Триллионы кубометров метана: кто победит в гонке за газогидратами?

– Сегодня газовые гидраты пока относятся к альтернативным или нетрадиционным из-за высокой доступности других углеводородов. В этой гонке победит страна, которая быстрее, качественнее и дешевле конкурентов создаст технологии разведки, добычи и переработки газовых гидратов, – считает автор десятков научных работ по газовым гидратам, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Тюменского филиала Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) им. С.А. Христиановича СО РАН Станислав Бородин. – В нашем институте мы занимаемся моделированием процессов добычи газа из газогидратов тремя способами – депрессионным, термическим и методом замещения. Последний представляется нам наиболее перспективным, так как помимо добычи газа-энергоносителя можно захоронить парниковый углекислый газ. При депрессионном методе на забое добывающей скважины понижается давление, это приводит к разложению газового гидрата в пласте, из него выделяется свободный газ, который затем можно извлечь традиционными методами газодобычи (см. рис. 1).

При термическом методе происходит нагрев гидратонасыщенного пласта, который усиливает процесс разложения газогидрата (см. рис. 2).

Вероятно, самый перспективный метод – замещение метана в составе гидрата углекислым газом. В пласт через одну скважину закачивается углекислый газ, который замещает собой метан в составе газового гидрата. При этом метан выделяется и добывается через другую скважину депрессионным способом. Таким образом, дополнительно решается задача утилизации углекислого газа (см. рис. 3).

Ученые из ИТПМ СО РАН построили математическую модель неизотермической фильтрации газа и жидкости с учетом фазовых переходов. В ней учитываются реальные свойства газа, эффект Джоуля-Томсона при фильтрации, совместная фильтрация смеси газов (метан и углекислый газ), растворение углекислого газа в воде и образование/разложение гидратов метана и углекислого газа. На основании этой модели разработана и совершенствуется программа «Hydrates Multi Calculations» для проведения численных экспериментов по комплексу задач как добычи газа из газовых гидратов, так и захоронения углекислого газа. Результаты численных экспериментов нужны для принятия адекватных технологических и инженерных решений при разработке газогидратных месторождений и захоронения углекислого газа.

Горючий снег на дне океанов

Газогидраты могут переходить из твердой формы в газообразную при изменении давления и температуры. В местах их залегания они находятся под высоким давлением в десятки атмосфер при относительно низких температурах (около +4°С). В этих условиях они твердые и представляют собой белое вещество, похожее на спрессованный снег. Но, в отличие от снега, газогидрат хорошо горит, несмотря на то, что основной его ингредиент – вода. Дело в том, что в многогранной кристаллической решетке этого вещества хранятся огромные объемы горючего газа. Обычно залежи гидратов расположены в прибрежных зонах морей и океанов на глубине от ста до тысячи метров, что в разы меньше, чем, например, глубина газовых и нефтяных скважин, которые зачастую составляют километры.

Большие запасы газогидратов находятся в прибрежных водах США, Канады, Гватемалы, Мексики, Японии, Южной Кореи, Индии и Китая. В России имеется как минимум 200 скоплений газогидратов. Крупнейшие месторождения газогидратов у нас обнаружены в Охотском, Черном и Беринговом морях, а также на шельфе моря Лаптевых. По самым приблизительным оценкам специалистов, объем месторождений газовых гидратов на нашей планете может составлять до миллиарда кубических километров. Чем севернее расположено месторождение и холоднее климат, тем меньше глубина залегания самых доступных скоплений газогидратов: если в южных морях это не менее 600 м, то в арктических водах – на глубине 250 м.

При снижении давления и/или повышении температуры газогидраты начинают разлагаться на газ и воду. Нередко газовые гидраты образуются непосредственно в трубах при добыче традиционного природного газа, когда давление и температура соответствуют их образованию. С такими помехами отечественные ученые начали работать еще в советское время. Для растворения наростов гидрата они применяли метанол, этанол, соленую воду и другие ингибирующие вещества. Это был быстрый и простой способ решить проблему. Но такие методы в промышленном масштабе приводят к отравлению и загрязнению окружающей среды и к уничтожению живых биосистем.

К концу ХХ века интерес к газогидратам возрос во всем мире. Количество публикаций в научных журналах увеличилось от нескольких десятков до сотен и тысяч. В 2020-е годы больше всех газогидратов добыли Китай и Япония. Объемы их добычи сегодня исчисляются сотнями тысяч кубометров и приближаются к миллиону.

Однако гигантские запасы газовых гидратов представляют собой не только хорошую перспективу для энергетики, но и серьезную угрозу для экологии всей планеты. Ведь метан обладает несравнимо большим парниковым эффектом, чем углекислый газ. Постепенное повышение температуры на нашей планете может привести к высвобождению большого количества метана из газогидратных месторождений. В частности, из-за постоянных небольших землетрясений под дном озера Байкал поднимаются горячие потоки вулканических пород и происходит нагревание месторождений газовых гидратов, которые провоцируют выделение метана. В свою очередь, выбросы повышают среднюю температуру на поверхности Земли, и эта реакция рискует стать замкнутым кругом.

Данное наблюдение еще больше увеличило интерес к газовым гидратам как к потенциально опасному для нашей планеты веществу, которое можно успешно использовать в энергетике. Более того, выяснилось, что при использовании метода замещения для добычи метана из газовых гидратов решается проблема утилизации огромного количества углекислого газа. Таким образом, одна технология имеет шансы снять сразу три глобальные проблемы – подготовить новый энергоресурс, защитить планету от гигантских выбросов метана и утилизировать имеющийся углекислый газ также дляэкологических целей.

Ямальские воронки и Бермудский треугольник

Метан выходит из недр Земли постоянно, но с разной глубины и с разной интенсивностью. Со дна озера Байкал происходит постоянный выход газа из газовых гидратов. Пузыри на болоте – это тот же самый процесс. В местах выхода или скопления газа при нагреве нередко возникают пожары. В частности, по этой причине в жаркую погоду горят свалки. Но это еще не все газовые природные бедствия. Когда пузыри метана в большом количестве поднимаются к поверхности океана, гибнут люди на буровых платформах и за считанные секунды уходят на дно корабли. Так что древнегреческие мифы о всепожирающей гидре вполне могли быть основаны на случаях большого выхода газа из газогидратов со дна Эгейского моря. Летящие вверх газовые пузырьки многократно снижают плотность воды. Внешне она словно вскипает и моментально поглощает все плавающие на поверхности объекты. Не исключено, что именно это явление послужило причиной трагедий в так называемом Бермудском треугольнике. Эта смертоносная бурлящая воронка, наводившая ужас на моряков со всего света, скорее всего, находилась над мощными скоплениями метана и долгое время была местом интенсивной дегазации. Кратеры и воронки от подводных струйных выделений метана есть в западной части Баренцева моря, которую подогревает Гольфстрим.

Выходы метана на поверхность могут происходить не только со дна водоема, но и на суше. В 2014 году на Ямале обнаружили несколько гигантских воронок диаметром около 25-ти метров и глубиной более 50-ти. Метан в нескольких местах вышел наружу взрывообразно. Причиной ученые считают снижение давление в глубоких пластах из-за работы буровых установок в относительной близости. С понижением давления газ начал постепенно выделяться из газогидрата, повышая температуру окружающих слоев. Накопившись, он не нашел выхода и вышел одномоментно. Геологи обнаружили метан и в самом кратере, и вокруг него, что прямо указывало на мощный газовый выброс из недр. Почему газ на Ямале вышел взрывообразно? Ему мешали выйти пластовые льды в вечной мерзлоте толщиной в десятки метров, которые стали для него непроницаемой «крышкой».

Разложение газогидрата с выделением газа сопровождается колоссальным увеличением объема. В 1 кубическом метре газового гидрата может содержаться около 160 кубических метров метана. То есть, содержимое увеличивается в 160 раз. Мощных выбросов газа со дна океана происходит великое множество, но на суше это явление зафиксировали впервые. В 2014-2017 гг. на севере Ямало-Ненецкого автономного округа и Красноярского края было выявлено около 10 крупных кратеров (воронок) мощных выбросов газа.

Основные проблемы добычи газогидратов

Три основные проблемы извлечения газа из газовых гидратов возникают потому, что они твердые. После бурения скважины газопровод попросту забивается песком. Вторая проблема – разная проницаемость слоев, под которыми (а зачастую в которых) лежат газогидраты). Если породы достаточно пористые, например это обычный грунт с песком, то газ может свободно выходить, если нет – их нужно перфорировать. Прежде, чем это делать, нужно смоделировать всю картину, учитывая реальные параметры, чтобы не тратить зря время и деньги. Кроме того, фазовый переход из твердого состояния в газ требует постоянных параметров давления и температуры в том месте, где находится гидрат. А когда происходит выделение метана из твердой породы, температура снижается, и, если ее искусственно не повышать, реакция останавливается. Это третья проблема.

Говоря о газогидратах, нужно объяснить, что метастабильный минерал, в отличие от стабильного, может разлагаться или, наоборот, образовываться при изменении условий. К сожалению, его нестабильность проявляется не всегда в нужную нам сторону. Например, если метан, двигающийся по трубе, вдруг встречается с парами воды при температуре +4°C, и все это происходит в пластах, где давление в десятки атмосфер, то в трубе образуется гидрат, и она закупоривается до лучших времен. Таким образом, разработчики модели должны учесть около десяти основных параметров, чтобы определить в каждом конкретном случае, как и где лучше пробурить скважину, под каким углом, с каким давлением нагнетать углекислый газ и на каком расстоянии нагнетающая скважина должна располагаться от добывающей.

Отдельная проблема – это скорость поступления газа из гидратов. При огромных запасах газа месторождение сравнительно быстро выдает только первую «порцию» газа около пробуренной скважины, где непосредственно происходит разложение. Для продолжения начатой реакции нужно снова и снова корректировать параметры, чтобы скорость получения ресурса оставалась экономически адекватной. По сути, основных параметров только два – это термическое воздействие и снижение давления в скважине: в одну скважину нагнетается тепло и СО2, а вторая сначала служит каналом разгерметизации для снижения давления, а потом – для добычи. Но существует ряд нюансов, которые играют большую роль в каждом отдельном случае. Например, вертикальную скважину бурить или горизонтальную. Для перспективной эффективной добычи газа из газогидратных пластов необходимо повысить дебиты скважин. И делать это желательно уже сегодня.

Работа на отдаленную перспективу

Пока вся имеющаяся нефть и газ еще не добыты и не израсходованы, газовые гидраты выглядят как перспектива примерно на 50 лет. Запасов природного газа в доступной (не твердой) форме, действительно, хватит еще на полвека. Но дальновидные ученые занимаются этим вопросом уже не первое десятилетие. Они понимают, что после окончания легко добываемых запасов углеводородов основным поставщиком энергии во всем мире станет то государство, у которого будет уже готова и отработана новая технология. Наиболее активно газовыми гидратами занимается Китай.

Добыча из газогидратных пластов впервые была осуществлена случайно в 1960-х годах на Мессояхском месторождении в СССР, попутно с добычей газа в свободной форме. Целенаправленные тестовые испытания состоялись уже в 21 веке: в 2002, 2007 и 2008 годах – в Канаде, в 2012 году – в США, в 2013 и 2017 годах – в Японии, а в 2017 и 2020 годах – в Китае. Причем в Китае в последнее время установили мировые рекорды по объему добытого газа из гидратов: примерно 860 тысяч кубометров за 30 дней. То есть, по среднему дебиту газа это составило около 29 тысяч кубометров в сутки. Следует отметить, что текущий рекорд дебита газа из гидратов в 29 тысяч кубометров в сутки мал по сравнению с дебитом добычи газа в традиционной извлекаемой форме, где удовлетворительным считается дебит в 100 тысяч кубометров в сутки, а хорошим – от 300 тысяч кубометров, дебит ниже 50 тысяч кубометров является уже неприемлемым.

В недавнем исследовании, опубликованном в китайском научном журнале China Geology, группа ученых из Пекинского университета подвела итоги и обобщила результаты своих многолетних испытаний добычи газовых гидратов. Они продемонстрировали, что для каждой скважины, в зависимости от ее характеристик, нужны свои расчеты и моделирование, чтобы выбрать правильный метод добычи.

Более 90% мировых газовых гидратов находятся в глинистых или илистых отложениях с низкой проницаемостью на морском дне. Эти ресурсы являются крупнейшими, но они же и остаются наиболее сложными для разработки. Тем не менее китайские исследователи успешно добыли метан из газовых гидратов илистого алеврита в Южно-Китайском море, подтвердив возможность добычи этого ресурса на морском дне. Китайские ученые пришли к выводу, что для успешной разработки гидратов необходим правильный выбор технологий для каждого типа скважины и определение оптимального метода ее использования.

Для существенного снижения затрат на разработку и обеспечение коммерческой эксплуатации китайские ученые предложили по возможности вообще отказаться от одиночных скважин и применять многоствольные горизонтальные скважины, а также внедрять групповое проектирование и бурение скважин. Авторы статьи предлагают организовать фабрику скважин с их централизованным строительством. Такие масштабные исследования проводятся на бюджетное финансирование и за счет государственных грантов, поскольку оно относится к стратегическим и пока не обещает ни прибыли, ни быстрой окупаемости. Но в вопросах энергетики будущего нужно быть готовым работать на отдаленную перспективу.

Вреза: Сколько осталось традиционного газа?

Данные по мировым запасам газа в традиционной извлекаемой форме постоянно меняются. Оценки по ним год от года могут уменьшиться, могут увеличиться, несмотря на постоянный постепенный рост потребления природного газа.

• 2019 – ≈ 206,09;
• 2021 – ≈ 208,82;
• 2022 – ≈ 205,90;
• 2023 – ≈ 206,43.

• 2019 – ≈ 4,13;
• 2020 – ≈ 4,03;
• 2021 – ≈ 4,19;
• 2022 – ≈ 4,26;
• 2023 – ≈ 4,28.