepwater Horizon, по всей видимости подверглась как раз такому выбросу газа, что привело к крупнейшей, за всю историю нефтедобычи, экологической катастрофе, от которой пострадала значительная часть побережья Мексиканского Залива. Стоит уточнить, что на морском дне газовые «вулканы» не так уж и редки, достигая сотен метров в высоту и в ширину, несмотря на это, вокруг них представлена разнообразная глубоководная жизнь и нет никаких предпосылок к экологическим катастрофам.

И если выбросы метана на океаническом дне не ведут к негативным экологическим последствиям (исходя из существующих наблюдений), то на суше дело обстоит значительно сложнее. Так, на полуострове Ямал в зоне вечной мерзлоты, имеются огромные провалы на земной поверхности, именуемые «чёрными дырами». Данные образования, по всей видимости, возникли из-за разложения газогидратов, находившихся в местах сосредоточения лампроитовых алмазосодержащих трубок. Газ, выделившийся под воздействием извне, уничтожил покрывавшие его породы, извергнув часть из них на поверхность и образовав тем самым гигантские воронки. Экологические организации, изучавшие эти новообразования, пришли к выводу, что внезапные выделения огромных количеств газа в местах, где царит вечная мерзлота, могут спровоцировать спонтанное развитие парникового эффекта. Если заключения специалистов верны, то стоит с большой осторожностью относиться к разработке газогидратных месторождений в районах крайнего севера.

Не стоит забывать и о том, что метан, выделяемый из газогидратов, может значительно ускорить глобальное потепление климата, т.к. оказываемый им «парниковый» эффект в двадцать раз сильнее, чем от всем известного диоксида углерода. Возвращаясь к морскому дну, имеет смысл добавить, что некоторые учёные высказывают осторожные опасения относительно того, что высвобождения больших объёмов газогидратов, способны привести к непрогнозируемым изменениям геологической структуры Земли.

Заключение

Самыми передовыми странами, разрабатывающими промышленные методы добычи «горючего льда» являются Япония, Канада и США. На этом поприще, изучением субмаринных газогидратов дольше всех занимается США; прежде всего стоит упомянуть глубоководное бурение в Отер Блэйк Ридж, что в прибрежных водах штатов: Джорджия, Вирджиния, Южная и Северная Каролина. Местная геологическая служба провела всестороннее изучение запасов метангидрата и оценила его приблизительное содержание в 56 триллионов кубометров. В Японии создана и функционирует национальная программа по освоению газогидратов на морском шельфе, тестовая добыча газа идёт полным ходом и не за горами промышленное освоение подводных месторождений.

Успешное бурение скважины газогидратов японскими специалистами у берегов острова Хонсю, подстегнуло в 2013 году интерес к этой области энергетики, вызвав сильный ажиотаж во многих странах, за исключением, разве что США. Почему же американцы не поддались общему возбуждению? Ответ достаточно прост, в последние годы сланцевая революция перевернула газовый рынок, выведя США в мировые лидеры по добыче газа; компаниям, поставившим на сланцевый газ, необходимо получить отдачу от своих вложений, только после этого можно будет говорить о начале газогидратной революции. Тем не менее, многие страны готовы, уже сейчас, вкладывать миллиарды инвестиций в новый перспективный рынок: Бразилия, Индия, Австралия, Китай и многие другие. Странам, импортирующим энергоносители, жизненно важно обрести собственные дешевые источники сырья, ведь это будет стимулом для развития, как их собственной, так и мировой экономики, которые переживают не самые лучшие времена.