Газогидраты и перспективы развития этой инновационной энергетики.

 

Уникальным источником газа, обладающим колоссальными ресурсами и концентрированными скоплениями, являются природные газогидраты. Грядущее начало промышленной разработки их шельфовых месторождений приведет к коренным изменениям на энергетическом рынке.

 

Призрачный гигант

Анализ стратегической важности для развития мировой энергетики различных источников природного газа, проведенный во ВНИИГАЗе в последние годы, показал: единственным источником газа, обладающим колоссальными ресурсами и концентрированными скоплениями, которые расположены относительно неглубоко от поверхности пород, являются природные газогидраты.

Все остальные ресурсы природного газа, традиционные и нетрадиционные, не могут сравниться с природными гидратами по своему потенциалу. Открыты они были относительно недавно — лишь в конце 60-х годов XX века. Между тем гидратные залежи неоднократно проходились бурением в северных регионах и на глубоководных участках морского шельфа. Столь позднее открытие такого мощного источника природного газа связано с особым свойством природных гидратов. После подъема керна они исчезают на глазах, оставляя в руках лишь жидкую грязь. Если же гидратосодержащий керн поднимается достаточно длительное время, то на поверхность поступают образцы уже без гидратов — они успевают разложиться в процессе подъема.

С другой стороны, даже случайное опробование гидратных горизонтов по существующим газовым технологиям не давало положительных результатов, поскольку для разложения гидратов в недрах требуется значительное время и тепло. Поэтому гидратосодержащие горизонты при бурении фиксировались и фиксирую до сих пор как неперспективные газовые и просто глушатся утяжеленным буровым раствором. Ситуация стала меняться в лучшую сторону только в последние годы.

Газ в ледяной клетке

Газовые гидраты — это твердые кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды (водного раствора, льда, водяных паров) и низкомолекулярных газов. Молекулы воды образуют ажурный каркас, в полости которого заходят молекулы газа. Такая структура гидрата позволяет удерживать в одном его объеме до 164 объемов газа (рис. 1). По внешнему виду гидраты напоминают лед или снег (рис. 2).

Наиболее распространен в природе гидрат метана. Чтобы он не распадался, необходимы низкие температуры и повышенное давление. Так, при температуре 0оС для формирования (стабильного существования) гидрата метана необходимо давление в 2,7 МПа, при +4оС — 4,5 МПа, при более высоких температурах — еще более высокие давления. Соответственно, сброс давления над гидратом ниже равновесной величины разрушает водный каркас вещества и высвобождает молекулы метана: гидрат разлагается на газ и воду. Однако если частица гидрата заморожена (температура ниже 0 оС), то она обладает свойством к самоконсервации — изоляции от окружающей среды тонкой пленкой льда. Это позволяет ей сохраняться даже при атмосферном давлении в неравновесных условиях.

Перенося условия гидратообразования на реальные термобарические условия в разрезе земной коры, можно установить, что гидрат метана может быть распространен в областях залегания мощных толщ многолетнемерзлых пород (свыше 300 м) и в придонных отложениях Мирового океана — с глубин воды около 300 м в северных широтах и около 600 м — в южных. Зона термодинамически благоприятных для образования гидрата метана условий в земной коре называется зоной стабильности газогидратов (ЗСГ) и обычно выделяется в разрезе пород графоаналитическим методом — наложением кривой условий гидратообразования на кривую распределения температур и давлений с глубиной в разрезе пород (рис. 3). Если в данной зоне газ и вода приходят в соприкосновение, они образуют гидраты. Гидраты, находящиеся внутри этой зоны, являются стабильными.

К настоящему времени сейсморазведочными и буровыми работами обнаружено около сотни мест скопления природных газовых гидратов на суше и на море. Газогидратные скопления распространены практически повсеместно вдоль побережья глубоководных морей и океанов, что делает их глобальным источником энергии. Некоторые из этих скоплений представляют собой обширные поля гидратосодержащих пород, покрывающие значительные (в несколько десятков тысяч квадратных километров) площади морского дна, другие — локальные скопления вокруг каналов высачивания глубинных газов. Общие объемы метана в природных гидратах оцениваются огромными цифрами — до 21х1015 м3, хотя в последние годы звучат более умеренные оценки — 2—7х1015 кубометров. Для сравнения, оценки суммарных потенциальных ресурсов природного газа других источников (кроме водорастворенных газов подземных водоносных горизонтов) не превышают 1,1х1015 кубометров. Природные гидраты считаются основным вместилищем приповерхностного метана на Земле, что заставляет учитывать их реакцию на возможное глобальное потепление.

И око не видит, и зуб неймет

Наибольший интерес вызывают перспективы добычи газа из газогидратных скоплений. Истощение собственных традиционных газовых ресурсов в главных центрах энергопотребления — Северной Америке, Европе и Юго-Восточной Азии — заставляет страны в этих регионах обратить внимание на газовые гидраты. Однако, чтобы начать промышленную добычу газа, предстоит решить целый ряд научно-технических проблем.

Во-первых, несмотря на концентрированное состояние газа в гидратах, сами гидратные кристаллы зачастую составляют малую долю общего объема породы. Необходимо разработать методы поиска и разведки наиболее крупных гидратных скоплений, где концентрация газогидратов была бы наивысшей. Как уже отмечалось, эта задача осложняется нестабильностью гидратов при извлечении кернов. Необходимы специальные керноотборники, позволяющие сохранить при подъеме керна температуру и давление пласта. Таких керноотборников пока немного, но они уже активно используются при бурении и отборе гидратосодержащего керна на месторождениях суши и моря.

Обычные геофизические методы поиска гидратосодержащих пластов пока не дают прямых указаний на присутствие гидратов в недрах. Косвенным признаком является наличие так называемых псевдодонных отражений (BSR) на лентах сейсмозаписи при морском сейсмопрофилировании. Однако даже эти признаки присутствия гидратов не всегда подтверждаются при разбуривании зоны стабильности. В то же время неоднократно фиксировались случаи подъема гидратосодержащего керна в акваториях, где BSR отсутствовали. То есть необходимо разработать прямые геолого-геофизические методы поиска и разведки гидратосодержащих пластов.

Во-вторых, разложение гидратов метана на газ и воду весьма энергоемкий процесс — примерно 450 кДж/кг (для сравнения, оттаивание льда требует 336 кДж/кг). Чтобы добыть газ из пластовых гидратов, требуется понизить давление в пласте, избежать понижения температуры пласта ниже 0о С при оттаивании гидратов (избежать самоконсервации) и обеспечить приток газа к забою, избежав притока воды из оттаивающих гидратов. Поэтому задача добычи газа из гидратных скоплений — комплексная, и решается для каждого скопления в индивидуальном порядке.

В-третьих, для разработки континентальных и морских залежей гидратов необходимо организовать системы подготовки газа к транспортировке, учитывая удаленное от берега и глубоководное расположение шельфовых месторождений газогидратов. Эти системы должны предусматривать не только очистку и дегидратацию газа, но и альтернативные способы его транспортировки. Прокладка трубопровода или строительство завода по сжижению далеко не всегда будут экономически эффективными. Поэтому для каждой залежи, планируемой к разработке, необходимо рассматривать возможности конверсии добытого газа на месте в другие продукты (синтетические топлива, электричество, тепловая энергия) либо его транспортировку — в сжатом или гидратном состояниях.

Ухватить его непросто

В настоящее время рассматриваются три основных способа добычи газа из гидратосодержащих пластов: депрессионный, тепловой, химический и их комбинации. Безусловно, наиболее простым и эффективным является депрессионный метод. Однако он предъявляет достаточно высокие требования к фильтрационно-емкостным свойствам гидратосодержащего пласта: начальная проницаемость должна быть на уровне нескольких миллидарси и выше, а пласт должен содержать свободный газ в контакте с гидратами. Тогда возможно установление такого режима истощения, что вода не забьет призабойную зону и не будет повторного гидратообразования вокруг забоя вследствие снижения температуры при отборе газа. Большая площадь охвата пласта (за счет высокой проницаемости) позволит компенсировать естественным геотермическим теплом холод от оттаивающих гидратов. Поиск таких коллекторов — нелегкая задача. Скорее всего, из общих ресурсов газа в гидратах они вмещают незначительную долю.

Наиболее вероятно распространение коллекторов с худшими фильтрационно-емкостными свойствами. Это связано с особенностями гидратонакопления. Как показало лабораторное моделирование, даже в высокопроницаемых песках гидратообразование приводит к подтягиванию воды, забиванию пор гидратами и формированию малопроницаемых гидратных текстур. Минеральная матрица коллектора может быть достаточно проницаемой, однако сформировавшиеся в поровом пространстве гидраты делают коллектор малопроницаемым. В этом случае необходимо «расчищать» каналы фильтрации в пласте, и здесь наиболее эффективной оказывается комбинация теплового и депрессионного методов, а иногда и с добавлением химических ингибиторов гидратообразования.

Следует отметить, что при добыче газа из природных гидратов будут характерны такие же параметры, как и при его добыче из других видов нетрадиционных газовых ресурсов — например, угольного метана. Это относительно малые дебиты и низкое давление газового потока на устье, а также большое содержание влаги. Однако, в отличие от других нетрадиционных ресурсов газа, давление добываемого из гидратов газа можно регулировать через интенсивность воздействия на пласт термическими и химическими агентами. Кроме того, как показали геологоразведочные работы в рамках североканадского проекта, удельная плотность ресурсов в газогидратном месторождении может достигать более 4х1012 м3/км2 (для сравнения: крупнейшая сеноманская залежь Уренгойского газового месторождения имеет плотность ресурсов вдвое меньшую и залегает глубже). В совокупности с относительно небольшими дебитами это означает весьма длительный период эксплуатации месторождения и жизни промысловой системы.

Особое значение для освоения ресурсов газогидратов имеют гидраты глубоководных шельфов арктических морей. Здесь существует две зоны распространения газогидратов. Первая — прибрежная мелководная, где залегают субаквальные толщи многолетнемерзлых пород, содержащие реликтовые гидраты. Вторая — удаленная глубоководная (вблизи континентального склона и на самом континентальном склоне), где существуют благоприятные условия для гидратообразования.

 

Лидеры в забеге за гидратами

 

В мире сейчас реализуется несколько проектов по разведке и разработке газогидратных залежей, предусматривающих бурение специализированных скважин: на севере Канады (суша), на Аляске (суша), в Мексиканском заливе (море), в Бенгальском заливе (море), у восточного побережья Японии (море). В ближайшие годы планируется продолжить бурение скважин на газогидраты у побережья Китая и Южной Кореи, где обнаружены характерные признаки наличия гидратов в придонных отложениях.

Наиболее известным является международный проект на севере Канады (в дельте реки Маккензи), который продолжается уже одиннадцатый год и финансируется в значительной степени Японией. Проект разделен на стадии, каждая из которых имеет свою цель. В 1998—2000 гг. была осуществлена первая стадия — пробурена разведочная скважина на газогидратной залежи, изучены геологическое строение и свойства пласта, отработаны каротажные методы разведки. В 2001—2004 гг. была вторая стадия, предусматривавшая применение различных методов воздействия на пласт и анализ результатов, а в 2005 г. стартовала стадия по проведению полупромышленных испытаний скважин, вскрывающих газогидратную залежь. И зимой 2007—2008 гг. испытания показали приемлемые дебиты на устье скважин.

Этот опыт будет востребован прежде всего при реализации японской программы по освоению шельфовых газогидратных месторождений. Ведь основная проблема добычи газа из морских гидратов — добиться постоянных и экономически приемлемых дебитов на скважинах. Только после этого можно проектировать надводную часть (сбор, подготовку, транспортировку). Поэтому в гонке за новым источником энергии лидерство сейчас принадлежит Японии. Однако в соответствии с объемами инвестиций и количеством реализуемых проектов за лидером плотно пристроились США. Наращивают инвестиции Китай, Индия, Южная Корея. Очевидно, это тот пул стран, которые будут первыми в добыче гидратного газа. Кроме того, в последнее десятилетие шельфовыми гидратами все интенсивнее интересуются Канада, Норвегия, Германия, Франция, Италия, Великобритания, Турция, Украина, Малайзия, Вьетнам, Австралия, Чили.

 

Грядет переворот на рынке

Начало промышленной разработки шельфовых газогидратных месторождений приведет к коренным изменениям на рынке природного газа и энергетическом рынке в целом (газ уже сейчас занимает более четверти в мировом энергопотреблении). Страны, которые сейчас рассматриваются как перспективные крупные покупатели для традиционных поставщиков газа и на которые нацелены долгосрочные контракты, могут быстро превратиться в энергетически самодостаточные государства.

Более того, некоторые из них со временем могут выступить в качестве конкурентов существующим производителям, поставляя газ из газогидратов ближайшим соседям, у которых нет традиционных ресурсов и выхода к морю.

Глобальное распространение газогидратных залежей ставит под вопрос развитие торговли газом с помощью танкеров СПГ — возможно, разработка близлежащих залежей будет эффективнее, чем подвоз дорогого сжиженного газа. И, наконец, разработка шельфовых газогидратных залежей просто означает огромный шаг в научно-техническом развитии страны, осуществляющей эту разработку.