Беседа с геологом, академиком НАН Украины, директором Центрального научно-природоведческого музея НАНУ Евгением Федоровичем Шнюковым
Есть разные прогнозы о том, сколько на нашей планете осталось топлива. Относительно нефти пессимисты из числа ученых говорят: ее запасы будут исчерпаны через 10-15 лет; оптимисты «успокаивают», продлевая этот срок лет до 30-40.
Угля вроде бы хватит на дольше, на несколько столетий, но добывать его все труднее и дороже: эпоха толстых, легко доступных залежей «черного золота» отходит в прошлое.
Что же нам еще остается? Электростанции солнечные, ветровые, приливные, геотермальные, - все это, честно говоря, еще в зародыше...
Так обстоят дела с энергетикой в масштабах всей Земли: что же можно сказать о будущем Украины? Здесь все просто трагично. Евгений Федорович говорит: «Сейчас мы на очень коротком поводке у поставщиков энергоносителей. Мы добываем всего 8-10 процентов потребляемой нефти и максимум 20 процентов газа, - все остальное покупаем».
Видный украинский ученый произносит слова великой надежды. Надежды, которую дает Черное море - и лежащие на его дне диковинные вещества, газогидраты.
Справка:
На непосвященный взгляд газовые гидраты представляют собой обычные грязноватые комочки льда. На самом деле это - уникальная твердая смесь, в которой молекулы газа "впаяны" в каркас из молекул воды. В природе газогидраты образуются в районах вечной мерзлоты и в глубоководных осадках морей и океанов, в условиях высокого давления и низких температур. Количество органического углерода, запасенного в виде газогидратов метана, больше, чем во всех остальных залежах планеты, вместе взятых!
Давайте для начала определим, что это такое - газогидраты?
Если популярно говорить, это своеобразный лед, для образования которого не нужен мороз. Газогидраты возникают при определенных давлении и температуре, - именно таких, какие есть на дне Черного моря, на глубине свыше 700 метров. В их составе, в связанном состоянии, находится горючий газ метан. Если его оттуда освободить, - из одного кубометра «теплого льда» выйдет до 200 кубометров метана!
И много там, на дне, этого «льда»?
Он залегает на огромной площади, слоем мощностью до 400 метров. Российские геологи выполнили большую работу по изучению черноморского дна и определили, что запасы метана, связанные в газогидратах, достигают 25 триллионов кубометров! Триллионов семь, вероятно, приходится на долю Украины...
Звучит, конечно, очень внушительно, но все-таки: можно ли сравнить эти запасы с известными газовыми месторождениями на суше, например, на Таймыре?
Таймыр беднее газом. Мало того: надо учитывать географию. Если Черное море - теплое, а потребители газа тут же рядом, то с крайнего Севера надо прокладывать через тундру, в суровейших условиях, гигантские газопроводы, тянуть их на тысячи километров, поддерживать... Если освоим черноморскую сокровищницу, метан будет и обильный, и дешевый.
А откуда они вообще берутся в море, эти газогидраты? Каким образом сложился 400-метровый слой на дне?
Думаю, они глубинного происхождения. То есть, метан выходит из недр земли через разломы в коре с больших глубин, порядка нескольких десятков километров.
Впрочем, возможно и существование промежуточных коллекторов, этаких подземных «карманов», где газы долгое время накапливаются, а потом находят себе дорогу наверх...
Если выход метана находится достаточно глубоко под водой, газ увязывается в составе «теплого льда». Но иногда толщу газогидратов прорывают свободные, очень мощные выбросы газа.
Иногда такой «метановый фонтан» бьет сутками, месяцами... а то и начинает «работать» периодически, то затихая, то опять прорываясь на поверхность моря. Такие феномены называют грязевыми вулканами, - ведь газ, устремляясь со дна ввысь, прихватывает с собой массы донного грунта, камней, воды...
Зрелище бывает просто грандиозным, взрывы темной грязи с грохотом взлетают на высоту до ста метров. Мало того, подчас газы при выбросе воспламеняются!
В Каспийском море тоже есть выходы метана, так вот: грязевые вулканы возле Баку иногда полыхали столь внушительно, что их принимали за атомные взрывы. Тем более, грибовидное облако...
Во время одного извержения было выброшено около пятисот миллионов кубометров газа! Представляете себе, что бы произошло, сколько было бы жертв, случись нечто подобное на суше?..
Мы хорошо знаем периодически действующий грязевой вулкан в Азовском море, напротив казацкой станицы Голубицкой, возле города Темрюка. Впервые его черные рокочущие выбросы еще в 1799 году увидели казаки-запорожцы, переселенные на Кубань.
По словам ученого тех времен, российского академика Петра-Симона Палласа*, вулкан создал вокруг себя круглый остров диаметром около ста метров.
Извержения Голубицкого вулкана много раз повторялись в течение ХІХ и ХХ веков. Наиболее крупный выброс пришелся на 1988 год: тогда вязкий остров возник за несколько часов и просуществовал много месяцев. Голубицкий извергается и ныне...
Бывают донные газовые выбросы, не похожие на вулканы, но тоже очень впечатляющие. Во время предпоследнего рейса нашего исследовательского судна «Профессор Водяницкий» мы нашли два таких фонтана: каждый был около 850 метров высотой и шириной до 400 метров! Интересно, что на суше это была бы экологическая катастрофа, а в море - никаких ее следов. Спокойно плавают вокруг рыбы, растут водоросли...
Во многих местах со дна поднимаются куда более скромные струи метана, расплывающиеся облаками. Мы их зовем - сипы. Одни из них выбрасывают газ ровным, постоянным потоком, иные - пульсируют, напоминая пыхтящую трубку курильщика... Сипов достаточно много и в районе Керченско-Таманском, и у берегов Кавказа, и возле побережий Грузии, Болгарии...
Кстати, о курильщике. Именно так мы называем своеобразный экспонат, находящийся у нас в музее. Это такой минеральный вырост из черноморского дна, похожий на кубок. Он сложился постепенно, за девять тысяч лет, вокруг постоянно бившей снизу метановой струи.
Газовый фонтан нес твердые частицы, они и образовали такую занятную структуру со сквозным каналом внутри. Мы этого «курильщика» добыли во время очередной экспедиции на исследовательском судне «Профессор Водяницкий».
Да, действительно, - Черное море, наверное, хранит в себе куда больше загадок и сюрпризов, чем любой другой водоем в мире.
Взять хотя бы тот факт, что, начиная с глубины в двести метров, оно вполне заслуживает названия Мертвого моря, поскольку оттуда до самого дна вода насыщена сероводородом.
Я знаю из одной вашей книги, Евгений Федорович, что еще относительно недавно существовал проект промышленного извлечения из черноморских вод громадных количеств серы, а также тяжелых металлов...
Но это - особая тема для разговора. Вернемся к газогидратам. Насколько экономически выгодна добыча метана из этих соединений? Не затратим ли мы при этом больше энергии, чем потом получим?
Нет, затея вполне оправдана с точки зрения экономики. По крайней мере, теперь. Должен вам сказать, что, вообще, честь открытия газогидратов принадлежит нашим, советским ученым, они обнаружили первые месторождения на северо-востоке Союза.
Так вот, - тогда добыча не пошла, поскольку была слишком технологически сложной.
А вот сейчас морские газогидраты признаны самым вероятным альтернативным топливом во многих странах. Над их разведкой и освоением работают во Франции, Германии, США; но особенно активны Канада и Япония.
Японцы планируют начать экспериментальную добычу метана из «горючего льда» возле своих островов, во впадине Нянхай, уже в 2007 году; а еще десять лет спустя пойдет масштабная добыча, да такая, что Япония, вечно все ввозящая, станет одним из мировых экспортеров газа!
Недавно российский «Газпром» произвел переоценку газовых запасов страны, включая и морские, связанные на дне.
Оказалось, что резервы «голубого топлива» в пятьдесят раз больше, чем считали прежде! Добывать газогидраты в промышленных объемах Россия намеревается с 2020 года.
Кстати, при газодобыче в море речь пойдет, очевидно, не только о газогидратах. Я тут вам рассказывал о вулканах и сипах, то есть, о выходах свободного газа непосредственно из дна.
Мы убеждены, что такой газ в огромных массах накапливается под шапкой «горючего льда», он там закупорен, законсервирован, - потому иногда и прорывается просто катастрофически.
Возможно, проще будет сначала пройти 400-метровую толщу «ледника» и выкачать подгидратный метан, а потом уже браться за сам слой...
И все-таки, морские глубины... Это не помеха для добычи?
Самая большая глубина Черного моря не превышает 2100 метров. Нынешняя горнодобывающая промышленность извлекает нефть и газ с глубины в четыре-пять километров. Так что здесь нет особых проблем.
Как вы думаете, когда - реально - можно у нас ожидать начала работ, подобных тем, которые ведутся в Японии или в России?
Вот это, в настоящих условиях, сказать труднее всего...
Есть известный девиз геологических конгрессов: «Умом и молотком». А по поводу наших топливных сокровищ я бы сказал иначе: умом и финансами!
Что мы можем разведать или добыть, когда тому же «Профессору Водяницкому», в лучшем случае, выделяются средства на двенадцатидневный рейс?!
Надо вложить большие деньги, создать могучую комплексную программу, привлечь специалистов разных профилей... Вообще, следует поднять эту работу на тот уровень, на котором велось в Советском Союзе освоение атомной энергии.
Тогда, и только тогда лет через десять, пятнадцать, возможно, нам удастся обеспечить энергетическое будущее Украины.
Надеюсь, что наше социальное сознание к тому времени будет идти вровень с научно-техническим, и газовые сокровища Черного моря принесут благополучие, в самом деле, всей Украине, а не отдельным (и не лучшим) ее представителям, присосавшимся к добывающей отрасли.
Только если запасы газогидратов, как и все клады, сокрытые в наших недрах, станут воистину всенародной собственностью, пользу от них сможет получить каждый наш соотечественник.
Будем на это надеяться...
Справка:
В Черном море газогидраты были обнаружены экспедициями Министерства геологии и Академии наук СССР в конце 80-х годов. В 90-е годы и начале текущего десятилетия исследования в этой области также проводились украинскими и болгарскими учеными. Полученные в итоге данные имеют приблизительный характер: по различным оценкам, запасы черноморских газогидратов, сосредоточенных, как правило, в нескольких десятках или первых сотнях метров под морским дном, могут составлять от 25 до 100 трлн куб м.
Немецко-украинская экспедиция 2010 г. обнаружила запасы газогидратов недалеко от Севастополя. Но для их более-менее точной оценки нужны будут широкомасштабные разведочные работы.
Впрочем, говорить о том, что Украина в обозримом будущем сможет достичь энергетической независимости благодаря разработке черноморских газогидратов, еще рано. Проблема в том, что газ, заключенный в ледяной ловушке, очень сложно извлечь, не потеряв по дороге.
Газогидраты существуют только благодаря низкой температуре и огромному давлению, "разрушить" их на месте залегания весьма нелегко. Даже при нормальном атмосферном давлении они начинают плавиться только при 10-20 градусах.
Сегодня существуют технологии, позволяющие добывать газ из газогидратов только на суше, причем их эффективность оставляет желать лучшего. Впервые они были опробованы еще в конце 60-х годов на Мессояхском месторождении на полуострове Таймыр, где добыча газа началась в 1967 г. Для "расплавления" газогидратов там используется депрессионный способ добычи, заключающийся в искусственном снижении пластового давления посредством откачки воды из скважины. На это приходится тратить много энергии, из-за чего значительная часть добываемого газа используется на месте, а сам газ получается весьма дорогим.
То что Мессояхское месторождение вообще стали разрабатывать, объясняется его уникальным расположением: оно является ближайшим (около 280 км) от Норильска, к которому в 1969 г. был протянут газопровод. Поставлять газ на промышленные предприятия Норильска с месторождений Ямала, до которых в несколько раз дальше, было признано экономически менее целесообразным.
За сорок с лишним лет эксплуатации на Мессояхском месторождении добыто около 12.5 млн куб м газа, что составляет около 65% от его оценочных запасов. Объемы добычи падают, в 2009 г. они составили всего 213 тыс куб м, так что большая часть поставок газа в Норильский промышленный район приходится на другие, традиционные месторождения.
Помимо Мессояхского месторождения, в мире существует еще одно место, где добывали газ из газогидратов - экспериментальная буровая станция Mallik, расположенная недалеко от устья реки Маккензи на северо-западе Канады. В 1998-2008 гг. японско-канадская группа ученых при участии специалистов из США, Германии и Индии вела там пробное бурение, обнаружив слой газогидратов на глубине около 1000-1200 м.
И сейчас на этой станции продолжается изучение различных технологий в данной области. Тестовая добыча велась в течение 6 дней зимой 2008 г. и составила около 13 тыс куб м газа. При этом использовался тот же депрессионный метод, что и на Таймыре. Ранее на Mallik был испытан и тепловой метод, заключающийся в нагревании газогидратного пласта посредством закачки пара или горячей воды, но расход энергии там оказался сравнимым с энергоемкостью высвободившегося газа.
Некоторыми специалистами предлагается технология замещения, заключающаяся в вытеснении метана из кларатов посредством заполнения их другим газом. Для этого лучше всего подходит углекислый газ, что позволило бы заодно решить и проблему его захоронения. Однако эта технология пока находится на стадии лабораторных исследований, до промышленных масштабов она дорастет, очевидно, еще не скоро.
Основная проблема добычи газа из газогидратов заключается в том, что для разрушения их структуры и извлечения газа из "клеток"-кларатов нужно затратить довольно большую энергию, что, естественно, приводит к существенному росту затрат. По оценкам исследователя из US Geological Service Тимоти Коллетта, себестоимость добычи газа из газогидратов в Арктике может составлять 100-200% затрат при разработке традиционных месторождений, а морской газогидратный газ будет еще более дорогостоящим.
Кроме того, при организации добычи с морского дна существует реальная опасность поднятия "метансодержащего льда" на поверхность, что приведет к взрывному выделению газа. По одной из наиболее вероятных версий, именно такой подъем газогидратного пласта стал причиной взрыва платформы Deepwater Horizon и ее гибели в апреле этого года. Некоторые специалисты советуют вообще не трогать газогидраты, поскольку это может привести к значительным выбросам в атмосферу содержащегося в них метана, который является в 20 раз более сильным парниковым газом, чем диоксид углерода.
Тем не менее, в ряде стран мира разрабатываются проекты добычи природного газа из газогидратов, в том числе и на морском дне. При этом эксплуатация газогидратных месторождений может стартовать уже во второй половине текущего десятилетия.
Все это не мешает и Украине включиться в "газогидратную гонку". Тем более, что уже несколько лет инновационную технологию добычи газа из газогидратов предлагает директор научно-исследовательской и внедренческой фирмы "Лед-газогидрат", профессор Одесской государственной академии холода Леонард Смирнов. Его идея (запатентованная) заключается в закачке в газогидратные пласты под давлением концентрированного соляного раствора или (летом) теплой, прогретой солнцем, морской воды.
По мнению Л.Смирнова, соль будет оказывать на газогидрат такое же действие, как и на обычный лед, т.е. снижать температуру его плавления, высвобождая заключенный в нем газ, который будет откачиваться через вытяжные скважины. Помимо газа, данная технология будет также обеспечивать получение чистой талой воды, что может быть весьма актуально в условиях Крыма.
Правда, для строительства тестового газодобывающего комплекса по технологии Л.Смирнова требуется около $500 млн. Пока ученому не удалось заинтересовать своим проектом украинский частный бизнес, а у государства нет таких средств. Кроме того, данная технология, как и многие другие возможные способы извлечения газа из газогидратов, пока не проверена на практике и не обязательно является панацеей. К сожалению, в отличие от России, США и Канады, в Украине нет сухопутного "полигона", где можно было бы проводить исследования в газогидратной области при относительно небольших затратах.
Вообще складывается впечатление, что Украина очень богата нетрадиционными источниками природного газа. У нее есть большие запасы шахтного метана, есть, очевидно, сланцевый газ, доказано наличие месторождений газогидратов… Однако всех их объединяют большая сложность и дороговизна добычи, а также отсутствие эффективных и экономически обоснованных технологий. Чтобы быть на переднем краю прогресса в этих областях, украинскому правительству нужно или самому финансировать обширные и дорогостоящие исследовательские программы, или заинтересовать частный бизнес возможностью получения солидной прибыли от многомиллионных инвестиций.
Но первый путь для Украины пока совершенно нереален из-за хронического отсутствия средств в казне, а на второй, очевидно, можно будет вступить только после появления уже зарекомендовавших себя технологий в других странах.
Газогидраты представляют собой очень перспективный источник природного газа для Украины. Но это своеобразная "заначка на будущее" - на то время, когда в мире научатся сравнительно несложно и недорого добывать такой газ. На ближайшие же годы приоритетными, очевидно, должны стать иные, более доступные источники.
Газогидратные лидеры
На сегодняшний день лидерами на газогидратном направлении являются Япония, Корея и Индия. Все три страны являются крупными импортерами энергоресурсов, и поэтому считают разработку газогидратных месторождений приемлемой альтернативой зарубежным закупкам. Правда, во всех трех странах проекты в данной области стартовали в 2007-2008 гг., во время наивысшего подъема цен как на нефть, так и на сжиженный природный газ.
В Корее реализацией проекта занимается государственная компания Korea National Oil Corp. С целью приобретения опыта она участвует в исследованиях в области добычи газа из газогидратов, которые сейчас проводятся на Аляске с участием американских федеральных организаций и ряда частных компаний. Залежи оцениваются в 600 млн т (более 1 трлн куб м) природного газа. Газогидраты залегают под морским дном в Японском море на расстоянии около 135 км от побережья страны.
Несмотря на падение цен на сжиженный газ, правительство Кореи не собирается отказываться от газогидратного проекта. Он включен в государственную программу развития нефтегазодобывающей отрасли, цель которой заключается в повышении уровня самообеспечения страны энергоресурсами (в 2009 г. 91.9% потребностей Южной Кореи в энергоносителях покрывалось за счет импорта). Начало добычи газа из газогидратов запланировано на 2015 г.
В индийских водах прогнозные резервы газогидратного газа оцениваются более чем в 55 трлн куб м, а месторождение Krishna-Godavari в Бенгальском заливе считается одним из крупнейших в мире. Еще в 1997 г. для проведения исследований в этом направлении была основана государственная компания National Gas Hydrate Program. Начать разведочные работы планировалось в 2010 г., а коммерческую добычу - в 2014-2015 гг.
Однако кризис отодвинул эти планы, а в начале 2010 г. правительство страны решило создать новую структуру с привлечением государственных агентств и частных нефтегазовых компаний с целью совместного финансирования НИОКР в данной области. Как признают индийские специалисты, в настоящее время в их распоряжении нет технологий добычи газогидратного газа с морского дна, их нужно создавать.
Затормозился, похоже, и японский проект. В 2008 г. правительство страны приняло решение о разработке залежей газогидратов, которые были найдены на юге-востоке от острова Хонсю во впадине Нанкай. Запасы газа оценивались в объеме до 50 трлн куб м, его добычу планировалось начать в 2016 г. Однако с начала кризиса никакой новой информации на эту тему не поступало.
В США исследования в области газогидратного газа осуществляются на двух направлениях. Во-первых, продолжаются разведка и отработка технологий наземной добычи на Аляске, где запасы газогидратного газа, по предварительным оценкам USGS, составляют около 16 трлн куб м. Этот проект реализуют Министерство энергетики США и ряд компаний. На лето 2010 г. намечено проведение тестовой добычи на основе разведки, проведенной тремя годами ранее компанией BP. При этом ConocoPhillips должна впервые испытать в полевых условиях технологию замещения метана, содержащегося в газогидратах, углекислым газом. Правда, по данным американских СМИ, программа этого года может быть выполнена не полностью из-за недостатка государственного финансирования.
Кроме того, в 2009 г. стартовала двухлетняя программа исследований в Мексиканском заливе, в которой партнером государства является Chevron. Состоявшаяся летом 2009 г. экспедиция обнаружила газогидраты под различными участками морского дна.
По оценкам американской Mineral Management Service (организация при Министерстве внутренних дел), запасы газогидратного газа в Мексиканском заливе могут достигать астрономического значения - 600 трлн куб м! Однако крупные нефтегазовые компании пока не слишком торопятся осваивать эти беспредельные ресурсы. Они предпочитают участвовать в программах, финансируемых государством, из-за слишком высоких затрат и риска, связанных с газогидратными проектами.
Как отмечают некоторые американские аналитики, ввод в эксплуатацию газогидратных месторождений с их гигантскими ресурсами может обрушить цены на природный газ, сделав эти проекты убыточными. Как это, похоже, уже случилось со сланцевым газом.
Газогидраты - относительно новый и потенциально обширный источник природного газа. Они представляют собой молекулярные соединения воды и метана, существующие при низких температурах и высоком давлении. За внешнее сходство газогидраты стали называть «горящим льдом». В природе газогидраты встречаются либо в зонах вечной мерзлоты, либо на глубоководье, что изначально создает трудные условия для их разработки.
В 2013 году Япония первой в мире провела успешную экспериментальную добычу метана из газогидратов на море. Это достижение заставляет пристальнее приглядеться к перспективам разработки газогидратов.Можно ли после «неожиданного» наступления сланцевой революции ожидать газогидратную революцию?
Предварительные оценки запасов газогидратов в мире свидетельствуют о том, что они на порядок превышают запасы конвенционального природного газа.Но, во-первых, они носят весьма приблизительный характер; во-вторых, лишь небольшая часть из них может быть добыта при текущем уровне развития технологий. И даже эта часть потребует огромных издержек и может быть связана с непредвиденными экологическими рисками. Тем не менее ряд стран, таких как США, Канада и страны азиатского региона, которые отличаются высокими ценами на природный газ и растущим спросом на него, проявляют большую заинтересованность в развитии разработки газогидратов и продолжают активно исследовать данное направление.
Эксперты отмечают высокую неопределенность в отношении будущего газогидратов и считают, что их промышленная разработка начнется не ранее чем через 10-20 лет, но упускать из виду этот ресурс нельзя.
Что такое газогидраты?
Газовые гидраты (клатраты) представляют собой твердые кристаллические соединения низкомолекулярных газов, таких как метан, этан, пропан, бутан и др., с водой. Внешне они напоминают снег или рыхлый лед. Они устойчивы при низких температурах и повышенном давлении; при нарушении указанных условий газогидраты легко распадаются на воду и газ. Самым распространенным природным газом-гидратообразователем является метан.
Техногенные и природные газогидраты
Различают техногенные и природные газовые гидраты.
Техногенные гидраты могут образовываться в системах добычи
конвенционального природного газа (в призабойной зоне, в
стволах скважин и т.д.) и при его транспортировке. В
технологических процессах добычи и транспортировки
конвенционального природного газа образование газогидратов
рассматривается как нежелательное явление, что предполагает
дальнейшее совершенствование методов их предупреждения и
ликвидации. В то же время техногенные газогидраты могут быть
использованы для хранения больших
объемов газа, в технологиях очистки и разделения газов, для
опреснения морской воды и в аккумулировании энергии для целей
охлаждения и кондиционирования.
Природные гидраты могут формировать скопления или находиться в рассеянном состоянии. Они встречаются в местах, сочетающих низкие температуры и высокое давление, таких как глубоководье (придонные области глубоких озер, морей и океанов) и зона вечной мерзлоты (арктический регион). Глубина залегания газогидратов на морском дне составляет 500-1 500 м, а в арктической зоне - 200-1 000 м.
Особое значение с точки зрения перспектив разработки месторождений газогидратов имеет наличие нижнего пласта свободного природного газа или свободной воды:
Свободный газ. В этом случае разработка газогидратных месторождений происходит способом, схожим с добычей конвенционального газа. Добыча свободного газа из нижнего пласта вызывает снижение давления в гидратонасыщенном пласте и разрушает границу между ними. Газ, полученный из газогидратов, дополняет газ, полученный из нижнего пласта. Это наиболее перспективное направление разработки месторождений газогидратов. Свободная вода. Когда под газогидратным месторождением находится вода, снижение давления в зоне гидратов может быть достигнуто за счет ее извлечения. Этот способ технически реализуем, но менее экономически привлекателен по сравнению с первым. Отсутствие нижнего слоя. Перспективы разработки газогидратных месторождений, снизу и сверху окруженных непроницаемыми осадочными породами, остаются туманными
Оценки ресурсов природных газогидратов в мире.
Оценки мировых ресурсов газогидратов с самого начала, а именно с 1970-х годов, носили противоречивый и отчасти спекулятивный характер. В 1970-1980-х годах они находились на уровне 100-1 000 квадрлн. куб. м, в 1990-х годах - снизились до 10 квадрлн. куб. м, а в 2000-е годы - до 100-1 000 трлн. куб. м.
Международное энергетическое агентство (МЭА) в 2009 году привело оценку в 1 000-5 000 трлн. куб. м, хотя значительный разброс сохраняется. Например, ряд текущих оценок указывают на наличие ресурсов газогидратов в 2 500-20 000 трлн. куб. м. Тем не менее даже с учетом значительного снижения оценок ресурсы газогидратов остаются на порядок выше ресурсов конвенционального природного газа, оцененных на уровне 250 трлн. куб. м (МЭА оценивает запасы конвенционального природного газа в 468 трлн. куб. м).
К примеру, возможные ресурсы газогидратов в США по типу месторождений показывает Рисунок (в сравнении с ресурсами природного газа). «Газогидратная пирамида» также отражает потенциал добычи газа из газогидратных месторождений различного типа. На вершине пирамиды находятся хорошо разведанные месторождения в Арктике вблизи существующей инфраструктуры, подобные месторождению Маллик в Канаде. Далее следуют менее изученные газогидратные образования со сходными геологическими характеристиками (на Северном склоне Аляски), но требующие развития инфраструктуры. По последним оценкам, технически извлекаемые ресурсы газогидратов Северного склона Аляски составляют 2,4 трлн. куб. м газа. Вслед за арктическими запасами расположены глубоководные месторождения средней и высокой насыщенности. Так как стоимость их разработки потенциально крайне высока, наиболее перспективным регионом для этого считается Мексиканский залив, где уже создана инфраструктура нефте- и газодобычи. Масштаб этих ресурсов пока не очень хорошо известен, но Служба управления минеральными ресурсами США ведет их изучение.
Рис 1 «Газогидратнаяпирамида»
У подножия пирамиды (Рисунок 2) обозначены скопления газогидратов, которые характеризуются крайне неравномерным распределением в больших объемах мелкозернистых и недеформированных осадочных пород. Типичный пример такого скопления - глубоководное месторождение у хребта Блейк (побережье американского штата Каролина). При текущем уровне развития технологий их разработка не представляется возможной.
В промышленном масштабе
В промышленном масштабе добыча метана из газогидратных залежей нигде в мире не ведется, и запланирована она только в Японии - на 2018-2019 годы. Тем не менее ряд стран реализуют исследовательские программы. Наиболее активны здесь США, Канада и Япония.
Дальше всех в изучении потенциала разработки залежей газогидратов продвинулась Япония. В начале 2000-х годов страна начала реализацию программы по освоению газогидратов. Для ее поддержки по решению государственных органов был организован исследовательский консорциум MH21, нацеленный на создание технологической основы промышленной разработки залежей газогидратов. В феврале 2012 года Японская национальная корпорация по нефти, газу и металлам (JOGMEC) начала пробное бурение скважин в Тихом океане, в 70 км к югу от полуострова Ацуми, для получения гидратов метана. А в марте 2013 года Япония (первой в мире) приступила к тестовому извлечению метана из газогидратов в открытом море. По оценке JOGMEC, с имеющимися запасами метангидратов на шельфе страны Япония может покрыть свои потребности в природном газе на 100 лет вперед.
В области освоения газогидратов Япония развивает научное сотрудничество с Канадой, США и другими странами. В Канаде действует обширная исследовательская программа; совместно с японскими специалистами проводилось бурение скважин в устье реки Маккензи (месторождение Маллик). Исследовательские проекты газогидратов США сосредоточены в зоне вечной мерзлоты на Аляске и на глубоководье в Мексиканском заливе.
Менее масштабные, но тем не менее заметные исследования газогидратов проводят такие страны, как Южная Корея, Китай и Индия. Южная Корея занимается оценкой газогидратного потенциала в Японском море. Исследования показали, что наиболее перспективно для дальнейшей разработки месторождение Уллеунг. Индия создала свою национальную исследовательскую программу по газогидратам в середине 1990-х годов. Главным объектом ее исследований является месторождение Кришна-Годавари в Бенгальском заливе.
Китайская программа по газогидратам включает исследования шельфа Южно-Китайского моря вблизи провинции Гуандун и вечной мерзлоты на плато Цинхай в Тибете.Ряд других стран, в числе которых Норвегия, Мексика, Вьетнам и Малайзия, такжепроявляют интерес к исследованиям газогидратов. Исследовательские программы по изучению газогидратов есть и в Европейском союзе: например, в 2000-е годы действовала программа HYDRATECH (Техника оценки метангидратов на европейскомшельфе) и программа HYDRAMED (Геологическая оценка газогидратов в Средиземном море). Но европейские программы отличает акцент на научных и экологических вопросах.
Газогидраты в России
Россия обладает собственными месторождениями газогидратов. Их наличие подтверждено на дне озера Байкал, Черного, Каспийского и Охотского морей, а также на Ямбургском, Бованенковском, Уренгойском, Мессояхском месторождениях. Разработка газогидратов на этих месторождениях не велась, а их наличиерассматривалось как фактор, усложняющий разработку конвенционного газа (в случае его наличия). Также высказываются предположения, подтверждаемые теоретической аргументацией, о наличии большого числа месторождений газогидратов на всей площади арктического шельфа России.
Геологические исследования газогидратов начались в СССР еще в 1970-е годы. В современной России в основном проводятся лабораторные исследования газогидратов: например, создание технологий предотвращения их образования в газотранспортных системах или определение их физических, химических и иных свойств. Среди центров изучения газогидратов в России можно отметить МГУ, Сибирское отделение РАН, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Университет нефти и газа им. Губкина.
В 2003 году прикладные исследования по оценке газогидратного
потенциала в России инициировало ОАО «Газпром».
Предварительные оценки «Газпрома ВНИИГАЗ» указывают на
наличие в стране ресурсов газогидратов в 1 100 трлн. куб. м.
В середине 2013 года появилась информация о том, что
Дальневосточный геологический институт РАН предложил
«Роснефти» изучить возможность добычи газовых гидратов на
шельфе Курил, оценивая их потенциал в 87 трлн. куб. м.
Специализированные государственные программы по исследованию
и добыче газогидратов по примеру отмеченных выше стран в
России отсутствуют. В Генеральной схеме развития газовой
отрасли до 2030 года газогидраты упоминаются
лишь один раз в контексте ожидаемых направлений
научно-технического прогресса.
В целом разработка газогидратов в России из подтвержденных месторождений представляется перспективной после значительного удешевления технологии и только в районах с уже существующей газотранспортной инфраструктурой.
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.
Expert evaluation of the current world aquatic gas hydrate reserves
А. VOROBIEV, PFUR, Russia, А. BOLATOVA, East Kazakhstan State Technical University, Kazakhstan
G. MOLDABAEVA, KazNTU, Kazakhstan, E. CHEKUSHINA, PFUR, Russia
Исследование выполнено по Государственному контракту № П1405 от 03 сентября 2009 г. в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг. – мероприятия № 1.2.1 – Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук по НИР «Разработка эффективных методов поиска, разведки и экологически безопасного освоения месторождений (залежей) газогидратов оз. Байкал, Телецкое (Россия) и оз. Иссык-Куль (Кыргызстан)». Руководитель – д.т.н., проф. А.Е. Воробьев (РУДН).
Актуальность газогидратной тематики обусловлена тем, что в настоящее время потребление всех видов ресурсов (в том числе и энергетических) растет экспоненциально (табл. 1).
The topicality of the gas hydrate theme is based on the current exponential growth of the consumption of all types of resources (including power resources)
Первоначально (примерно 500 000 лет назад) человек использовал только мускульную энергию. В дальнейшем (несколько тысяч лет назад) он перешел на древесину и органические вещества. 100 лет назад центр тяжести энергопотребления сместился в сторону угля. 70 лет назад – в сторону угля и нефти. А последние 35 лет этот центр тяжести оказался прочно связан с триадой «уголь – нефть – газ».
Табл. 1. Потребление энергии на одного человек (ккал/сут.)
По имеющимся прогнозам (табл. 2), несмотря на все продолжающееся развитие исследований по эффективному использованию альтернативных источников энергии (солнечной, ветровой, приливной и геотермальной), углеводородные виды топлива по-прежнему сохранят и, в обозримом будущем, даже существенно увеличат свою и так значительную роль в энергетическом балансе человечества.
Табл. 2. Вклад различных источников энергии в мировой энергобаланс (%)
Современный мировой энергетический рынок характеризуется следующими показателями.
Разведанные запасы по состоянию на конец 2008 г. составляли: нефть – 169 млрд тонн, газ – 177 трлн м 3 , уголь – 848 млрд тонн. При этом общее содержание метана в газогидратных залежах на два порядка превышает его суммарный объем в традиционных извлекаемых запасах, оцениваемых в 250 трлн м 3 (рис. 1). Иначе говоря, гидраты могут содержать 10 трлн тонн углерода, т. е. в два раза больше, чем вместе взятые мировые запасы угля, нефти и обычного природного газа.
Общемировое производство нефти в 2007 г. составило 3906 млн тонн, продуктов нефтепереработки – 3762 млн тонн, угля – 3136 млн тонн н.э., газа – 2940 млрд м 3 . При этом энергопотребление (primary energy) в мире равнялось 11 099 млн тонн н.э.: включая 3953 млн тонн нефти, 3178 млн тонн н.э. угля, 2922 млрд м 3 (2638 млн тонн н.э.) газа, 709 млн тонн н.э. гидроэнергии и 622 млн тонн н.э. атомной энергии.
Что касается прогноза мирового потребления энергии на 2020 г., то согласно оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), ее совокупное потребление составит 13 300 – 14 400 млн тонн н.э.: нефти – 4600 – 5100 млн тонн н.э., газа – 3600 – 3800 млрд м 3 (3250 – 3450 млн тонн н.э.), угля – 2700 – 3200 млн тонн н.э., атомной энергии – 780 – 820 млн тонн н.э. и гидроэнергии – 320 млн тонн н.э.
Одной из основных проблем современной энергетики является неизбежное сокращение в средне- и долгосрочной перспективе запасов основных традиционных ее источников получения (в первую очередь нефти и газа).
При этом продуктивность разрабатываемых месторождений углеводородов неуклонно снижается, новые крупные месторождения открываются все реже, а использование угля наносит существенный ущерб окружающей среде.
Поэтому и приходится разрабатывать труднодоступные залежи нефти и газа в суровых природно-климатических условиях, на больших глубинах и, кроме того, обращаться к неконвенциональным углеводородам (нефтяные пески и горючие сланцы). Все это, значительно увеличивая стоимость получаемой энергии, так и не решает окончательно существующую проблему.
В связи с имеющейся ограниченностью и невосполнимостью традиционных ресурсов природного (горючего) газа, а также с растущим в XXI в. спросом на этот энергоноситель, человечество вынуждено обратить внимание на его значительные ресурсы, заключенные в нетрадиционных источниках, и прежде всего природных газовых гидратах.
Согласно современным геологическим данным, в донных осадках морей и океанов в виде твердых газогидратных отложений находятся огромные запасы углеводородного газа. Так, потенциальные запасы метана в газогидратах оцениваются величиной 2x1016 м 3 .
Однако газовые гидраты являются единственным все еще не разрабатываемым источником природного газа на Земле, который может составить реальную конкуренцию традиционным углеводородам: в силу наличия огромных ресурсов, широкого распространения на планете, неглубокого залегания и весьма концентрированного состояния (1 м 3 природного метан-гидрата содержит около 164 м 3 метана в газовой фазе и 0,87 м 3 воды).
Самое первое предположение о возможности существования газогидратных залежей было высказано И.Н. Стрижовым в 1946 г. Он писал: «На севере СССР есть обширные площади, где на глубинах до 400 м и даже до 600 м слои имеют температуру ниже 0°С и где могут быть газовые месторождения. Как будет обстоять вопрос о гидратах в таких месторождениях? Не будут ли эти месторождения содержать даже до начала разработки больших количеств гидрата? Не придется ли их разрабатывать как месторождения твердых ископаемых?»
В 1974 г. советские ученые Б.П. Жижченко и А.Г. Ефремова, проводя натурные исследования дна Черного моря, обнаружили образцы газогидратов (в сильно выделяющих газ поднятых колонках донных осадков наблюдали мелкие кристаллы, напоминавшие иней). В этот период такие образования еще не связывали с газогидратами.
Они упоминаются при описании пробоотбора осадков во многих местах континентального склона Болгарского сектора Черного моря (проф. П. Димитров, ИО БАН – устное сообщение), а также вблизи побережья Грузии (при глубине воды порядка 860 м).
Первая документированная находка газовых гидратов на Черном море была сделана в 1972 г. во время рейса НИС «Московский университет». Газогидраты были обнаружены в осадочной колонке, отобранной на периферии конуса выноса р. Дунай, при глубине воды 1950 м, и были описаны как «маленькие, белые, быстро исчезающие кристаллы», найденные в больших газовых кавернах, образовавшихся в осадках на глубине 6,4 м ниже морского дна. Следует отметить, что несколько позднее образец газогидрата был отобран и в восточной части конуса выноса р. Дунай (рейс НИС «Академик Вернадский», 1992 г.).
В 1998 г. во время 21-го рейса НИС «Евпатория» в акватории к югу от Крыма на грязевом вулкане Феодосия были отобраны семь грунтовых трубок, содержащих газогидраты. Станции располагались на небольшом участке дна диаметром 100 м при глубине моря около 2050 м. В шести пробах гидраты содержались в глинистых осадках, в седьмой были подняты брекчии грязевого вулкана, которые содержали образец монокристалла гидрата длиной 10 см. Эти находки газовых гидратов относятся к интервалу глубин от 0,4 до 2,2 м ниже дна. По визуальным оценкам содержание газогидратов составляло от 3 до 10% от общего объема осадков [Васильев].
В ряде последующих морских экспедиций, проведенных МГУ на НИС «Феодосия» (1988 – 1989 гг.) и «Геленджик» (1993 – 1994 гг.), также были найдены газовые гидраты – в районе грязевых вулканов, которые расположены на центральной абиссальной равнине Черного моря. Позднее (в 1996 г.) были описаны находки метановых гидратов в Феодосийском районе грязевого вулканизма (прогиб Сорокина). Все образцы газовых гидратов содержались в грязевых брекчиях и были отобраны на вершинах грязевых вулканов на глубинах от 0,6 до 2,85 м ниже дна.
В последующем газогидраты были найдены в Атлантическом и Тихом океане, в Охотском и Каспийском морях, на Байкале и т. д.
Эти, хотя зачастую разрозненные и не всегда планомерные, исследования ученых различных стран в прилегающих акваториях (Атлантический и Тихий океан, Черное, Каспийское, Охотское, Баренцовое и Северное море, Мексиканский залив и т. д.), проведенные в последние два десятилетия, позволили сделать обоснованный вывод о практически повсеместном наличии крупных скоплений аквальных залежей газогидратов, из которых можно будет извлечь в промышленных масштабах метан.
В частности, по прогнозным оценкам российских ученых Г.Д. Гинзбурга (1994 г.) и В.А. Соловьева (2002 г.), общее количество метана в аквальных залежах газогидратов оценивается в 2х1010 м 3 , т. е. его объемы на порядки превышают запасы углеводородов в традиционных месторождениях.
К настоящему времени установлено, что около 98% залежей газогидратов являются аквамаринными и сосредоточены на шельфе и континентальном склоне Мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Северной Азии, Норвегии, Японии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях), на глубинах воды более 200 – 700 м, и только всего 2% – в приполярных частях материков (рис. 2). Сегодня установлено свыше 220 залежей газогидратов.
Рис. 2. Известные и перспективные залежи (месторождения) гидрата метана
Самые крупные из (залежей) месторождений газогидратов:
а. Глубоководные залежи:
1. Глубоководная впадина близ побережья Коста-Рики - одно из крупнейших месторождений в мире. Правда, метановый лед на дне Тихого океана плотно спаян с вулканическим пеплом. Глубина залегания - 3100 – 3400 м.
2. Центральноамериканский глубоководный желоб (Гватемала). Тихий океан. Глубина залегания гидратов - 2100 – 2700 м.
3. Мексиканский район центральноамериканского глубоководного желоба. Тихий океан. Здесь сразу три месторождения: Mexico-1 (глубина - 1950 м), Mexico-2 (3100 м) и Mexico-3 (2200 м).
4. Калифорнийский разлом (США). Тихий океан. Обнаружены богатейшие залежи газогидратов, которые образуются при помощи глубоководных «асфальтовых вулканов», которые извергают в воду не только нефть, но и метан.
5. Тихоокеанская впадина, Орегон (США). Тихий океан. Глубина залегания - 2400 м.
6. Шельф Сахалина, Охотское море (Россия). В районе восточного побережья острова - в глубинных разломах - сосредоточены самые большие разведанные запасы газогидратов - более 50 месторождений.
7. Курильская гряда, Охотское море (Россия). Здесь были проведены первые в СССР поиски гидратосодержащих отложений. К настоящему времени ресурсы газогидратов в этом районе Охотского моря оцениваются в 87 трлн м 3 . Глубина залегания - 3500 м.
8. Побережье Японии. В Стране восходящего солнца газогидратами начали заниматься в 1995 г., когда была принята национальная программа по исследованию и освоению этих месторождений. К 2004 г. геофизики у побережья Японских островов нашли более 18 месторождений.
Желоб Нанкай в Японском море - одно из самых первых разведанных месторождений газогидратов в мире, расположено на глубине свыше 600 м. Здесь, во впадине Нанкай (находящейся всего в 60 км от берегов Японии параллельно японскому архипелагу с глубиной моря в районе работы судна, равной 950 м), между полуостровом Кий и Сикоку (рис. 3), с 1995 г. по 2000 г. были проведены фундаментальные исследования по поиску гидрата метана.
Рис. 3. Зона аквальных залежей метана около Японского архипелага
Проведенные ультразвуковые исследования показали, что под морем вокруг Японии прогнозируемые запасы метана в гидратах могут составлять от 4 до 20 трлн м 3 . Промышленную разработку месторождения предполагается начать в 2017 г.
9. Глубоководная Перуанская впадина, Тихий океан. Здесь газогидраты расположены на глубине свыше 6000 м, протяженность месторождения превышает 1500 км.
б. Шельфовые залежи:
1 - Мексиканский залив, побережье штатов Техас и Луизиана (США). Атлантический океан. Разведаны запасы газогидратов в нефтеносных районах Грин-каньон, Миссисипском подводном каньоне (именно здесь произошла утечка нефти с буровой платформы Deepwater Horizon) и национальном парке Флауэр Гарден Бэнкс - это уникальная цепочка рифов.
2. Наиболее известная аквальная газогидратная залежь расположена в районе Блейк Ридж к востоку от морской границы США, в зоне океанической гряды Блейка, у Атлантического побережья США. Здесь в виде единого протяженного поля на глубине 1,5 – 3,5 км залегает около 30 трлн м 3 метана. Глубина залегания - 400 м, мощность гидратоносного слоя - 200 м.
3. Грязевой подводный вулкан Хакон Мосби (Норвегия). Северный Ледовитый океан. Газогидраты, обнаруженные еще в 1990 г., залегают на глубине 250 – 1000 м.
4. Шельф дельты Нигера (Нигерия) в Атлантическом океане - самый богатый нефтью регион в Африке. Его еще называют страной нефтяных рек.
в. Континентальные залежи:
1. На дне Черного моря есть около 15 месторождений газогидратов. Прогнозируемый объем - 20 – 25 трлн м 3 . Более точный расчет выполнен для двух наиболее перспективных участков – Центрального и Восточного (рис. 4), площадь которых составляет, соответственно, 60,6 и 48,5 тыс. км 2 .
Рис. 4. Карта перспектив газоносности зоны гидратообразования черноморской впадины: Зоны: 1 – высокоперспективные, 2 – перспективные, 3 – малоперспективные, 4 – бесперспективные
Алексей Щебетов, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина Алексей Щебетов, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина Газогидратные месторождения обладают наибольшим потенциалом по сравнению с другими нетрадиционными источниками газа. Сегодня себестоимость газа, добытого из гидратов, несопоставима с аналогичным показателем добычи газа из традиционных газовых месторождений.
Алексей Щебетов, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина
Алексей Щебетов, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина
Газогидратные месторождения обладают наибольшим потенциалом по сравнению с другими нетрадиционными источниками газа. Сегодня себестоимость газа, добытого из гидратов, несопоставима с аналогичным показателем добычи газа из традиционных газовых месторождений. Однако вполне обоснованно полагать, что в ближайшей перспективе прогресс технологий газодобычи сможет обеспечить экономическую целесообразность разработки месторождений газовых гидратов. На основе анализа геологических условий залегания типовых газогидратных залежей и результатов численного моделирования автором выполнена оценка перспективности добычи газа из гидратов.
Газовые гидраты представляют собой твердые соединения молекул газа и воды, существующие при определенных давлениях и температурах. В одном кубометре природного гидрата содержится до 180 м3 газа и 0,78 м3 воды. Если раньше гидраты изучались с позиции технологических осложнений при добыче и транспорте природного газа, то с момента обнаружения залежей природных газовых гидратов их стали рассматривать как наиболее перспективный источник энергии. В настоящий момент известно более двухсот месторождений газовых гидратов, большая часть которых расположена на морском дне. По последним оценкам, в залежах природных газовых гидратов сосредоточено 10-1000 трлн м3 метана , что соизмеримо с запасами традиционного газа. Поэтому стремление многих стран (особенно стран-импортеров газа: США, Японии, Китая, Тайваня) освоить этот ресурс вполне объяснимо. Но, несмотря на последние успехи геологоразведочного бурения и экспериментальных исследований гидратов в пористых средах, вопрос об экономически рентабельном способе добычи газа из гидратов остается по-прежнему открытым и требует дальнейшего изучения.
Газогидратные месторождения
Самое первое упоминание о больших скоплениях газовых гидратов связано с Мессояхским месторождением, открытым в 1972 г. в Западной Сибири. Вопросами анализа разработки этого месторождения занимались многие исследователи, опубликовано более ста научных статей. Согласно работе в верхней части продуктивного разреза Мессояхского месторождения предполагается существование природных гидратов. Однако следует отметить, что прямые исследования гидратоносности месторождения (отбор керна) не проводились, а те признаки, по которым выявлены гидраты, носят косвенный характер и допускают различную трактовку .
Поэтому к настоящему моменту нет единого мнения о гидратоносности Мессояхского месторождения.
В этом отношении наиболее показательным является пример другого предполагаемого гидратоносного района - северного склона Аляски (США). Долгое время считалось, что данный район имеет значительные запасы газа в гидратном состоянии. Так, утверждалось , что в районе нефтяных месторождений Прудо Бей и Кипарук Ривер имеется шесть гидратонасыщенных пластов с запасами 1,0-1,2 трлн м3. Предположение о гидратоносности строилось на результатах опробования скважин в вероятном интервале залегания гидратов (эти интервалы характеризовались крайне низкими дебитами газа) и интерпретации геофизических материалов.
С целью изучения условий залегания гидратов на Аляске и оценки их ресурсов в конце 2002 г. компания «Анадарко» (Anadarko) совместно с Департаментом энергетики США организовала бурение разведочной скважины Хот Айс № 1 (HOT ICE #1). В начале 2004 г. скважина была закончена на проектной глубине 792 м. Тем не менее, несмотря на ряд косвенных признаков наличия гидратов (данные геофизических исследований и сейсморазведки), а также на благоприятные термобарические условия, гидратов в поднятых кернах обнаружено не было . Это еще раз подтверждает тезис о том, что единственным надежным способом обнаружения гидратных залежей является разведочное бурение с отбором керна.
На данный момент подтверждена гидратоносность лишь двух месторождений природных гидратов, представляющих наибольший интерес с точки зрения промышленного освоения: Маллик - в дельте реки Макензи на северо-западе Канады , и Нанкай - на шельфе Японии.
Месторождение Маллик
Существование природных гидратов подтверждено бурением исследовательской скважины в 1998 г. и трех скважин в 2002 г. На этом месторождении успешно проведены промысловые эксперименты по добыче газа из гидратонасыщенных интервалов. Есть все основания полагать, что оно является характерным типом континентальных гидратных месторождений, которые будут открыты в дальнейшем.
На основе геофизических исследований и изучении кернового материала выявлены три гидратосодержащих пласта (A, B, C) общей мощностью 130 м в интервале 890-1108 м. Зона вечной мерзлоты имеет мощность порядка 610 м, а зона стабильности гидрата (ЗСГ) (т.е. интервал, где термобарические условия соответствуют условиям стабильности гидратов) простирается от 225 до 1100 м. Зона стабильности гидратов определяется по точкам пересечения равновесной кривой образования гидрата пластового газа и кривой изменения температуры разреза (см. рис. 1). Верхняя точка пересечения является верхней границей ЗСГ, а нижняя точка - соответственно нижней границей ЗСГ. Равновесная температура, соответствующая нижней границе зоны стабильности гидратов, составляет 12,2°С .
Пласт А находится в интервале от 892 до 930 м, где отдельно выделяется гидратонасыщенный пропласток песчаника (907-930 м). По данным геофизики, насыщенность гидратом варьирует от 50 до 85%, остальное поровое пространство занято водой. Пористость составляет 32-38%. Верхняя часть пласта А состоит из песчаного алеврита и тонких прослоев песчаника с гидратонасыщенностью 40-75%. Визуальный осмотр поднятых на поверхность кернов выявил, что гидрат в основном занимает межзеренное поровое пространство. Данный интервал является самым холодным: разница между равновесной температурой гидратообразования и пластовой температурой превышает 4°С.
Гидратный пласт В (942-992 м) состоит из нескольких песчаных пропластков толщиной 5-10 м, разделенных тонкими прослоями (0,5-1 м) свободных от гидратов глин. Насыщенность гидратами варьирует в широких пределах от 40 до 80%. Пористость изменяется от 30 до 40%. Широкий предел изменения пористости и гидратонасыщенности объясняется слоистым строением пласта. Гидратный пласт В подстилается водоносным пропластком мощностью 10 м.
Пласт С (1070-1107 м) состоит из двух пропластков с насыщенностью гидратами в пределах 80-90% и находится в условиях, близких к равновесным. Подошва пласта С совпадает с нижней границей зоны стабильности гидратов. Пористость интервала составляет 30-40%.
Ниже зоны стабильности гидратов отмечается переходная зона газ-вода мощностью 1,4 м. После переходной зоны следует водоносный пласт мощностью 15 м.
По результатам лабораторных исследований установлено, что гидрат состоит из метана (98% и более). Изучение кернового материала показало, что пористая среда в отсутствии гидратов имеет высокую проницаемость (от 100 до 1000 мД), а при насыщении гидратами на 80% проницаемость породы падает до 0,01-0,1 мД.
Плотность запасов газа в гидратах около пробуренных разведочных скважин составила 4,15 млрд. м3 на 1 км2, а запасы в целом по месторождению - 110 млрд. м3 .
Месторождение Нанкай
На шельфе Японии уже на протяжении нескольких лет ведутся активные разведочные работы. Первые шесть скважин, пробуренных в период с 1999-2000 гг, доказали наличие трех гидратных пропластков общей мощностью 16 м в интервале 1135-1213 м от поверхности моря (290 м ниже морского дна). Породы представлены в основном песчаниками с пористостью 36% и насыщенностью гидратами порядка 80% .
В 2004 г. были пробурены уже 32 скважины при глубинах моря от 720 до 2033 м . Отдельно следует отметить успешное заканчивание в слабоустойчивых гидратных пластах вертикальной и горизонтальной (с длиной горизонтального ствола 100 м) скважин при глубине моря 991 м . Следующим этапом освоения месторождения Нанкай станет экспериментальная добыча газа из этих скважин в 2007 г. К промышленной разработке месторождения Нанкай намечается приступить в 2017 г.
Суммарный объем гидратов эквивалентен 756 млн м3 газа на 1 км2 площади в районе пробуренных разведочных скважин. В целом по шельфу Японского моря запасы газа в гидратах могут составлять от 4 трлн до 20 трлн м3 .
Гидратные месторождения в России
Основные направления поиска газовых гидратов в России сейчас сосредоточены в Охотском море и на озере Байкал . Однако наибольшие перспективы обнаружения залежей гидратов с промышленными запасами связаны с Восточно-Мессояхским месторождением в Западной Сибири . На основе анализа геолого-геофизической информации сделано предположение о том, что газсалинская пачка находится в благоприятных для гидратообразования условиях. В частности, нижняя граница зоны стабильности газогидратов находится на глубине приблизительно 715 м, т.е. верхняя часть газсалинской пачки (а в некоторых районах и вся пачка) находится в термобарических условиях, благоприятных для существования газогидратов. Опробование скважин результатов не дало, хотя по каротажу данный интервал характеризуется как продуктивный, что можно объяснить снижением проницаемости пород из-за наличия газовых гидратов. В пользу возможного существования гидратов говорит и тот факт, что газсалинская пачка является продуктивной на других рядом расположенных месторождениях. Поэтому, как отмечалось выше, необходимо бурение разведочной скважины с отбором керна. В случае положительных результатов будет открыта газогидратная залежь с запасами ~500 млрд м3.
Анализ возможных технологий разработки газогидратных залежей
Выбор технологии разработки газогидратных залежей зависит от конкретных геолого-физических условий залегания. Сейчас рассматриваются только три основных метода вызова притока газа из гидратного пласта: понижение давления ниже равновесного давления, нагрев гидратосодержащих пород выше равновесной температуры, а также их комбинация (см. рис. 2). Известный метод разложения гидратов с помощью ингибиторов вряд ли окажется приемлемым вследствие высокой стоимости ингибиторов. Другие предлагаемые методы воздействия, в частности электромагнитное, акустическое и закачка углекислого газа в пласт, пока еще мало изучены экспериментально.
Рассмотрим перспективность добычи газа из гидратов на примере задачи притока газа к вертикальной скважине, полностью вскрывшей гидратонасыщенный пласт. Тогда система уравнений, описывающих разложение гидрата в пористой среде, будет иметь вид:
а) закон сохранения массы для газа и воды:
где P - давление, T - температура, S - водонасыщенность, v - гидратонасыщенность, z - коэффициент сверхсжимаемости; r - радиальная координата; t - время; m - пористость, g, w, h - плотности газа, воды и гидрата соотвественно; k(v) - проницаемость пористой среды в присутствии гидратов; fg(S), fw(S) - функции относительных фазовых проницаемостей для газа и воды; g, w - вязкости газа и воды; - массовое содержание газа в гидрате;
б) уравнение сохранения энергии:
где Сe - теплоемкость породы и вмещающих флюидов; cg, cw - теплоемкость газа и воды соответственно; H - теплота фазового перехода гидрата; - дифференциальный адиабатический коэффициент; - коэффициент дросселирования (коэффициент Джоуля-Томсона); e - коэффициент теплопроводности породы и вмещающих флюидов.
В каждой точке пласта должно выполняться условие термодинамического равновесия:
Т = A ln P + B, (3)
где A и B - эмпирические коэффициенты.
Зависимость проницаемости породы от насыщенности гидратов принято представлять в виде степенной зависимости:
k (v) = k0 (1 - v)N, (4)
где k0 - абсолютная проницаемость пористой среды при отсутствии гидратов; N - константа, характеризующая степень ухудшения проницаемости с ростом гидратонасыщенности.
В начальный момент времени однородный и единичной мощности пласт имеет давление Р0, температуру Т0 и насыщенность гидратами v0. Метод понижения давления моделировался заданием на скважине постоянного дебита, а тепловой метод - тепловым источником постоянной мощности. Соответственно при комбинированном методе задавались постоянный расход газа и мощность теплового источника, необходимая для устойчивого разложения гидратов.
При моделировании добычи газа из гидратов рассматриваемыми методами учитывались следующие ограничения. При начальной пластовой температуре 10°С и давлении 5,74 МПа коэффициент Джоуля-Томсона составляет 3-4 градуса на 1 МПа депрессии. Таким образом, при депрессии 3-4 МПа забойная температура может достичь температуры замерзания воды. Как известно, замерзание воды в породе не только снижает проницаемость призабойной зоны, но и приводит к более катастрофическим последствиям - смятию обсадных колон, разрушению коллектора и т.д. Поэтому для метода понижения давления принималось, что за 100 суток работы скважины забойная температура не должна снизиться ниже 0°С. Для теплового метода ограничением является рост температуры на стенке скважины и самого нагревателя. Поэтому при расчетах принималось, что за 100 суток работы скважины забойная температура не должна превысить 110°С. При моделировании комбинированного метода учитывались оба ограничения.
Эффективность методов сравнивалась по максимальному дебиту вертикальной скважины, полностью вскрывшей газогидратный пласт единичной толщины, с учетом упомянутых выше ограничений. Для теплового и комбинированного методов энергетические затраты учитывались путем вычитания из дебита того количества газа, которое требуется для получения необходимой теплоты (в предположении, что теплота генерируется от сжигания части добываемого метана):
Q* = Q - E/q, (5)
где Q - дебит газа на забое, м3/сут.; E - подводимая к забою тепловая энергия, Дж/сут.; q - теплота сгорания метана (33,28.106), Дж/м3.
Расчеты проводились при следующих параметрах: P0 = 5,74 МПа; T0 = 283 К; S = 0,20; m = 0,35; h = 910кг/м3, w = 1000 кг/м3; k0 = 0,1 мкм2; N = 1 (коэффициент в формуле (4)); g = 0,014 мПа.с; w = 1 мПа.с; = 0,134; A = 7,28 К; B = 169,7 К; Сe = 1,48.106 Дж/(м3.К); cg = 2600 Дж/(кг.К), cw = 4200 Дж/(кг.К); H = 0,5 МДж/кг; e = 1,71 Вт/(м.К). Результаты расчетов сведены в табл. 1.
Анализ этих результатов расчетов показывает, что метод понижения давления является пригодным для гидратных пластов, где насыщенность гидратами невелика, а газ или вода не потеряли свою подвижность. Естественно, что при увеличении гидратонасыщенности (а значит, сокращении проницаемости согласно уравнению (4)) эффективность этого метода резко падает. Так, при насыщенности пор гидратами более 80% получить приток из гидратов за счет снижения забойного давления практически невозможно.
Другой недостаток метода снижения давления связан с техногенным образованием гидратов в призабойной зоне вследствие эффекта Джоуля-Томсона. На рис. 3 представлено распределение водо- и гидратонасыщенности, полученное в результате решения задачи притока газа к вертикальной скважине, вскрывшей газогидратный пласт. На этом рисунке отчетливо прослеживается зона незначительного разложения гидрата (I), зона вторичного гидратообразования (II) и зона фильтрации только газа (III), поскольку в этой зоне вся свободная вода перешла в гидрат.
Таким образом, разработка гидратных залежей за счет понижения давления возможна только при закачке ингибиторов в призабойную зону, что значительно увеличит себестоимость добываемого газа.
Тепловой метод разработки газогидратных месторождений пригоден для пластов, имеющих высокое содержание гидратов в порах. Однако, как показывают результаты расчетов, тепловое воздействие через забой скважины малоэффективно. Это связано с тем, что процесс разложения гидратов сопровождается поглощением тепла с высокой удельной энтальпией 0,5 МДж/кг (для примера: теплота плавления льда составляет 0,34 МДж/кг). По мере удаления фронта разложения от забоя скважины все больше энергии тратится на прогрев вмещающих пород и кровли пласта, поэтому зона теплового воздействия на гидраты через забой скважины исчисляется первыми метрами. На рис. 4 представлена динамика растепления полностью насыщенного гидратами пласта. Из этого рисунка видно, что за 100 суток непрерывного прогрева разложение гидратов произойдет в радиусе всего 3,5 метра от стенки скважины.
Наибольшие перспективы имеет комбинированный метод, состоящий в одновременном снижении давления и подводе тепла к скважине. Причем основное разложение гидрата происходит за счет снижения давления, а подводимая к забою теплота позволяет сократить зону вторичного гидратообразования, что положительно сказывается на дебите. Недостатком комбинированного метода (как и теплового) является большое количество попутно добываемой воды (см. табл. 1).
Заключение
Таким образом, при современном уровне нефтегазовых технологий трудно ожидать, что себестоимость добываемого газа из гидратов будет сопоставима с аналогичным показателем традиционных газовых месторождений. Это обусловлено большими проблемами и сложностями, возникающими перед разработчиками и исследователями. Однако уже сейчас газовые гидраты можно сравнить с другим нетрадиционным источником газа - метаном угольных пластов. Еще двадцать лет назад считалось, что добывать метан из угольных бассейнов технически сложно и невыгодно. Теперь только в США ежегодно добывается порядка 45 млрд м3 из более 10 тыс. скважин, что достигнуто за счет развития нефтегазовой науки и создания новейших технологий газодобычи. По аналогии с угольным метаном можно сделать вывод (см. табл. 2), что добыча газа из гидратов может оказаться вполне рентабельной и начнется в ближайшей перспективе.
Литература
1. Lerche Ian. Estimates of Worldwide Gas Hydrate Resources. Paper OTC 13036, presented at the 2001 Offshore Technology Conference in Houston, Texas, 30 April - 3May 2001.
2. Makogon, Y.F., Holditch, S.A., Makogon T.Y. Russian field illustrates gashydrate production. Oil&Gas Journal, Feb.7, 2005, vol. 103.5, pp. 43-47.
3. Гинсбург Г.Д., Новожилов А.А. О гидратах в недрах Мессояхского месторождения.// «Газовая промышленность», 1997 г., №2.
4. Collett, T.S. Natural gas hydrates of the Prudhoe Bay and Kuparuk River area, North Slope, Alaska: AAPG Bull., Vol. 77, No. 5, 1993, pp. 793-812.
5. Ali G. Kadaster, Keith K. Millheim, Tommy W. Thompson. The planning and drilling of Hot Ice # 1 - Gas Hydrate Exploration Well in the Alaskan Arctic. Paper SPE/IADC 92764 presented at the SPE/IADC Drilling Conference held in Amsterdam, The Netherlands, 23-25 February 2005.
6. Dallimore, S., Collett, T., Uchida, T. Scientific Results from JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 Gas Hydrate research Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Geological Survey of Canada, Bulletin 544, 1999, p. 403.
7. Takahashi, H., Yonezawa, T., Takedomi, Y. Exploration for Natural Hydrate in Nankai-Trough Wells Offshore Japan. Paper presented at the 2001 Offshore Technology Conference in Houston, Texas, 30 April - 3 May 2001. OTC 13040.
8. Takahashi, H., Tsuji, Y. Japan explores for hydrates in the Nankai Trough. Oil&Gas Journal, Sept.5, 2005, vol. 103.33, pp. 48-53.
9. Takahashi, H., Tsuji, Y. Japan drills, logs gas hydrate wells in the Nankai Trough. Oil&Gas Journal, Sept.12, 2005, vol. 103.34, pp. 37-42,
10. Соловьев В.А. Газогидратоносность недр Мирового Океана// «Газовая промышленность», 2001 г., №12.
11. Агалаков С.Е. Газовые гидраты в Туронских отложениях на севере Западной Сибири// «Геология нефти и газа», 1997г., №3.
