Начало тут:
Как я писал в первой части, промышленная добыча газа из газогидратов уже реальность. Хоть и произошла совершенно случайно, во время разработки Мессояхского месторождения.
C газогидратами люди знакомы давно
Впервые их появление увидел сам великий Джозеф Пристли, а в 1811 году их искусственно получил Г. Дэви.
Под гидратами понимаются нестехиометрические соединения (не имеющие постоянного состава), состоящие их воды и какого-либо газа, чаще всего алканового ряда. В гидратах молекулы воды образуют внешний каркас, а внутри находится молекула углеводородного газа. Это внешне напоминает клетку, поэтому гидраты относят к клатратам («clathratus» - помещенный в клетку).
Гидраты могут иметь два вида кристаллических решеток. Решетка первого типа построена из 46 молекул воды и имеет 8 полостей. Такое строение имеют гидраты метана, этана, углекислого газа. А молекулы гидратов сероводорода или пропана имеют иное строение - они построены из 136 молекул воды, имеет 16 малых и 8 больших полостей.
В каждую полость хозяина (решетки из молекул воды) входит одна молекула «гостя». При этом не все полости могут быть заняты молекулами газа, чем больше наполненность кристаллической структуры – тем более устойчив гидрат.
Разные газы с разной интенсивностью образуют гидраты. Некоторые газы их не образуют вообще - неон, водород и высокомолекулярные алканы. А другие очень охотно вступают в соединения с водой, например тот же метан, а легче всего - углекислый газ.
Внешне газогидраты больше всего напоминают спрессованный снег или лед
Во время нефтегазодобычи их образуется большое количество, иногда их настолько много, что они полностью забивают трубопроводы и скважины, образуя гидратные пробки. Чаще всего это метангидраты, состоящие из метана и воды, если их поджечь - они сгорят, и на их месте остается только лужица воды.
Природных гидратов на земле много
Даже не так - невероятно много, колоссальное количество. Подсчитано, что газогидратном виде запасы углеводородов оцениваются примерно в 2 ⋅ 1016 (десять в шестнадцатой степени)м3, что гораздо больше, чем кислорода на земле и всех других углеводородов вместе взятых.
Больше всего их на дне океана, некоторых глубоких озер, а также в земной коре. Есть два прекрасных примера, насколько велико их количество. Первый - это знаменитый Ямальский "кратер", появившийся в 2014 году. Имеется консенсус о его появлении. Под слоем вечной мерзлоты находятся области льда с высокой концентрацией газогидрата. Такого, который может существовать при сравнительно небольшом давлении (глубина около десятка метров) и не слишком отличающейся от нуля температуре. Мерзлота тает, и при повышении температуры из гидратов начинает высвобождаться газ. Он накапливается и однажды пробку из земли буквально выбивает, после чего уже не прикрытый слоем мерзлоты газогидрат испарился. В результат чего возникла такая красота
Второй пример - это ежегодно образующиеся пузырьки метана, вмерзшие в лед Байкала. Они образуются от разложения метангидратов, которых очень много на дне озера. Газ поднимается к поверхности и пузырьки замерзают. Если их пробить и поджечь - они весело горят
Для образования газогидратов необходимы следующие условия:
влага в капельном виде и определенный термодинамический режим в системе. Наличие воды в жидкой фазе хотя и является обязательным условием, но недостаточно для образования гидратов. Образование гидратов происходит при определенных температурах и давлениях и зависит от состава газа.
Синяя линия - это линия фазового перехода. Если термобарические условия (температура и давление) ниже линии фазового перехода, то метан находится только в растворенном виде. То же самое касается и температуры, когда она ниже нуля - то она образует лед.
А вот выше линии газового перехода и положительной температуре и происходит вода группируется вокруг молекулы метана и происходит формирование метангидрата.
Следовательно надо выполнение двух условий:
1. Начало впадения капельной воды. В физике такая температура называется точкой выпадения росы. Она зависит от влажности воздуха. Чем воздух более влажный - тем точка росы выше и ближе к фактической температуре воздуха. Чем ниже относительная влажность, тем точка росы ниже фактической температуры.
2. Определенного давления. Тут зависит все от молекулы газа, чем крупнее молекулы и выше их молярная масса тем более низкое давление понадобится для формирования гидрата.
Образование и распад гидратов - это обратимые процессы
В условиях замкнутой системы они идут в обеих направлениях до момента установления равновесия, то есть сравнивания скорости прямой и обратной реакции. И это равновесие может длиться сколько угодно долго, пока не изменятся условия.
Как только они изменяются - сразу меняется скорость прямой или обратной реакции в ту сторону, которая уменьшит это воздействие. Например если взять гидраты и начать увеличивать давление - то их масса быстро увеличится, это приведет к уменьшению газа и, соответственно, снижению давления. Если снизить давление - то увеличится скорость обратного процесса, распада газогидратов.
Поэтому зная этот принцип, теоретически мы можем влиять на систему, где находятся гидраты, чтобы получать нужный нам газ.
Первый способ распада гидратов на газ и воду – это снижение давления
Именно такой способы и был использован во время эксплуатации Мессояхского месторождения, хоть и не специально. В залежи во время эксплуатации снижается давление ниже точки фазового перехода, часть гидратов распадается и превращается в газ.
Это просто и дешево. Кроме того, постоянно снижая давление ниже точки фазового перехода, мы можем добиться стопроцентного распада газогидратов. Но есть у него и существенный минус - это происходит очень медленно и долго.
Второй способ - нагреть гидраты
То есть если подкинуть в топку бани пару лопат гидратов - то они сгорят, главное, чтобы вода стекала. И процесс распада гидратов при высокой температуре будет быстрым, гораздо быстрее, чем если снижать давление. Но вот как это сделать в пластовых условиях - это вопрос. Не будешь же закачивать кипяток или спускать греющий кабель. Дорого получится, да теплопроводность пласта мала, в забое скважины может быть Ташкент, а за двадцать сантиметров от забоя в толще пласта - Арктика. Проще и дешевле вообще не добывать так газ.
Третий способ - это закачать другой газ, который вступает в реакцию активнее заключенного в гидраты
Например если метангидраты обработать углекислым газом, то последний быстро вытеснит метан из гидрата. Таким способом распада гидратов пользовались американцы, японцы и китайцы
Кроме прямого эффекта вытеснения диоксидом углерода, реакция эта сопровождается обильным выделением тепла (экзотермическая), что приводит к дополнительному распаду гидратов. Ну и, наконец, так можно захоронить углекислый газ, который зеленые активисты объявили климатическим убийцей. Правда метан еще более мощный парниковый газ, а самый мощный - это водяной пар, но откуда "общественном экологам" это знать.
Но и тут есть ограничения. Во-первых, потребуется огромное количество чистого углекислого газа, который надо выделять из атмосферы. Во-вторых, таким способом можно разложить только 64% процента связанного метана. Да и то только в лабораторных условиях, в пластовых процент будет значительно ниже.
И, наконец, есть четвертый способ - использование веществ, которые разлагают газогидраты. Чаще сего это ядовитый метанол, менее токсичный, но все же ядовитый диэтиленгликоль из простой хлористый кальций. И их надо просто неимоверное количество. Учитывая их цену и стоимость технологических издержек, эта идея окажется полностью экономически бессмысленной.
Подведем итоги:
1. Гидратов в природе имеется огромное количество. Особенно в земной коре и на дне океанов. Их запасы превышают запасы всех других свободных углеводородов.
2. Гидратообразование - процесс обратимый, при определенных условиях они распадаются на воду и газ.
3. Ускорить распад гидратов можно снижением давления, подогревом и воздействием некоторых химических веществ.
4. Все это достаточно дорого и не имеет практического значения на современном этапе развития технологий и в обозримом будущем.