Влияние клатратов на окружающую среду

«Наука МИИТа - транспорту– 2013» («Неделя науки – 2013»)

Менцингер С.А. (ТТП-211)

 
КЛАТРАТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 
Газовые гидраты (также гидраты природных газов или клатраты) — кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа.  Гидраты газа относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава.При добыче газа гидраты могут образовываться в стволах скважин, промысловых коммуникациях и магистральных газопроводах. Отлагаясь на стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность. Для борьбы с образованием гидратов на газовых промыслах вводят в скважины и трубопроводы различные ингибиторы (метиловый спирт, гликоли, 30%-ный раствор CaCl2), а также поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляцией трубопроводов и подбором режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективна газоосушка — очистка газа от паров воды.

Свойства гидратов

Газовые гидраты внешне напоминают спрессованный снег, могут гореть, легко распадаются на воду и газ при повышении температуры. Благодаря своей клатратной структуре газовый гидрат объёмом 1 см³ может содержать до 160—180 см³ чистого газа

Применение газовых гидратов

Газовые гидраты используются для  опреснения морской воды. Предположительно, гидраты можно применять для  хранения газов. Существуют предложения  по захоронению на дне океана парниковых газов в виде гидратов.

Научные исследования 
В последние годы интерес к проблеме газовых гидратов во всем мире значительно усилился. Рост активности исследований объясняется следующими основными факторами:

активизацией поисков альтернативных источников углеводородного сырья в странах, не обладающих ресурсами энергоносителей, так как газовые гидраты являются нетрадиционным источником углеводородного сырья, опытно-промышленное освоение, которого может начаться в ближайшие годы;

необходимостью оценки роли газовых гидратов в приповерхностных слоях геосферы, особенно в связи с их возможным влиянием на глобальные климатические изменения;

изучением закономерностей образования  и разложения газовых гидратов в  земной коре в общетеоретическом плане с целью обоснования поисков и разведки традиционных месторождений углеводородов (природные гидратопроявления могут служить маркерами более глубокозалегающих обычных месторождений нефти и газа);

активным освоением месторождений  углеводородов, расположенных в сложных природных условиях (глубоководный шельф, полярные регионы), где проблема техногенных газогидратов обостряется;

целесообразностью сокращения эксплуатационных затрат на предупреждение гидратообразования в промысловых системах добычи газа за счёт перехода на энерго-ресурсосберегающие и экологически чистые технологии;

возможностью использования газогидратных  технологий при разработке, хранении и транспорте природного газа.

Проблемы и перспективы, связанные  с природными газогидратами

Освоение месторождений севера Западной Сибири с самого начала столкнулось с проблемой выбросов газа из неглубоких интервалов криолитозоны. Эти выбросы происходили внезапно и приводили к остановке работ на скважинах и даже к пожарам. Так как выбросы происходили из интервала глубин выше зоны стабильности газогидратов, то длительное время они объяснялись перетоками газа из более глубоких продуктивных горизонтов по проницаемым зонам и соседним скважинам с некачественным креплением. В конце 80-х годов на основе экспериментального моделирования и лабораторных исследований мерзлого керна из криолитозоны Ямбургского ГКМ удалось выявить распространение рассеянных реликтовых (законсервировавшихся) гидратов в четвертичных отложениях. Эти гидраты совместно с локальными скоплениями микробиального газа могут сформировать газоносные пропластки, откуда происходят выбросы при бурении. Присутствие реликтовых гидратов в неглубоких слоях криолитозоны было в дальнейшем подтверждено аналогичными исследованиями на севере Канады и в районе Бованенковского ГКМ. Таким образом, сформировались представления о новом типе газовых залежей — внутримерзлотных метастабильных газ-газогидратных залежах, которые, как показали испытания мерзлотных скважин на Бованенковском ГКМ, представляют собой не только осложняющий фактор, но и определённую ресурсную базу для местного газоснабжения.

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.

В ходе изучения природных газогидратов выяснилось, что отличить гидратосодержащие  отложения от мерзлых современными средствами полевой и скважинной геофизики не представляется возможным. Свойства мерзлых пород практически полностью аналогичны свойствам гидратосодержащих. Определенную информацию о присутствии газогидратов может дать каротажное устройство ядерного магнитного резонанса, но оно весьма дорогостояще и применяется крайне редко в практике геолого-разведочных работ. Основным показателем наличия гидратов в отложениях являются исследования керна, где гидраты либо видны при визуальном осмотре, либо определяются по замеру удельного газосодержания при оттаивании.

Перспективы применения в промышленности газогидратных технологий

Технологические предложения по хранению и транспорту природного газа в гидратном  состоянии появились ещё в 40-х  годах 20-ого века. Свойство газовых гидратов при относительно небольших давлениях концентрировать значительные объёмы газа привлекает внимание специалистов длительное время. Предварительные экономические расчеты показали, что наиболее эффективным оказывается морской транспорт газа в гидратном состоянии, причем дополнительный экономический эффект может быть достигнут при одновременной реализации потребителям транспортируемого газа и чистой воды, остающейся после разложения гидрата (при образовании газогидратов вода очищается от примесей). В настоящее время рассматриваются концепции морского транспорта природного газа в гидратном состоянии при равновесных условиях, особенно при планировании разработки глубоководных газовых (в том числе и гидратных) месторождений, удаленных от потребителя.

Однако в последние годы все  большее внимание уделяется транспорту гидратов в неравновесных условиях (при атмосферном давлении). Ещё одним аспектом применения газогидратных технологий является возможность организации газогидратных хранилищ газа в равновесных условиях (под давлением) вблизи крупных потребителей газа. Это связано со способностью гидратов концентрировать газ при относительно низком давлении. Так, например, при температуре +4°С и давлении 40 атм., концентрация метана в гидрате соответствует давлению в 15 — 16 МПа (150—160 атм.).

Сооружение подобного хранилища  не является сложным: хранилище представляет собой батарею газгольдеров, размещенных в котловане или ангаре, и соединённую с газовой трубой. В весенне-летний период хранилище заполняется газом, формирующим гидраты, в осенне-зимний — отдает газ при разложении гидратов с использованием низкопотенциального источника теплоты. Строительство подобных хранилищ вблизи теплоэнергоцентралей может существенно сгладить сезонную неравномерность в производстве газа и представлять собой реальную альтернативу строительству ПХГ в ряде случаев.

В настоящее время активно разрабатываются газогидратные технологии, в частности, для получения гидратов с использованием современных методов интенсификации технологических процессов (добавки ПАВ, ускоряющие тепломасооперенос; использование гидрофобных нанопорошков; акустические воздействия различного диапазона, вплоть до получения гидратов в ударных волнах и др.).

 

 

Эксперимент по добыче газовых гидратов в Японии

В феврале 2012 года японское исследовательское  судно «Тикю», арендованное Японской корпорацией нефти, газа и металлов (Japan Oil, Gas and Metals National Corp), начало пробное бурение скважин под океанским дном в 70 км к югу от полуострова Ацуми (близ города Нагоя) с целью экспериментов по добыче метангидратов. Предполагается пробурить три скважины глубиной 260 м (глубина океана в этом месте — около километра) с целью проверки возможности добычи газовых гидратов и проведения измерений. Ожидается, что для перевода метангидратов в газ будет использоваться процесс разгерметизации, разработанный консорциумом MH21. 12 марта 2013 года Japan Oil, Gas & Metals National Corp. (Jogmec) заявила о начале пробной эксплуатации подводного газгидратного месторождения и получении из него первого природного газа. Полномасштабное освоение месторождения планируется начать в 2018 году после разработки пригодной для промышленного использования технологии добычи

Влияние клатратов на окружающую среду

Сейчас природные газовые гидраты  приковывают особое внимание как  возможный источник ископаемого  топлива, а также участник изменений  климата

Катастрофический распад гидрата метана считается причиной Поздне-палеоценового термального максимума, геологического события, на границе палеоцена и эоцена, приведшего к вымиранию многих видов животных, изменению климата и седиментации.

Процесс прорыва метана из морских  залежей газовых гидратов был привлечён для объяснения исчезновения кораблей в Бермудском треугольнике и некоторых других местах. Дело в том, что при подъёме метана к поверхности вода насыщается пузырьками газа и плотность смеси резко падает. В результате корабль теряет плавучесть и тонет.

Гипотеза о метангидратном ружье (англ. clathrate gun hypothesis) — это обобщённое наименование для серии гипотез о том, что растущий уровень температур океана (и/или падение уровня океана) может запустить внезапное высвобождение метана из отложений гидратов метана под морским дном, что, ввиду того, что метан сам по себе является сильным парниковым газом, в свою очередь приведёт к дальнейшему росту температур и дальнейшей дестабилизации гидратов метана — в результате запуская самоусиливающийся процесс, в той же мере неостановимый, как уже начавшийся выстрел из ружья .

В своей исходной форме гипотеза предполагает, что «метангидратное  ружьё» может привести к самоусиливающемуся внезапному глобальному потеплению в течение времени, меньшего, чем время человеческой жизни, и могло быть ответственным за периоды потепления в течение и в конце последнего ледникового периода. Это предположение впоследствии не подтвердилось. Однако ряд более поздних исследований показывает, что самоусиливающееся разложение метангидратов могло приводить к резким изменениям океана и атмосферы Земли несколько раз в прошлом в течение промежутков времени в десятки тысяч лет; наиболее заметно среди этих событий Массовое пермское вымирание, произошедшее 251 миллион лет назад, когда вымерло 96 % видов земных организмов. 
Последствия взрыва океана за счёт метана будут катастрофическими для наземной жизни. Образно говоря, взрывающийся регион «вскипает», выбрасывая огромные количества метана и других газов (углекислоты, сероводорода) в атмосферу, и заливая большие поверхности суши. Хотя чистый метан легче воздуха, метан, нагруженный каплями воды — тяжелее воздуха, и в силу этого распространяется по поверхности Земли, смешиваясь с воздухом и (теряя воду) в форме дождя. Смесь метана и воздуха взрывоопасна при концентрациях от 5 до 15 процентов. Если такая смесь образуется около поверхности Земли и воспламенится молнией, то взрывы и пожары уничтожат большую часть наземной жизни, также приведя к выделению большого количества углекислоты. Огненные штормы направят смог и пыль в верхние слои атмосферы, где они сохранятся в течение нескольких лет. Как следствие, затемнение атмосферы и глобальное похолодание могут быть дополнительным негативным эффектом. И наоборот, углекислота и оставшийся метан создают дополнительный парниковый эффект, который может привести к глобальному потеплению. Результат соревнования между охлаждением и нагреванием предсказать трудно.

 
 
 
 
Список используемой литературы: 
1. Российская газовая энциклопедия. Москва. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2004. — с. 81-85. 
2. Дж. Кэрролл. Гидраты природного газа / Пер. с англ. — М.: Издательство «Технопресс», 2007. — 316 с., ил. — ISBN 978-5-903363-05-6

3. «Methane-driven oceanic eruptions and mass extinctions» Gregory Ryskin