Газовые гидраты – это кристаллические соединения, устойчивые при низких температурах и повышенных давлениях. Они внешне напоминают спрессованный снег, могут гореть, легко распадаются на воду и газ при повышении температуры. В природе газогидраты встречаются либо в зонах вечной мерзлоты, либо на глубоководье, что изначально создаёт трудные условия для их разработки.
Газовый гидрат объёмом 1 м³ может содержать до 160-180 м³ чистого газа.
Типы залежей газовых гидратов
Существенное влияние на технологию добычи оказывает характер отложений, залегающих непосредственно под и над гидратоносным пластом. С этой точки зрения, в зависимости от вида подстилающих и перекрывающих пород и положения границы стабильности газогидратов относительно этих пород, залежи газогидратов подразделены на три основных класса и на дополнительный, четвёртый, встречающийся в морских условиях:
- К первому классу относятся гидратоносные коллекторы, которые подстилаются водоносной частью того же коллектора, содержащего свободный или растворенный газ;
- Второй класс характеризуется тем, что породы, подстилающие гидратоносный коллектор, проницаемы и насыщены водой, но не содержат свободного газа. При этом как гидратонасыщенный интервал, так и подстилающие породы находятся в зоне стабильности;
- Залежь третьего класса охватывает весь интервал коллектора, содержащего газогидрат, который находятся в зоне стабильности и залегает между покрывающими и подстилающими непроницаемыми породами;
- В морских поддонных отложениях встречаются коллектора четвёртого класса, отличающегося тем, что интервалы, содержащие газогидрат, расположены среди высокопористых водоносных песчаников, не содержащих гидратов, вследствие чего над газогидратом нет непроницаемой породы, которая обеспечивала бы скопление выделившегося из газогидратов газа.
Технологии добычи метана из газовых гидратов
Залежи газовых гидратов можно разработать с помощью четырех методов, которые основаны на диссоциации, т.е. на распаде газогидрата на газ и воду:
- метод снижения давления;
- нагревание;
- ввод ингибитора;
- комбинация методов.
Метод снижения давления (разгерметизация)
Суть технологии состоит в искусственном понижении давления в пласте вокруг скважины, которое достигается за счёт понижения давления в скважине или за счёт сокращения давления на газогидраты воды или свободного газа после их частичной откачки. Когда давление в слое газа ниже, чем фазовое равновесие газогидрата, газогидрат начинает распадаться на газ и воду, поглощая при этом тепловую энергию окружающей среды.
Технология наиболее эффективна при расположении газогидрата вблизи пласта свободного газа. При снижении объёма свободного газа происходит постоянное изменение равновесия между гидратом и газом, в результате чего газогидрат продолжает выделять газ, который наполняет нижележащую полость. Метод снижения давления применяется для разработки газогидратов, залегающих в породах высокой проницаемости.
Преимущества:
- простота процесса извлечения газа;
- возможность относительно быстрой добычи больших объёмов;
- сравнительно невысокие затраты.
Недостатки:
- вода может замёрзнуть и закупорить оборудование при низких температурах;
- возможно уплотнение гидратов в призабойной зоне скважины при снижении выхода из них газа.
Метод нагревания
Закачка теплоносителя
Чаще всего используется вода. Технология будет наиболее эффективной, если нагретую воду подвести в замкнутом цикле. Эффективность технологии повышается при подведении нагретой воды в замкнутом цикле по специальным трубам. Данный метод применён при 5-дневной пробной добыче газа на канадском месторождении Маллик в 2002 году. В ходе эксперимента в скважину глубиной 1100 м закачивалась вода температурой 80ºC. При достижении водой нижней точки скважины температура воды составляла 50ºC.
Закачка пара или другого нагретого газа
Метод основан на использовании устройства, помещаемого рядом с газовым гидратом или внутри его, позволяющего нагревать газовый гидрат паром или нагретым газом. Газовый гидрат может быть нагрет непосредственно паром или газом, или косвенно через теплопроводящую катушку или канал.
Нагревание с помощью электричества
Электроды вводятся в верхнюю и нижнюю части пласта и через пласт пропускается переменный ток. Также можно использовать микроволновое нагревание пласта с помощью подведения к нему микроволнового излучателя, который может перемещаться вдоль всей глубины пласта. Данный метод используется при добыче тяжёлой нефти.
Преимущества метода нагревания:
- относительная простота и отсутствие сложной техники.
Недостатки:
- высокие затраты энергии на нагревание и подведение теплоносителя к пласту;
- невозможность добычи из глубокозалегающих пластов;
- относительно медленное и ограниченное по объёмам разделение гидрата метана на газ воду;
- необходимость постоянного увеличения объёмов подводимой тепловой энергии;
- требование повышенных мер контроля при добыче газа из пластов в зоне вечной мерзлоты.
Некоторые другие способы доставки теплоносителя в залежь
Схема применения термического воздействия и депрессии
Для доставки теплоносителя в залежь можно использовать скважину с вертикальным стволом, от которого в разных направлениях ответвляются протяжённые горизонтальные стволы, проведённые в толще газогидратов. В горизонтальный ствол помещается НКТ, а кольцевое пространство заполняется гравием. В НКТ помещается обогреватель. Вертикальный ствол должен обеспечивать понижение давления путём снижения уровня столба жидкости, а нагреватель – повышать температуру газогидрата.
При полном отборе метана из участка, ближайшего к началу вертикального стола скважины, для продолжения процесса необходимо продвинуть нагреватель дальше в соседний горизонтальный участок. Выделившийся метан будет распространяться по кольцевому пространству, заполненному гравием, до вертикального ствола и далее на поверхность.
Технология разработки газогидратных месторождений с использованием горизонтальных скважин
Технология разработки газогидратных месторождений с использованием горизонтальных скважин подразумевает бурение модулей, состоящих из направленных скважин с многоствольным горизонтальным окончанием, и нагнетание различных теплоносителей в одни модули с последующим извлечением гидратного газа из вертикальных скважин.
Технология разработки газогидратных месторождений с использованием двухустьевых горизонтальных скважин
Технология подразумевает повышение степени извлечения углеводородов за счёт замкнутых искусственных фильтрационных каналов. При этом используется двухустьевая многоствольная горизонтальная скважина для одновременной добычи углеводородов и нагнетания в продуктивный пласт рабочих агентов, что обеспечивает циркуляцию рабочего агента в добывающем и нагнетательных стволах в различных направлениях.
Введение ингибитора
Введение ингибитора рассматривается как способ нарушения фазового равновесия газогидрата и понижения его температуры. В качестве ингибиторов могут выступать органические (например, этанол, метанол, гликоль) или соляные растворы (например, морская вода). Распад газового гидрата зависит от концентрации, объёмов, температуры и площади проникновения ингибитора.
Закачка хлорида кальция или бромида кальция
Технология подразумевает подачу горячих пересыщенных растворов хлорида кальция или бромида кальция или их смеси под давлением вниз по скважине, что приведёт к абсорбции солей водой газового гидрата с последующим выделением тепла.
Закачка тёплой морской воды
Для разложения газовых гидратов можно закачать относительно тёплую морскую воду в зону залегания газовых гидратов. Также можно закачать воду, взятую с уровня выше уровня залегания газовых гидратов. Жидкость подаётся через аппарат, обеспечивающий контакт с газовым гидратом, что приводит к разложению гидрата. Затем жидкость переносится в другую часть аппарата, неся с собой захваченные пары углеводородов в виде пузырей, которые могут быть отделены от жидкости. После короткой процедуры запуска процесс и аппаратура работают в самоподдерживающем режиме.
Закачка углекислого газа
Закачка углекислого газа в гидратосодержащие пласты позволяет извлечь метан путём замещения его молекул в кристаллической решётке.
Привлекательность этого метода определяется возможностью долговременного захоронения углекислого газа в глубоких формациях в виде газогидрата углекислого газа, возможностью уменьшить поступление воды на дневную поверхность, а также возможностью стабилизировать (против оползней) резервуар месторождения в процессе добычи метана и углеводородов в целом.
Совместная работа Министерства энергетики США и компании ConocoPhillips по исследованию возможностей добычи метана из газогидратов этим методом на Северном склоне Аляски началась в 2008 г. В ходе экспериментов в пласт закачивались углекислый газ, азот и их смесь в различных пропорциях, причём оптимальным было признано соотношение этих газов в пропорции 23% – диоксида углерода и 77% –азота.
В 2012 году компания ConocoPhillips провела успешные испытания технологии добычи метана из газогидратов на Северном склоне Аляски. Компания использовала углекислый газ, чтобы уменьшить давление в скважине и высвободить метан. В результате закачки углекислого газа в пробуренную скважину был создан устойчивый поток природного газа из гидратов метана в течение 30 дней подряд.
Преимущества введения ингибитора:
- возможность контроля над объёмами добычи газа за счёт объёмов введения ингибитора;
- предотвращение замерзания воды, образования гидратов и закупорки оборудования скважины.
Недостатки
- высокая стоимость;
- медленное протекание химической реакции ингибитора с газогидратом;
- экологическая опасность, которую представляют собой ингибиторы.
Некоторые другие способы добычи газовых гидратов
Газовые гидраты также можно поднять на поверхность без его разложения с помощью различных механических средств. Однако перспективы данного метода низкие, так как для разработки подобным методом пригодны месторождения, целиком состоящие из газогидратов и залегающих на поверхности дна. Например, есть патент, описывающий систему для получения жидких углеводородов из гидратов, находящихся на морском дне, с помощью двойной позиционной подсистемы. Судно располагается над скоплением гидратов. Подсистема поднимает гидрат на борт, где происходят выделение и сепарирование газа, который затем сжижается и подаётся в систему хранения, а оставшиеся после разложения гидрата вода и примеси захораниваются на дне.
Кроме того, разработаны способы декомпрессии, создания потока пламени, микроволнового воздействия и даже захоронение ядерных отходов. При захоронении ядерных отходов размягчаются твёрдые газогидраты. К тому же, время активной жизни радиоактивных отходов синхронизируется со временем жизненного цикла газогидратного месторождения.
Опыт разработки газогидратных залежей
В промышленном масштабе добыча метана из газогидратных залежей нигде в мире не ведётся. Тем не менее ряд стран, такие как США, Канада, Япония и Китай, реализуют исследовательские программы.
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.
В марте 2013 года Япония (первая в мире) приступила к тестовому извлечению метана из газогидратов в открытом море. По оценке Японской национальной корпорации по нефти, газу и металлам (JOGMEC), с имеющимися запасами метангидратов на шельфе страны Япония может покрыть свои потребности в природном газе на 100 лет вперёд.
На месторождении Маллик лучший результат показала технология разгерметизации. Об этом свидетельствует переход от нагревания к снижению давления в ходе пробных бурений, а также применение разгерметизации при пробной разработке запасов шельфа Японии в 2012-2013 годах. В пользу разгерметизации говорит более высокая эффективность технологии: при проведении пробной добычи метана на месторождении Маллик по технологии разгерметизации за 5,5 дней было добыто 13 000 куб. м газа, что существенно превышает показатели добычи на этом же месторождении по технологии нагревания – 470 куб. м газа за 5 дней.
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. Индия создала свою национальную исследовательскую программу по газогидратам в середине 1990-х годов. Главным объектом её 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.
2017 года Китай объявил, что первым начал добычу газа из «горючего льда». «Лёд» подняли с глубины 1266 метров в Южно-Китайском море в 285 километрах от Гонконга. С 10 мая китайские газовики добыли из отложений гидрата метана уже 120 тыс. куб. м газа (содержание чистого метана – 99,5%). Уровень дебитов составлял около 20 тыс. куб. м в сутки – этого недостаточно для рентабельной эксплуатации столь технологически сложной конструкции .
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 наличие рассматривалось как фактор, усложняющий разработку традиционных залежей газа (в случае их наличия). Также высказываются предположения, подтверждаемые теоретической аргументацией, о наличии большого числа месторождений газогидратов на всей площади арктического шельфа России.
Перспективы добычи метана из газогидратов
Разработка месторождений газогидратов является более дорогостоящей по сравнению с разработкой традиционных месторождений природного газа в силу следующих причин:
- низкая отдача от масштаба;
- необходимость сжатия природного газа с самого начала разработки;
- более высокая стоимость освоения скважин вследствие: использования большого количества воды; эксплуатации специального оборудования для введения химических элементов и/или локального нагрева для избегания повторного образования газогидратов и закупоривания скважин.
Предварительные оценки 2008 года для месторождения Маллик в канадской Арктике указывали на то, что совокупные капитальные и операционные издержки разработки варьируются в пределах 195-230 долл./тыс. куб. м для газогидратов, расположенных над свободным газом, и в пределах 250-365 долл./тыс. куб. м для газогидратов, расположенных над свободной водой. Японские разработчики оценивают себестоимость добычи метана из поддонных газогидратов в их проектах на уровне 540 долл./тыс. куб. м, в то время как данная технология становится конкурентоспособной только при затратах на добычу ниже 390 долл./тыс. куб. м.
По расчётам Международного энергетического агентства оценочные издержки промышленной разработки месторождений газогидратов могут составить 175-350 долл./тыс. куб. м, что все равно делает их наиболее дорогостоящим из известных способов добычи природного газа. Без неожиданных прорывных технических решений газогидратная революция возможна лишь в далёкой перспективе, когда стоимость традиционной добычи углеводородов увеличится на порядок. Они, несмотря на содержащиеся в них потенциально огромные ресурсы метана, вероятно, будут осваиваться в самую последнюю очередь из всех альтернативных ресурсов природного газа в следующие несколько десятилетий.
Ещё один источник неопределённости для прогнозирования развития разработки газогидратных месторождений – их влияние на экологию. Оно недостаточно изучено, и исследования в этой области продолжаются. Наибольшие опасения высказываются относительно применения ингибиторов. Кроме этого, экологические опасения связаны с прогнозируемым рядом экологов выбросом метана («метангидратное ружье») – быстрым (в течение жизни одного человеческого поколения) распадом гидратов в связи с глобальным потеплением климата и повышением температуры мирового океана. Некоторые экологи считают, что потепление климата может активировать самопроизвольный распад гидратов в ряде областей планеты, и этот дополнительный выброс парниковых газов приведёт к дальнейшему потеплению климата, вызывая цепную реакцию в виде ускорения распада гидратов и высвобождения парниковых газов.
Источники
- Дядин Ю. А., Гущин А. Л. Газовые гидраты. / Соросовский образовательный журнал, № 3, 1998, с. 55—64
- Дирекция по стратегическим исследованиям в энергетике. Газогидраты: технологии добычи и перспективы разработки. Информационная справка / Аналитический центр при правительстве РФ, 2013. URL: http://ac.gov.ru/files/publication/a/1437.pdf
- Energy from Gas Hydrates: Assessing the Opportunities and Challenges for Canada / Council of Canadian Academies, 2008. URL: https://cca-reports.ca/wp-content/uploads/2018/10/2008-11-05-report-on-gh.pdf
- Дейнего Е. Газ на дне: потенциал газовых гидратов. / Журнал «Нефть и Капитал», 2017. URL: https://oilcapital.ru/article/general/01-06-2017/gaz-na-dne-potentsial-gazovyh-gidratov-c738c606-317e-41fa-9e78-41d404378716
- Шехтман Г.А. Грядет ли газогидратная революция / «Независимая газета», 2018. URL: http://www.ng.ru/energy/2018-10-08/14_7327_revolution.html
- Якушев В.С., Квон В.Г., Герасимов Ю.А., Истомин В.А. Современное состояние газогидратных технологий: Обз. инф. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008. – 88 с.
- Якушев В.С., Гафаров Н.А., Карнаухов С.М., Рабальченко В.В., Огородников И.В. Газовые гидраты в Арктике и мировом океане: особенности залегания и перспективы освоения. – М., 2015. – 323 с.
- Мы в Telegram: t.me/abouthydrocarbons
