О больших и пока неиспользуемых источниках природного газа

Вниманию читателей СиН предлагается статья Элигзэндры Гоухоу «Энергия из льда», опубликованная в Science News (Вашингтон, округ Коламбиа, США).

В марте 2002 г. международная команда ученых закачала горячую воду на глубину 1200 м. Это было осуществлено в дельте реки Макензи (Северо-Западная Канада). Закачиваемая в недра Земли вода просачивалась в поры ледовых отложений, таяние в толще которых подобно таковому кристаллического льда. Нужно сказать, что эти кристаллы — не обычные кристаллы, но замороженные ячейки, представляющие собой молекулы воды, заполненные метаном — главным из природных газов. Данные структуры сформировались тысячелетия назад и теперь находятся в слоях, залегающих гораздо ниже отметки вечной мерзлоты. По мере таяния кристаллов природный газ, улетучиваясь, в виде пузырьков поднимался к земной поверхности, питая пламя, величественно возвышающееся над арктическим пейзажем. «Это был порядочный кусок работы», — говорит Денди Слоун (Colorado School of Mines in Golden). — И это была первая зарегистрированная в научном мире полевая демонстрация того, что природный газ может быть получен из такой кристаллической субстанции, как гидраты метана». На первый взгляд, этот нетрадиционный источник природного газа похож на обычный лед. Но достаточно поднести спичку, и вспыхнет пламя. За ряд прошлых десятилетий ученые идентифицировали множество подобных скоплений газового гидрата во всем мире. Некоторые утверждают, что энергопотенциал недр Земли, вероятно, вдвое больше учтенной энергии, сосредоточенной в гидратах (как и во всех других известных комбинированных энергоресурсах включая уголь, нефть и обычные отложения пластов природного газа). Вот что говорит Тимоти Нифси (Lawrence Berkeley National Laboratory, Калифорния): «В будущем гидраты могли бы быть гигантским источником энергии. На самом деле констатация этого факта только и ждет, чтобы случиться».

В данном случае выгода состоит в том, что гидраты трудно собрать, как можно собрать обычный урожай. На суше они находятся на сотни метров глубже вечной мерзлоты (в северных широтах), но в еще большем изобилии они встречаются в отложениях, находящихся ниже океанского дна. К тому же, данный газ охраняется низкими температурами и высоким давлением, что делает этот ледовый энергоисточник труднореализуемым. Фактически до недавнего времени никто не знал, существовала ли техническая возможность получения сколько-нибудь существенного количества природного газа от гидратов, не говоря уже об экономически выгодном варианте. Как бы то ни было, успехи, достигнутые в дельте Maкензи, существенно повлияли на расцвет перспектив промышленности гидрата метана. Выводы, сделанные на основании опубликованных недавно отчетов о геологических изысканиях, посвященных изучению характеристик отложений газовых гидратов, найденных как на Аляске, так и близ японского побережья, также позволяют надеяться, что гидраты метана, вероятно, станут в будущем чрезвычайно жизненным источником чисто сгораемого природного газа.

О происхождении гидрата

Хотя данный объект и считается новым как потенциальный источник энергии, гидраты уже давно являются объектами научного интереса. «Интересно, что исследования гидратов предваряют исследовательские результаты современной химии почти на 100 лет», — отмечает Джон Рипмистер — профессор- физикохимик Canadian National Research Council (Оттава). Английский химик сэр Хэмфри Дэйви получил первые известные в мире гидраты в своей лаборатории в 1811 г. И только в 1965 г. ученым удалось обнаружить соответствующие кристаллические структуры в природе, под сибирским слоем вечной мерзлоты. Явление газогидратов необычно в том отношении, что ледовые структуры, о которых идет речь, могут формироваться при температурах, значительно превышающих точку замерзания обычного льда. Это имеет место, когда под воздействием высокого давления охлажденные водогазовые молекулы сжимаются в твердое тело. Хотя гидраты могут содержать любой газ, который мог бы присутствовать в отложениях, в том числе и углекислый газ, и сероводород, безусловно, наиболее распространенные в природе гидраты — это большие углеводороды типа этана и гидраты пропан- метана. Гидраты формируются в вечной мерзлоте под воздействием высокой температуры, исходящей от ядра Земли. Глубоко покоящиеся органические вещества испускают метан. Газ этот фильтруется через отложения, пока не входит в контакт с зоной, где сочетание давления и температуры способствует формированию гидратов. В тех морских отложениях, где формируются гидраты, метан производят бактерии в процессе разрушения органики. То, что делает эти гидраты поистине золотыми производителями энергии, — их способность хранить большие количества горючего газа. Один кубический метр гидрата метана может содержать такое количество природного газа, которое при стандартных (комнатных) температуре и давлении заполнило бы приблизительно 164 м3. Глобальные оценки того, сколько метана связано в гидратах, меняются самым радикальным образом. Цифры колеблются на несколько порядков — приблизительно от 2,8*1015 до 8*1018 трлн м3 газа. В соответствии с одной часто цитируемой оценкой количество связанного гидратом газа в 100 раз больше, чем то, которое содержится в обычных ресурсах природного газа. К тому же, приблизительно одна четверть всемирных гидратов залегает в пределах границ США в местах типа аляскинского Северного склона, Мексиканского залива, а также Блэйк-Риджа, что близ побережья Южной Каролины. Согласно данным Министерства энергетики США, если бы только 1% метана, хранимого в этих гидратах, мог бы быть возвращен, это более чем удвоило бы текущие внутренние поставки природного газа.

За несколько последних десятилетий американское потребление природного газа быстро увеличилось. Как ожидается, данная тенденция сохранится как ответ на рост востребованности чисто сгорающих топлив, которые производят минимум СО2 — того самого газа, с которым связан парниковый эффект, ведущий к изменениям в земном климате. С другой стороны, если верить недавнему сообщению управления энергетической информации Минэнерго США, не позже 2020 г. внутреннее производство природного газа ощутимо сократится. С целью предотвращения этой ситуации в 2000 г. конгресс США принял закон о научных исследованиях гидрата метана. В соответствующую пятилетнюю исследовательскую программу вложено около $50 млн. Сегодня судьба данного начинания вновь в руках конгресса, который решает, целесообразно ли возобновлять финансирование. Для таких стран, как Япония и Индия, которые имеют запасы гидратов в своих прибрежных зонах и мало каких-то иных энергоресурсов, подобное начинание является приоритетным. В настоящее время эти страны, импортируя топливо, несут большие расходы. Расширение использования природного газа и обеспечение внутрияпонских поставок является важным фундаментом энергетической политики правительства, говорит Иошихиро Тсуджи (Japan Oil, Gas and Metals National Corporation). С 2001 по 2004 годы правительство страны вложило $160 млн в исследования и разработки, связанные с гидратами метана, сообщает он. А к концу 2006 г. правительство планирует инвестировать еще $40 млн.

Буровые будни

Япония играла активную роль в проведении испытаний в дельте канадской реки Макензи. Участок бурения, называемый Mаллик, лежит над одним из наиболее известных в мире бассейнов, содержащих сконцентрированный газовый гидрат. Гидратами метана заполнено до 80% пор отложений. Этот подземный лабиринт — хранилище замороженной энергии — расположен между отметками 900 и 1100 м ниже поверхности. Он является лучшим по характеристикам всех депозитов. В начале 70-х гг. прошлого столетия научные сотрудники канадской компании Imperial Oil впервые зарегистрировали газовые гидраты в этом регионе. Результаты, полученные в 2002 г., считаются международным научным успехом. Тогда около 100 ученых и инженеров из Японии, Канады, США, Индии и Германии собрались в Арктике, где провели 5 месяцев. Все началось осенью 2001 г., когда международная команда направила 165 т бурового оборудования баржей от Большого невольничьего озера (что к северу от Альберты) вниз по реке Макензи. По завершении 1800- километрового рейса механизмы были выгружены в 17 км от участка Моллик. Группа эскимосских рабочих устроила ледяные дороги, чтобы грузовики могли транспортировать тяжелое оборудование к месту назначения. После двух месяцев трудоемких предварительных работ (в Арктике в это время температура часто падает до -45°С, к тому же, стоит полярная ночь) инженеры, наконец, установили буровую установку. Первая скважина бурилась под Рождество. Всякий раз, когда исследователи извлекали керн диаметром 7,5 см и длиной 6 м, его поверхность шипела — это газ покидал гидраты. Для того, чтобы сохранять гидраты для будущих исследований, исследователи запечатали некоторые керны в специальных емкостях с контролируемыми давлением и температурой. Наиболее волнующим моментом явилось извлечение метана путем подхода, который мог бы использоваться в крупном масштабе. Идея состояла в создании условий дестабилизации гидратов и растворения их в воде, смешанной с метаном. Ученые постепенно погружали пробоотборник в скважину — медленнее, чем обычно открывают газированный напиток. Устройство фиксировало истечение газа и воды при разрушении гидратов. Тест, длившийся несколько часов, показал, как быстро отложения отвечали на их разгерметизацию, как быстро вода и газ поступали в скважину. Удалось установить и мощность отложений, и их проходимость. Эти факторы определяют нормативное время извлечения газа из гидратов. Для того, чтобы выявить наиболее энергоэффективный подход, были использованы определенные компьютерные модели. Кроме того, была проверена еще одна технология восстановления. Данный полевой эксперимент длился 5 дней. В его ходе гидраты расплавлялись водой, нагретой до 70°C. Газосодержащая жидкость выкачивалась на поверхности, а выделяемый метан подавался на горелку. Хотя для того, чтобы убедиться, что возможно получение природного газа из гидратов на коммерческой основе, нужно гораздо больше времени, первым доказательством были вышеописанные тесты.

Под морским дном

Как ни странно, все началось вовсе не с намерения изучить гидраты метана как возможный энергоресурс. Просто для нефтегазовой промышленности было необходимо как-то избегать того препятствия, которое представляют собой газовые гидраты при оффшорной добыче обычного газа. Осуществляя глубинное бурение в прибрежных водах, нефте- и газодобывающие компании часто сталкиваются с зонами, заполненными гидратами, которые забивают трубопроводы, тем самым надолго останавливая производство. Ежегодно отрасль тратит примерно до миллиарда долларов на прочистку трубопроводов и профилактику их засорения. Это неизбежное зло, и это то, ради чего и финансировались исследования в течение примерно 70 последних лет. Большинство исследований было выполнено в лабораториях, где ученые исследовали свойства этих странных кристаллических структур. Все же ряд фундаментальных вопросов продолжает оставаться без ответа. Например, как гидраты взаимодействуют с отложениями, и что выступает в качестве фактора, влияющего на их формирование? Различия между морскими гидратами и гидратами вечной мерзлоты также остаются озадачивающими. Депозиты, находящиеся под океанским дном, намного менее насыщены гидратом метана, чем депозиты вечной мерзлоты. В среднем лишь несколько процентов пор морского осадка заполнено гидратами — таким образом эффективность их добычи становится проблематичной. Чтобы выяснить, почему морские гидраты так редки, исследователи поместили синтезированные гидраты метана в большие резервуары, заполненные водой и песком. Управляя температурой, давлением и концентрацией солей в этих сосудах, исследователи моделируют условия, наблюдаемые под океанским дном. Таким образом удается наблюдать переменные условия роста объема или распада гидратов. В Pacific Northwest National Laboratory (Ричлэнд, штат Вашингтон) Пит Макгрэйл и его коллеги используют при исследовании отечественных гидратов ультразвук. Они установили, что размер пор между зернами песка влияет на формирование газосодержащих ледяных кристаллов. Чем меньше поры, тем меньше кристаллов. Макгрэйл объясняет: в процессе своего роста гидраты, выводя соль из своих структур, делают остающуюся в порах воду более соленой. Поскольку соль понижает точку замерзания воды, оставшаяся вода больше не может стабилизироваться в кристаллические структуры при местной температуре, и поэтому остается жидкостью. Чем больше поры, тем больше времени требуется для достижения этой ситуации — таким образом, формируется больше гидратов.

Перспективы

Как только ученые выяснят, как можно эффективно извлекать природный газ из рассеянных в морской среде гидратов, эти газонаполненные кристаллы смогут стать важным глобальным источником энергии. Но на это могут потребоваться десятилетия. Тем временем возможность извлечения небольшой коммерческой выгоды удалось обнаружить в таких местах, как Северный склон Аляски. В этом регионе не только находится несколько больших месторождений метанонасыщенных гидратов, но также имеется необходимая для развития добычи нефти и газа инфраструктура, говорит Тимоти Коллетт (U.S. Geological Survey, Денвер). BP Exploration (Аляска) и Минэнерго США уже приступили к оценке экономического потенциала накоплений газового гидрата Северного склона. Один такой депозит, известный как Eileen Тrend, содержит более 1,2 трлн м3 газа. Это вдвое больше общего количества природного газа, ежегодно потребляемого в США, говорит Коллетт. Наряду с обычными источниками природного газа это потенциальный ресурс, который можно расходовать в течение многих лет. К тому же, компьютерные модели показывают, что большие количества газа могут быть добыты на Северном склоне в норме, достаточно высокой для того, чтобы экономически конкурировать с обычным природным газом. Специалисты BP Exploration все же не решили, развивать ли добычу газовых гидратов на Северном саклоне. Все будет зависеть от того, чем закончится дискуссия между производителями нефти и газа, американскими и канадскими правительственными чиновниками, правлениями коммьюнитиз и защитниками окружающей среды, посвященная строительству газопровода от Северного склона в 48 более южных штатов. Хорошо было бы заранее знать, смогут ли гидраты внести свой вклад в строительство трубопровода. Если да, то это усилило бы аргументы в пользу строительства, на которое требуется $19 млрд. Кроме того, наличие трубопровода сделало бы развитие добычи газовых гидратов более привлекательным.

Пока дискуссия разворачивается, ученые Японии изучают возможность коммерческой газодобычи на депозите гидрата, известном как котловина Нанкаи (восточное побережье страны). Исследования извлеченных кернов показывают, что 60-70% пор отложений заполнено гидратами, говорит Тсуджи. В 2007 г. японская команда планирует начать промышленные тесты, чтобы оценить экономический потенциал котловины Нанкаи. Если все пойдет благоприятно, участок мог бы начать давать метан к 2016 г.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ


Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 31 за 2006 год в рубрике энергетика

©1995-2022 Строительство и недвижимость