Sastav i svojstva gasnih hidrata. Gasni hidrati - iv_g

Rudarstvo Nacionalnog univerziteta mineralnih sirovina

Naučni savetnik: Gulkov Jurij Vladimirovič, kandidat tehničkih nauka, Nacionalni rudarski univerzitet za minerale i sirovine

Napomena:

Ovaj članak govori o hemikalijama i fizička svojstva gasnih hidrata, istorijat njihovog proučavanja i istraživanja. Pored toga, razmatraju se glavni problemi koji otežavaju organizaciju komercijalne proizvodnje gasnih hidrata.

U ovom članku opisujemo hemijske i fizičke karakteristike gasnih hidrata, istoriju njihovog proučavanja i istraživanja. Pored toga, razmatraju se osnovni problemi koji otežavaju organizaciju komercijalne proizvodnje gasnih hidrata.

Ključne riječi:

gasni hidrati; energija; komercijalno rudarstvo; Problemi.

gasni hidrati; energetika; komercijalna ekstrakcija; Problemi.

UDK 622.324

Uvod

U početku je čovjek koristio vlastite moći kao izvor energije. Nakon nekog vremena, energija drveta i organske tvari priskočila je u pomoć. Prije otprilike jednog stoljeća, ugalj je postao glavni energetski resurs; 30 godina kasnije, nafta je podijelila svoj primat. Danas se svetska energija zasniva na trijadi gas-nafta-ugalj. Međutim, 2013. godine japanske energetske kompanije su ovu ravnotežu pomjerile ka gasu. Japan-svet lider u uvozu gasa. Državna korporacija za naftu, gas i metale (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) uspjela je biti prva u svijetu da dobije gas iz metan hidrata na dnu Tihog okeana sa dubine od 1,3 kilometra . Probna proizvodnja trajala je samo 6 sedmica, iako je planom bila predviđena dvonedeljna proizvodnja, proizvedeno je 120 hiljada kubnih metara prirodnog gasa.Ovo otkriće će omogućiti da se zemlja osamostali od uvoza, radikalno promeni ekonomiju. Šta je gasni hidrat i kako može uticati na globalnu energetsku industriju?

Svrha ovog članka je razmatranje problema u razvoju plinskih hidrata.

Za to su postavljeni sljedeći zadaci:

• Istražite istoriju istraživanja gasnih hidrata
• Proučavati hemijska i fizička svojstva
• Razmotrite glavne probleme razvoja

Relevantnost

Tradicionalni resursi nisu ravnomjerno raspoređeni po Zemlji, štoviše, ograničeni su. Prema savremenim procjenama, rezerve nafte prema današnjim standardima potrošnje trajat će 40 godina, energetski resursi prirodnog gasa - 60-100. Svjetske rezerve gasa iz škriljaca procjenjuju se na oko 2.500-20.000 biliona. kocka m. Ovo je energetski rezervat čovječanstva za više od hiljadu godina.Komercijalno vađenje hidrata podiglo bi svjetsku energiju na kvalitativno novi nivo. Drugim riječima, proučavanje plinskih hidrata otvorilo je alternativni izvor energije za čovječanstvo. Ali postoji i niz ozbiljnih prepreka njihovom proučavanju i komercijalnoj proizvodnji.

Istorijat

Mogućnost postojanja gasnih hidrata predvidio je IN Strizhov, ali je govorio o necelishodnosti njihovog vađenja. Metan hidrat je prvi u laboratoriji dobio Villars 1888. godine, zajedno sa hidratima drugih lakih ugljovodonika. Početni sudari sa gasnim hidratima viđeni su kao problemi i smetnje u proizvodnji energije. U prvoj polovini 20. veka ustanovljeno je da su gasni hidrati uzrok začepljenja gasovoda koji se nalaze u arktičkim regionima (na temperaturama iznad 0 °C). Godine 1961 registrovano je otkriće Vasiliev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. "Svojstvo prirodnih gasova da budu u čvrstom stanju zemljine kore", što je najavilo novu prirodni izvor ugljovodonici - gasni hidrat. Nakon toga počelo se sve glasnije pričati o iscrpljivosti tradicionalnih resursa, a već 10 godina kasnije otkriveno je prvo nalazište plinskih hidrata u januaru 1970. godine na Arktiku, na granici Zapadnog Sibira, nazvano Messoyakha. Nadalje, izvedene su velike ekspedicije naučnika iz SSSR-a i mnogih drugih zemalja.

Riječ hemije i fizike

Plinski hidrati su molekuli plina okruženi molekulima vode, poput "gasa u kavezu". Ovo se zove vodeni klatratni okvir. Zamislite da ljeti uhvatite leptira u dlanove, leptir je plin, vaši dlanovi su molekuli vode. Jer štitite leptira od vanjskih utjecaja, ali će zadržati svoju ljepotu i individualnost. Ovako se gas ponaša u klatratnom okviru.

U zavisnosti od uslova formiranja i stanja hidrata, hidrati spolja izgledaju kao jasno definisani prozirni kristali različitih oblika ili predstavljaju amorfnu masu gusto stisnutog „snega“.

Hidrati se javljaju pod određenim termobaričnim uslovima - fazna ravnoteža. At atmosferski pritisak gasni hidrati prirodnih gasova postoje do 20-25 °C. Zbog svoje strukture, jedna zapremina gasnog hidrata može sadržati do 160-180 zapremina čistog gasa. Gustoća metan hidrata je oko 900 kg/m³, što je manje od gustine vode i leda. Kada se naruši fazna ravnoteža: povećanje temperature i/ili smanjenje tlaka, hidrat se razlaže na plin i vodu uz apsorpciju velike količine topline. Kristalni hidrati imaju visoku električnu otpornost, dobro provode zvuk i praktički su nepropusni za slobodne molekule vode i plina i imaju nisku toplinsku provodljivost.

Razvoj

Gasni hidrati su teško dostupni, jer Do danas je utvrđeno da je oko 98% naslaga gasnih hidrata koncentrisano na šelfu i kontinentalnoj padini okeana, na dubinama vode većim od 200-700 m, a samo 2% - u subpolarnim delovima kontinentima. Stoga se problemi u razvoju komercijalne proizvodnje gasnih hidrata susreću već u fazi razvoja njihovih ležišta.

Do danas postoji nekoliko metoda za otkrivanje naslaga gasnih hidrata: seizmičko sondiranje, gravimetrijska metoda, mjerenje toplotnih i difuznih tokova preko ležišta, proučavanje dinamike elektromagnetnog polja u istraživanom području itd.

U seizmičkom sondiranju koriste se dvodimenzionalni (2-D) seizmički podaci u prisustvu slobodnog plina ispod hidrata zasićenog rezervoara, utvrđuje se donja pozicija stijena zasićenih hidratima. Ali tokom seizmičkog istraživanja nemoguće je otkriti kvalitet ležišta, stepen hidratacije stijena. Osim toga, seizmičko istraživanje nije primjenjivo na složenim terenima, ali je s ekonomske strane najkorisnije, ali ga je bolje koristiti uz druge metode.

Na primjer, praznine se mogu popuniti primjenom elektromagnetnog istraživanja uz seizmičko istraživanje. To će omogućiti preciznije karakteriziranje stijene, zbog pojedinačnih otpora na mjestima pojavljivanja plinskih hidrata. Američko ministarstvo energetike planira da ga sprovede od 2015. godine. Za razvoj crnomorskih naslaga korištena je seizmoelektromagnetna metoda.

Takođe je isplativo razvijati polje zasićenih ležišta kombinovanom metodom razvoja, kada je proces razgradnje hidrata praćen smanjenjem pritiska uz istovremeno termičko izlaganje. Smanjenje pritiska će uštedjeti toplinsku energiju koja se troši na disocijaciju hidrata, a zagrijavanje pornog medija spriječit će ponovno formiranje plinskih hidrata u zoni formiranja dna.

Rudarstvo

Sljedeći kamen spoticanja je direktno vađenje hidrata. Hidrati leže u čvrstom obliku, što uzrokuje poteškoće. Budući da plinski hidrat leži pod određenim termobaričnim uvjetima, ako se jedan od njih prekrši, on će se razgraditi na plin i vodu, u skladu s tim su razvijene sljedeće tehnologije ekstrakcije hidrata.

1. Spuštanje pritiska:

Kada je hidrat van fazne ravnoteže, razlaže se na plin i vodu. Ova tehnologija je poznata po svojoj trivijalnosti i ekonomskoj izvodljivosti, a osim toga, uspjeh prvog japanskog rudarenja 2013. pada na njena pleća. Ali nije sve tako ružičasto: nastala voda tokom niske temperature može začepiti opremu. Osim toga, tehnologija je zaista efikasna, jer. 13.000 cu. m gasa, što je višestruko više od proizvodnje na istom polju po tehnologiji grijanja - 470 kubnih metara. m gasa za 5 dana. (vidi tabelu)

2. Grijanje:

Opet, potrebno je razgraditi hidrat na plin i vodu, ali putem dovoda topline. Toplota se može isporučiti na različite načine: ubrizgavanje rashladnog sredstva, cirkulacija tople vode, parno grijanje, grijanje na struju. Želeo bih da se zadržim na zanimljivoj tehnologiji koju su izmislili istraživači sa Univerziteta u Dortmundu. Projekat uključuje polaganje cjevovoda do naslaga gasnih hidrata morsko dno. Njegova posebnost je da cijev ima dvostruke zidove. Morska voda zagrijana na 30-40˚S, temperaturu faznog prijelaza, dovodi se na polje kroz unutrašnju cijev, a mjehurići gasovitog metana zajedno sa vodom dižu se kroz vanjsku cijev. Tamo se metan odvaja od vode, šalje u rezervoare ili u glavni cevovod, a topla voda se vraća u naslage gasnih hidrata. Međutim, ova metoda ekstrakcije zahtijeva visoke troškove, stalno povećanje količine dovedene topline. U ovom slučaju, plinski hidrat se sporije razgrađuje.

3. Uvođenje inhibitora:

Takođe, za razgradnju hidrata koristim uvođenje inhibitora. Na Institutu za fiziku i tehnologiju Univerziteta u Bergenu ugljični dioksid je smatran inhibitorom. Koristeći ovu tehnologiju, moguće je dobiti metan bez direktne ekstrakcije samih hidrata. Ovu metodu već testira Japanska nacionalna korporacija za naftu, gas i metale (JOGMEC) uz podršku američkog Ministarstva energetike. Ali ova tehnologija je puna opasnosti po okoliš i zahtijeva visoke troškove. Reakcije se odvijaju sporije.

Ime projekta	datum	Zemlje učesnice	Kompanije	Tehnologija
Mallik, Kanada		Japan, USA Channel, Njemačka, Indija	JOGMEC, BP, Chevron Texaco	Grijač (rashladna tekućina-voda)
Sjeverna padina Aljaske, SAD		SAD, Japan	Conoco Phillips, JOGMEC	Injekcija ugljičnog dioksida, injekcija inhibitora
Aljaska, SAD			BP, Schlumberger	Bušenje radi proučavanja svojstava gasnih hidrata
Mallik, Kanada		Japan, Kanada	JOGMEC kao dio privatnog javnog konzorcijuma	Depresurizacija
vatra u leduIgnikSikumi), Aljaska, SAD		SAD, Japan, Norveška	Conoco Phillips, JOGMEC, Univerzitet u Bergenu (Norveška)	ubrizgavanje ugljen-dioksida
Zajednički projekat (jointIndustrijaprojekat) Meksički zaljev, SAD			Chevron kao vođa konzorcijuma	Bušenje za proučavanje geologije gasnih hidrata
U blizini poluostrva Atsumi, Japan			JOGMEC, JAPEX, Japan Bušenje	Depresurizacija

Izvor - analitički centar zasnovan na materijalima otvorenog koda

Tehnologija

Drugi razlog za nerazvijenost komercijalne proizvodnje hidrata je nedostatak tehnologije za njihovu isplativu proizvodnju, što izaziva velika ulaganja. U zavisnosti od tehnologije, nailaze se na različite prepreke: rad specijalne opreme za unošenje hemijskih elemenata i/ili lokalno grejanje kako bi se izbeglo ponovno formiranje gasnih hidrata i začepljenje bunara; korištenje tehnologija koje sprječavaju vađenje pijeska.

Na primjer, 2008. godine, prema preliminarnim procjenama za polje Mallik na kanadskom Arktiku, naznačeno je da su se troškovi razvoja kretali u rasponu od 195-230 dolara za hiljadu tona. kocka m za gasne hidrate koji se nalaze iznad slobodnog gasa, iu rasponu od 250-365 dolara / hiljada. kocka m za plinske hidrate koji se nalaze iznad slobodne vode.

Za rješavanje ovog problema potrebno je popularizirati komercijalnu ekstrakciju hidrata među naučnim kadrovima. Organizujte više naučnih konferencija, takmičenja za poboljšanje stare ili stvaranje nove opreme, što bi moglo da obezbedi niže troškove.

opasnost po životnu sredinu

Štaviše, razvoj ležišta gasnih hidrata neminovno će dovesti do povećanja obima emisije prirodnog gasa u atmosferu i, kao rezultat, do povećanja efekta staklene bašte. Metan je snažan staklenički plin i, unatoč kraćem atmosferskom vijeku od CO₂, zagrijavanje uzrokovano emisijama velike količine metan će biti deset puta brži od zagrijavanja uzrokovanog ugljičnim dioksidom. Osim toga, ako globalno zagrijavanje, efekat staklene bašte ili iz drugih razloga prouzrokuju kolaps najmanje jednog depozita plinskih hidrata, to će uzrokovati kolosalno oslobađanje metana u atmosferu. I, kao lavina, od jedne pojave do druge, to će dovesti do globalne promjene klime na Zemlji, a posljedice ovih promjena ne mogu se ni približno predvidjeti.

Da bi se to izbjeglo, potrebno je integrirati podatke iz složenih istražnih analiza i predvidjeti moguće ponašanje ležišta.

Detonacija

Još jedan neriješen problem rudara je prilično neugodno svojstvo plinskih hidrata da "detoniraju" pri najmanjem podrhtavanju. U tom slučaju kristali brzo prolaze kroz fazu transformacije u plinovito stanje i dobivaju volumen nekoliko desetina puta veći od prvobitnog. Stoga izvještaji japanskih geologa vrlo pažljivo govore o izgledima za razvoj metanskih hidrata - na kraju krajeva, katastrofa platforme za bušenje Deepwater Horizon, prema brojnim naučnicima, uključujući profesora Roberta Beea sa Univerziteta Kalifornije u Berkeleyu , je rezultat eksplozije ogromnog metanskog mjehura, koji je nastao od naslaga hidrata na dnu koje su uznemirile bušaćice.

Nafta i gas

Plinski hidrati se ne razmatraju samo sa strane energetskog resursa, oni se češće susreću tokom proizvodnje nafte. I opet se okrećemo potonuću platforme Deepwater Horizon u Meksičkom zaljevu. Potom je za kontrolu istjecanja ulja napravljena posebna kutija, koja je planirana da se postavi iznad nulte bušotine. Ali pokazalo se da je ulje vrlo gazirano, a metan je počeo stvarati čitave ledene plohe plinskih hidrata na zidovima kutije. Oni su oko 10% lakši od vode, a kada je količina gasnih hidrata postala dovoljno velika, jednostavno su počeli da podižu kutiju, što su, generalno, stručnjaci unapred predvideli.

Isti problem naišao je i u proizvodnji konvencionalnog plina. Pored "prirodnih" gasnih hidrata, formiranje gasnih hidrata je veliki problem u magistralnim gasovodima koji se nalaze u umerenim i hladnim klimama, jer gasni hidrati mogu začepiti cevovod i smanjiti njegovu propusnost. Da se to ne bi dogodilo, ne dodaje se prirodnom plinu veliki broj inhibitora ili jednostavno koristite grijanje.

Ovi problemi se rješavaju na isti način kao i u proizvodnji: snižavanjem tlaka, zagrijavanjem, uvođenjem inhibitora.

Zaključak

U ovom članku razmatrane su barijere koje stoje na putu komercijalne proizvodnje gasnih hidrata. Oni se susreću već u fazi razvoja gasnih polja, direktno tokom same proizvodnje. Osim toga, plinski hidrati su trenutno problem u proizvodnji nafte i plina. Danas impresivne rezerve gasnih hidrata, ekonomska isplativost zahtijevaju akumulaciju informacija i pojašnjenja. Stručnjaci su još uvijek u potrazi optimalna rješenja razvoj ležišta gasnih hidrata. Ali s razvojem tehnologije, troškovi razvoja ležišta trebali bi se smanjiti.

Bibliografska lista:

1. Vasiliev A., Dimitrov L. Procena prostorne distribucije i rezervi gasnih hidrata u Crnom moru // Geologija i geofizika. 2002. br. 7. v. 43.
2. Dyadin Yu.A., Gushchin A.L. gasnih hidrata. // Soros Educational Journal, br. 3, 1998, str. 55–64
3. Makogon Yu.F. Hidrati prirodnog gasa: distribucija, modeli formiranja, resursi. – 70 s.
4. A. A. Trofimuk, Yu. 6-komanda-vymlnefti/detail/32-komanda-vympelnefti
5. Hemija i život, 2006, broj 6, str.
6. Dan kada je Zemlja umalo umrla - 5. 12. 2002 [ elektronski resurs] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayearthdied.shtml

Recenzije:

1.12.2015, 12:12 Mordashev Vladimir Mihajlovič
Pregled: Članak je posvećen širokom spektru problema vezanih za hitan zadatak razvoja plinskih hidrata - perspektivnog energetskog resursa. Rješenje ovih problema zahtijevat će, između ostalog, analizu i generalizaciju heterogenih podataka naučno-tehnoloških istraživanja, koji su često nesređeni, haotični. Stoga recenzent preporučuje autore u svojim dalji rad obratite pažnju na članak „Empirizam za haos“, stranica, br. 24, 2015, str. 124-128. Članak "Problemi razvoja gasnih hidrata" je od nesumnjivog interesa za širok spektar stručnjaka, trebalo bi ga objaviti.

18.12.2015 2:02 Odgovor na recenziju autora Polina Robertovna Kurikova:
Upoznao sam se sa člankom, sa daljnjim razvojem teme, rješavanjem obrađenih problema, koristit ću ove preporuke. Hvala za.

Prije nekoliko godina, među ekonomistima, odnosno ljudima koji su daleko od tehnologije, bila je popularna teorija o "oštećenju ugljovodonika". U mnogim publikacijama koje čine boju globalne finansijske elite raspravljalo se: kakav će biti svijet ako planeti uskoro nestane, na primjer, nafte? A koje će to biti cijene kada proces "iscrpljivanja" uđe, da tako kažem, u aktivnu fazu?

Međutim, „revolucija iz škriljaca“, koja se sada odvija bukvalno pred našim očima, ovu je temu maknula barem u drugi plan. Svima je postalo jasno ono što je ranije reklo samo nekoliko stručnjaka: još uvijek ima dovoljno ugljovodonika na planeti. Očigledno je prerano govoriti o njihovoj fizičkoj iscrpljenosti.

Pravo pitanje je razvoj novih proizvodnih tehnologija koje omogućavaju vađenje ugljovodonika iz izvora za koje se ranije smatralo da su nedostupni, kao i cijena resursa dobijenih uz njihovu pomoć. Možete dobiti skoro sve, samo će biti skuplje.

Sve to tjera čovječanstvo da traži nove "netradicionalne izvore tradicionalnog goriva". Jedan od njih je gore pomenuti gas iz škriljaca. GAZ Technology je već više puta pisao o različitim aspektima vezanim za njegovu proizvodnju.

Međutim, postoje i drugi takvi izvori. Među njima su i "heroji" našeg današnjeg materijala - gasnih hidrata.

Šta je to? U samom opšti smisao gasni hidrati su kristalna jedinjenja nastala od gasa i vode na određenoj temperaturi (prilično niskoj) i pritisku (prilično visokom).

Napomena: razne hemikalije mogu učestvovati u njihovom formiranju. Ne mora da se radi o ugljovodonicima. Prvi gasni hidrati koje su naučnici ikada primetili sastojali su se od hlora i sumpor-dioksida. Inače, to se dogodilo krajem 18. vijeka.

Međutim, budući da nas zanimaju praktični aspekti vezani za proizvodnju prirodnog plina, ovdje ćemo prije svega govoriti o ugljovodonicima. Štoviše, u stvarnim uvjetima među svim hidratima prevladavaju metan hidrati.

Prema teorijskim procjenama, rezerve takvih kristala su doslovno nevjerovatne. Prema najkonzervativnijim procjenama, riječ je o 180 triliona kubnih metara. Optimističnije procjene daju cifru koja je 40.000 puta veća. S takvim pokazateljima, složit ćete se, čak je nekako nezgodno govoriti o iscrpljivosti ugljikovodika na Zemlji.

Mora se reći da su hipotezu o prisutnosti ogromnih naslaga plinskih hidrata u uvjetima sibirskog permafrosta iznijeli sovjetski naučnici još u strašnim 40-im godinama prošlog stoljeća. Nakon par decenija našla je svoju potvrdu. A kasnih 60-ih godina čak je počeo razvoj jednog od ležišta.

Nakon toga, naučnici su izračunali da zona u kojoj metan hidrati mogu biti u stabilnom stanju pokriva 90 posto cjelokupnog morskog i okeanskog dna Zemlje i plus 20 posto kopna. Ispostavilo se da govorimo o potencijalno uobičajenom mineralu.

Ideja vađenja "čvrstog gasa" zaista izgleda atraktivno. Štaviše, jedinična zapremina hidrata sadrži oko 170 zapremina samog gasa. Odnosno, čini se da je dovoljno dobiti dosta kristala kako bi se dobio veliki prinos ugljikovodika. Sa fizičke tačke gledišta, oni su u čvrstom stanju i predstavljaju nešto poput rastresitog snijega ili leda.

Problem je, međutim, što se gasni hidrati nalaze, po pravilu, na veoma teško dostupnim mestima. „Intrapermafrost ležišta sadrže samo mali dio gasnih resursa koji su povezani sa hidratima prirodnog gasa. Najveći dio resursa ograničen je na zonu stabilnosti gasnih hidrata - taj interval dubina (obično nekoliko stotina metara), gdje se odvijaju termodinamički uslovi za stvaranje hidrata. Na sjeveru Zapadnog Sibira, ovo je dubinski interval od 250-800 m, u morima - od površine dna do 300-400 m, u posebno dubokim područjima šelfa i kontinentalne padine do 500-600 m ispod dnu. Upravo u tim intervalima otkrivena je većina hidrata prirodnog gasa”, prenosi Wikipedia. Dakle, po pravilu se radi o radu u ekstremnim uslovima dubokog mora, pod visokim pritiskom.

Ekstrakcija gasnih hidrata može biti povezana sa drugim poteškoćama. Takva jedinjenja mogu, na primjer, detonirati čak i pri blagim udarcima. Vrlo brzo prelaze u plinovito stanje, koje u ograničenoj zapremini može uzrokovati nagle skokove tlaka. Prema specijalizovanim izvorima, upravo su ova svojstva gasnih hidrata postala izvor ozbiljnih problema za proizvodne platforme u Kaspijskom moru.

Osim toga, metan je jedan od plinova koji mogu stvoriti efekat staklene bašte. Ako industrijska proizvodnja uzrokuje svoje ogromne emisije u atmosferu, to je preplavljeno pogoršanjem problema. globalno zagrijavanje. Ali čak i ako se to u praksi ne dogodi, bliska i neprijateljska pažnja "zelenih" prema takvim projektima je praktično zagarantovana. A njihove pozicije u političkom spektru mnogih država danas su veoma, veoma jake.

Sve to izuzetno "teži" projekte za razvoj tehnologija za ekstrakciju metan hidrata. Zapravo, na planeti još ne postoje istinski industrijski načini za razvoj takvih resursa. Međutim, relevantni razvoji su u toku. Postoje čak i patenti izdati izumiteljima takvih metoda. Njihov opis je ponekad toliko futuristički da se čini otpisanim iz knjige nekog pisca naučne fantastike.

Na primjer, „Metoda ekstrakcije gasnih hidrata ugljovodonika sa dna vodeni bazeni i uređaj za njegovu implementaciju (RF patent br. 2431042)“, navedeno je na web stranici http://www.freepatent.ru/: „Pronalazak se odnosi na oblast rudarstva na morskom dnu. Tehnički rezultat je povećanje proizvodnje gasno hidratiziranih ugljovodonika. Metoda se sastoji u uništavanju donjeg sloja oštrim rubovima kašika pričvršćenih na vertikalnu transportnu traku koja se kreće duž dna bazena uz pomoć gusjeničarskog pokretača, u odnosu na koji se transportna traka pomiče okomito, s mogućnošću produbljivanja u dnu. Istovremeno, plinski hidrat se podiže u zonu izoliranu od vode površinom prevrnutog lijevka, gdje se zagrijava, a oslobođeni plin se pomoću crijeva pričvršćenog na vrhu lijevka transportira do površine, podvrgavajući se to do dodatnog grijanja. Predlaže se i uređaj za implementaciju metode. Napomena: sve ovo treba da se odvija u morskoj vodi, na dubini od nekoliko stotina metara. Teško je čak i zamisliti koliko je ovaj inženjerski zadatak težak i koliko metana proizvedenog na ovaj način može koštati.

Međutim, postoje i drugi načini. Evo opisa još jedne metode: „Postoji poznata metoda za izdvajanje gasova (metan, njegovi homolozi, itd.) iz čvrstih gasnih hidrata u donjem sedimentu mora i okeana, u kojoj su dva niza cevi uronjena u bušotina izbušena do njenog dna identifikovane formacije gasnih hidrata - pumpanje i pumpanje. Prirodna voda na prirodnoj temperaturi ili zagrijana ulazi kroz injekcionu cijev i razlaže plinske hidrate u sistem "gas-voda" koji se akumulira u sfernoj zamci formiranoj na dnu formacije plinskog hidrata. Emitovani gasovi se ispumpavaju iz ove zamke kroz drugu cijev... Nedostatak poznate metode je potreba za podvodnim bušenjem, koje je tehnički opterećujuće, skupo i ponekad nepopravljivo narušava postojeće podvodno okruženje rezervoara ”(http:/ /www.findpatent.ru).

Mogu se dati i drugi opisi ove vrste. Ali iz već nabrojanog je jasno: industrijska proizvodnja metana iz gasnih hidrata je i dalje pitanje budućnosti. To će zahtijevati najsloženija tehnološka rješenja. A ekonomičnost takvih projekata još nije očigledna.

Međutim, rad u ovom pravcu je u toku, i to prilično aktivno. Posebno su zainteresovani za zemlje koje se nalaze u najbrže rastućem regionu sveta, što znači da postoji sve nova potražnja za gasnim gorivom. Govorimo, naravno, o jugoistočnoj Aziji. Jedna od država koja radi u ovom pravcu je Kina. Tako su, prema pisanju lista People's Daily, 2014. godine morski geolozi sproveli opsežna istraživanja jednog od lokaliteta koji se nalazi u blizini njegove obale. Bušenje je pokazalo da sadrži plinske hidrate visoke čistoće. Ukupno su izbušene 23 bušotine. To je omogućilo da se utvrdi da je područje distribucije gasnih hidrata na tom području 55 kvadratnih kilometara. A njegove rezerve, prema kineskim stručnjacima, iznose 100-150 biliona kubnih metara. Navedena brojka, iskreno govoreći, toliko je visoka da se zapitamo nije li previše optimistična i da li se takvi resursi zaista mogu izvući (kineska statistika općenito često postavlja pitanja među specijalistima). Ipak, očigledno je da kineski naučnici aktivno rade u tom pravcu, tražeći načine da svoju ekonomiju koja brzo raste, obezbede preko potrebnim ugljovodonicima.

Situacija u Japanu je, naravno, veoma drugačija od one u Kini. Međutim, snabdijevanje zemlje gorivom izlazeće sunce a u mirnija vremena nije bio nimalo trivijalan zadatak. Uostalom, Japan je lišen tradicionalnih resursa. I nakon tragedije u nuklearnoj elektrani Fukushima u martu 2011., koja je prisilila vlasti u zemlji pod pritiskom javno mnjenje smanjiti nuklearne energetske programe, ovaj problem je eskalirao gotovo do krajnjih granica.

Zbog toga je 2012. godine jedna od japanskih korporacija započela probno bušenje ispod okeanskog dna na udaljenosti od svega nekoliko desetina kilometara od ostrva. Dubina samih bunara je nekoliko stotina metara. Plus dubina okeana, koja je na tom mestu oko kilometar.

Mora se priznati da su godinu dana kasnije japanski stručnjaci uspjeli nabaviti prvi plin na ovom mjestu. Međutim, govoreći o potpuni uspjeh dok ne moraš. Industrijska proizvodnja u ovoj oblasti, prema prognozama samih Japanaca, mogla bi početi najranije 2018. godine. I što je najvažnije, teško je procijeniti kolika će biti konačna cijena goriva.

Ipak, može se konstatovati da se čovječanstvo još uvijek polako „približava“ nalazištima gasnih hidrata. I moguće je da će doći dan kada će iz njih izvlačiti metan u zaista industrijskim razmjerima.

Godinama otkrivaju i prva nalazišta gasnih hidrata na sjeveru SSSR-a. Istovremeno, mogućnost nastanka i postojanja hidrata u prirodnim uslovima nalazi laboratorijsku potvrdu (Makogon).

Od tada se plinski hidrati smatraju potencijalnim izvorom goriva. Prema različitim procjenama, rezerve ugljovodonika u hidratima kreću se od 1,8·10 14 do 7,6·10 18 m³. Ispostavlja se njihova široka rasprostranjenost u oceanima i permafrostu kontinenata, nestabilnost s povećanjem temperature i smanjenjem pritiska.

Svojstva hidrata

Hidrati prirodnog gasa su metastabilni mineral čije stvaranje i razgradnja zavisi od temperature, pritiska, hemijski sastav gas i voda, svojstva poroznog medija itd.

Hidrati plina u prirodi

Većina prirodnih gasova (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , CO 2 , N 2 , H 2 S , izobutan, itd.) formiraju hidrate koji postoje pod određenim termobaričnim uslovima. Područje njihovog postojanja ograničeno je na sedimente morskog dna i područja permafrosta. Preovlađujući hidrati prirodnog plina su metan i hidrati ugljičnog dioksida.

Tokom proizvodnje gasa, hidrati se mogu formirati u bušotinama, industrijskim komunikacijama i glavnim gasovodima. Pošto se talože na zidovima cijevi, hidrati naglo smanjuju njihovu propusnost. Za suzbijanje stvaranja hidrata u gasnim poljima u bunare i cevovode se unose različiti inhibitori (metil alkohol, glikoli, 30% rastvor CaCl 2), a temperatura protoka gasa se održava iznad temperature stvaranja hidrata pomoću grejača, termičkih izolacija cjevovoda i odabir načina rada, koji osigurava maksimalnu temperaturu struje plina. Da bi se sprečilo stvaranje hidrata u magistralnim gasovodima, najefikasnije je sušenje gasa – prečišćavanje gasa od vodene pare.

Naučno istraživanje

Poslednjih godina interesovanje za problem gasnih hidrata značajno je poraslo širom sveta. Rast istraživačke aktivnosti objašnjava se sljedećim glavnim faktorima:

• aktiviranje potrage za alternativnim izvorima ugljikovodičnih sirovina u zemljama koje nemaju energetske resurse, budući da su plinski hidrati nekonvencionalan izvor ugljikovodičnih sirovina, čiji pilot razvoj može početi u narednim godinama;
• potreba za procjenom uloge plinskih hidrata u prizemnim slojevima geosfere, posebno u vezi s njihovim mogućim utjecajem na globalne klimatske promjene;
• proučavanje obrazaca formiranja i razgradnje gasnih hidrata u zemljinoj kori u opšte teorijskim okvirima u cilju potkrepljenja traženja i istraživanja tradicionalnih nalazišta ugljovodonika (prirodne pojave hidrata mogu poslužiti kao markeri za dublja konvencionalna nalazišta nafte i gasa);
• aktivno razvijanje nalazišta ugljovodonika koja se nalaze u teškim prirodnim uslovima (duboka voda, polarni regioni), gde se pogoršava problem tehnogenih gasnih hidrata;
• izvodljivost smanjenja operativnih troškova kako bi se spriječilo stvaranje hidrata u sistemima za proizvodnju plina na polju kroz prelazak na tehnologije koje štede energetske resurse i koje su ekološki prihvatljive;
• mogućnost korištenja plinohidratnih tehnologija u razvoju, skladištenju i transportu prirodnog plina.

Poslednjih godina (nakon sastanka 2003. u OAO Gazprom), istraživanja o hidratima u Rusiji nastavljena su u razne organizacije oba kroz finansiranje iz državnog budžeta (dva projekta integracije Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka, mali grantovi Ruske fondacije za osnovna istraživanja, grant guvernera Tjumena, grant Ministarstva visokog obrazovanja Ruske Federacije ), te kroz grantove iz međunarodnih fondova - INTAS, SRDF, UNESCO (prema programu "plutajućeg univerziteta" - pomorske ekspedicije pod pokroviteljstvom UNESCO-a pod sloganom Training Through Research - Trening kroz istraživanje), KOMEKS (Kurele-Okhosk-Marine Eksperiment), CHAO (akumulacije ugljikohidrata u Ohotskom moru) itd.

U 2002-2004 istraživanje nekonvencionalnih izvora ugljovodonika, uključujući gasne hidrate (uzimajući u obzir komercijalne interese OAO Gazprom), nastavljeno je u OOO Gazprom VNIIGAZ i OAO Promgaz uz mali obim finansiranja. Trenutno se izvode studije o gasnim hidratima u OAO Gazprom (uglavnom u OOO Gazprom VNIIGAZ), na institutima Ruske akademije nauka i na univerzitetima.

Studije geoloških i tehnoloških problema gasnih hidrata započeli su sredinom 60-ih godina od strane stručnjaka VNIIGAZ-a. Najprije su se pokretala i rješavala tehnološka pitanja sprječavanja stvaranja hidrata, zatim su se teme postepeno širile: kinetički aspekti stvaranja hidrata su uključeni u sferu interesovanja, zatim je značajna pažnja posvećena geološkim aspektima, posebno mogućnostima hidratacije. postojanje ležišta gasnih hidrata i teorijski problemi njihovog razvoja.

Geološka istraživanja gasnih hidrata

Sljedeća faza istraživanja termodinamike formiranja hidrata povezana je s razvojem gigantskih sjevernih naslaga - Urengoja i Jamburga. Da bi se poboljšale metode za sprečavanje formiranja hidrata u odnosu na sisteme za sakupljanje i terensku obradu gasova koji sadrže kondenzat, bili su potrebni eksperimentalni podaci o uslovima formiranja hidrata u visokokoncentrovanim rastvorima metanola u širokom opsegu temperatura i pritisaka. U toku eksperimentalnih istraživanja (V. A. Istomin, D. Yu. Stupin i drugi) otkrivene su ozbiljne metodološke poteškoće u dobijanju reprezentativnih podataka na temperaturama ispod minus 20 °C. Iz tog razloga je razvijena nova tehnika proučavanja faznih ravnoteža gasnih hidrata iz višekomponentnih gasnih mešavina uz registraciju toplotnih fluksova u hidratnoj komori i, istovremeno, utvrđena je mogućnost postojanja metastabilnih oblika gasnih hidrata (u fazi njihovog formiranja), što je potvrđeno kasnijim studijama stranih autora. Analiza i generalizacija novih eksperimentalnih i terenskih podataka (domaćih i stranih) omogućila je izradu (V. A. Istomin, V. G. Kvon, A. G. Burmistrov, V. P. Lakeev) uputstva za optimalnu potrošnju inhibitora formiranja hidrata (1987).

Izgledi za primjenu plinohidratnih tehnologija u industriji

Tehnološki prijedlozi za skladištenje i transport prirodnog plina u hidratiziranom stanju pojavili su se 40-ih godina 20. stoljeća. Svojstvo gasnih hidrata pri relativno niskim pritiscima da koncentrišu značajne količine gasa već duže vreme privlači pažnju stručnjaka. Preliminarni ekonomski proračuni su pokazali da je najefikasniji morski transport gasa u hidratizovanom stanju, a dodatni ekonomski efekat se može postići istovremenom prodajom potrošačima transportovanog gasa i čiste vode preostale nakon razgradnje hidrata (u toku formiranje gasnih hidrata, voda se pročišćava od nečistoća). Trenutno se razmatraju koncepti pomorskog transporta prirodnog gasa u hidratizovanom stanju u ravnotežnim uslovima, posebno kada se planira razvoj dubokomorskih gasnih (uključujući i hidratnih) polja udaljenih od potrošača.

Međutim, poslednjih godina sve se više pažnje poklanja transportu hidrata u neravnotežnim uslovima (pri atmosferskom pritisku). Drugi aspekt primjene gasnih hidratnih tehnologija je mogućnost organizovanja skladišta gasnih hidrata u ravnotežnim uslovima (pod pritiskom) u blizini velikih potrošača gasa. To je zbog sposobnosti hidrata da koncentrišu plin pri relativno niskom pritisku. Tako, na primjer, na temperaturi od +4°C i pritisku od 40 atm., koncentracija metana u hidratu odgovara pritisku od 15-16 MPa (150-160 atm.).

Aleksej Ščebetov, Ruski državni univerzitet za naftu i gas. I.M. Gubkin Aleksej Ščebetov, Ruski državni univerzitet za naftu i gas po imenu I.M. IM Gubkina Polja gasnih hidrata imaju najveći potencijal u odnosu na druge nekonvencionalne izvore gasa. Danas je cijena plina proizvedenog iz hidrata neuporediva sa cijenama plina proizvedenog iz tradicionalnih plinskih polja.

Aleksej Ščebetov, Ruski državni univerzitet za naftu i gas. I.M. Gubkina

Aleksej Ščebetov, Ruski državni univerzitet za naftu i gas. I.M. Gubkina

Polja gasnih hidrata imaju najveći potencijal u odnosu na druge nekonvencionalne izvore gasa. Danas je cijena plina proizvedenog iz hidrata neuporediva sa cijenama plina proizvedenog iz tradicionalnih plinskih polja. Međutim, sasvim je razumno vjerovati da će u bliskoj budućnosti napredak tehnologija proizvodnje plina moći osigurati ekonomsku izvodljivost razvoja ležišta plinskih hidrata. Na osnovu analize geoloških uslova pojave tipičnih ležišta gasnih hidrata i rezultata numeričkog modeliranja, autor je procenio izglede za proizvodnju gasa iz hidrata.

Plinski hidrati su čvrsti spojevi molekula plina i vode koji postoje pri određenim pritiscima i temperaturama. Jedan kubni metar prirodnog hidrata sadrži do 180 m3 gasa i 0,78 m3 vode. Ako su se ranije hidrati proučavali sa stanovišta tehnoloških komplikacija u proizvodnji i transportu prirodnog gasa, onda se od otkrića nalazišta hidrata prirodnog gasa smatraju najperspektivnijim izvorom energije. Trenutno je poznato više od dvije stotine nalazišta plinskih hidrata, od kojih se većina nalazi na morskom dnu. Prema poslednjim procenama, u ležištima hidrata prirodnog gasa koncentrisano je 10-1000 triliona m3 metana, što je srazmerno rezervama tradicionalnog gasa. Stoga je sasvim razumljiva želja mnogih zemalja (posebno zemalja uvoznica gasa: SAD, Japana, Kine, Tajvana) da razviju ovaj resurs. Ali, uprkos nedavnom napretku u istražnom bušenju i eksperimentalnim studijama hidrata u poroznim medijima, pitanje ekonomski isplative metode ekstrakcije gasa iz hidrata ostaje otvoreno i zahteva dalje proučavanje.

Naslage gasnih hidrata

Prvi spomen velikih nakupina gasnih hidrata povezan je sa poljem Messoyakha, otkrivenim 1972. godine u Zapadnom Sibiru. U analizu razvoja ove oblasti uključeni su brojni istraživači, objavljeno je više od stotinu naučnih članaka. Prema radu, postojanje prirodnih hidrata pretpostavlja se u gornjem dijelu proizvodnog dijela polja Messoyakha. Međutim, treba napomenuti da direktne studije sadržaja hidrata u ležištu (uzorkovanje jezgra) nisu vršene, a znakovi po kojima su hidrati identifikovani su indirektni i omogućavaju različita tumačenja.

Stoga, do danas, ne postoji konsenzus o sadržaju hidrata u polju Messoyakhskoye.

U tom smislu, najindikativniji primjer je još jedna regija koja se pretpostavlja da sadrži hidrate - sjeverna padina Aljaske (SAD). Dugo se vjerovalo da ovo područje ima značajne rezerve plina u hidratiziranom stanju. Tako se tvrdilo da na području naftnih polja zaljeva Prudhoe i rijeke Kiparuk postoji šest rezervoara zasićenih hidratima sa rezervama od 1,0-1,2 triliona m3. Pretpostavka o sadržaju hidrata zasnovana je na rezultatima ispitivanja bušotina u vjerovatnom intervalu pojave hidrata (ove intervale karakteriziraju ekstremno niski protoki plina) i interpretaciji geofizičkih podataka.

Krajem 2002. godine Anadarko je zajedno sa američkim Ministarstvom energetike organizovao bušenje istražne bušotine Hot Ice No. 1 (HOT ICE #1) u cilju proučavanja uslova pojave hidrata na Aljasci i procjene njihovih resursa . Početkom 2004. godine bušotina je završena na ciljnoj dubini od 792 m. Međutim, i pored niza indirektnih znakova prisustva hidrata (podaci geofizičkih istraživanja i seizmičkih istraživanja), kao i povoljnih termobaričkih uslova, hidrati nisu pronađeni. u ekstrahovanim jezgrama. Ovo još jednom potvrđuje tezu da je jedini pouzdan način otkrivanja hidratnih naslaga istražno bušenje sa uzorkovanjem jezgra.

Trenutno postoje samo dva nalazišta prirodnih hidrata, koja su sa stanovišta najvećeg interesa industrijski razvoj: Mallik - u Mackenzie delti u sjeverozapadnoj Kanadi, i Nankai - na obali Japana.

Mallik depozit

Postojanje prirodnih hidrata potvrđeno je bušenjem istraživačke bušotine 1998. godine i tri bušotine 2002. godine. Na ovom polju su uspješno izvedeni terenski eksperimenti proizvodnje plina iz intervala zasićenih hidratima. Postoje svi razlozi za vjerovanje da jeste karakterističan tip nalazišta kontinentalnih hidrata koja će se otkriti u budućnosti.

Na osnovu geofizičkih studija i proučavanja materijala jezgre, identifikovane su tri hidratonosne formacije (A, B, C) ukupne debljine 130 m u intervalu 890-1108 m. permafrost ima debljinu od oko 610 m, a zona stabilnosti hidrata (HZZ) (tj. interval u kojem termobarični uslovi odgovaraju uslovima stabilnosti hidrata) se proteže od 225 do 1100 m. promjene temperature reza (vidi sliku 1) . Gornja tačka preseka je gornja granica SGI, a donja tačka je, respektivno, donja granica SGI. Ravnotežna temperatura koja odgovara donjoj granici zone stabilnosti hidrata je 12,2°C.

Rezervoar A nalazi se u rasponu od 892 do 930 m, gdje se posebno izdvaja međusloj pješčenjaka zasićenog hidratima (907-930 m). Prema geofizici, zasićenost hidratima varira od 50 do 85%, a ostatak pora zauzima voda. Poroznost je 32-38%. Gornji dio formacije A sastoji se od pješčanog mulja i tankih međuslojeva pješčanika sa hidratacijom od 40-75%. Vizuelnim pregledom jezgri podignutih na površinu otkriveno je da hidrat uglavnom zauzima intergranularni prostor pora. Ovaj interval je najhladniji: razlika između ravnotežne temperature stvaranja hidrata i temperature rezervoara prelazi 4°C.

Hidratni sloj B (942-992 m) sastoji se od nekoliko slojeva pijeska debljine 5-10 m, odvojenih tankim međuslojevima (0,5-1 m) gline bez hidrata. Zasićenost hidratima varira od 40 do 80%. Poroznost varira od 30 do 40%. Širok raspon promjena u poroznosti i zasićenosti hidratima objašnjava se slojevitom strukturom formacije. Hidratizirani sloj B je podvučen vodonosnikom debljine 10 m.

Rezervoar C (1070-1107 m) sastoji se od dva međusloja sa zasićenošću hidrata u rasponu od 80-90% i nalazi se u uslovima bliskim ravnotežnim. Baza rezervoara C poklapa se sa donjom granicom zone stabilnosti hidrata. Poroznost intervala je 30-40%.

Ispod zone stabilnosti hidrata nalazi se prelazna zona gas-voda debljine 1,4 m. tranzicijska zona slijedi vodonosnik debljine 15 m.

Prema rezultatima laboratorijska istraživanja utvrđeno je da se hidrat sastoji od metana (98% ili više). Proučavanje materijala jezgre pokazalo je da porozna sredina u odsustvu hidrata ima visoku permeabilnost (od 100 do 1000 mD), a kada je zasićena hidratima za 80%, propusnost stijene pada na 0,01-0,1 mD.

Gustina rezervi gasa u hidratima u blizini izbušenih istražnih bušotina iznosila je 4,15 milijardi m3 po 1 km2, a rezerve u celom polju - 110 milijardi m3.

Nankai polje

Na japanskom šelfu se već nekoliko godina izvode aktivni istražni radovi. Prvih šest bušotina izbušenih između 1999.-2000. godine dokazalo je prisustvo tri hidratna međusloja ukupne debljine 16 m u intervalu 1135-1213 m od površine mora (290 m ispod morskog dna). Stene su uglavnom peščari sa poroznošću od 36% i zasićenošću hidratima od oko 80%.

U 2004. godini već su izbušene 32 bušotine na dubinama mora od 720 do 2033 m. Odvojeno, treba napomenuti uspješan završetak vertikalnih i horizontalnih (s horizontalnom bušotinom od 100 m) bušotina u slabo stabilnim hidratnim formacijama na dubini mora od 991 m. Sledeća faza u razvoju polja Nankai biće eksperimentalna proizvodnja gasa iz ovih bušotina 2007. godine. K industrijski razvoj Planirano je da polje Nankai počne 2017. godine.

Ukupna zapremina hidrata je ekvivalentna 756 miliona m3 gasa po 1 km2 površine u zoni izbušenih istražnih bušotina. Općenito, rezerve plina u hidratima na polici Japanskog mora mogu se kretati od 4 triliona do 20 triliona m3.

Naslage hidrata u Rusiji

Glavni pravci traženja gasnih hidrata u Rusiji sada su koncentrisani u Ohotskom moru i Bajkalskom jezeru. Međutim, najveći izgledi za otkrivanje ležišta hidrata sa komercijalnim rezervama povezani su sa Vostočno-Mesojahsko poljem u Zapadnom Sibiru. Na osnovu analize geoloških i geofizičkih informacija, sugerisano je da je jedinica Gazsalinsky u povoljnim uslovima za formiranje hidrata. Konkretno, donja granica zone stabilnosti gasnih hidrata je na dubini od približno 715 m, tj. gornji dio Gazsalinskog člana (a u nekim regijama i cijeli član) je u termobaričnim uslovima povoljnim za postojanje gasnih hidrata. Ispitivanje bušotine nije dalo nikakve rezultate, iako je ovaj interval karataže karakteriziran kao produktivan, što se može objasniti smanjenjem propusnosti stijena zbog prisustva plinskih hidrata. U prilog mogućem postojanju hidrata govori činjenica da je jedinica Gazsalinsky produktivna na drugim obližnjim poljima. Stoga, kao što je gore navedeno, potrebno je izbušiti istražnu bušotinu sa jezgrom. U slučaju pozitivnih rezultata, otkriće se nalazište gasnih hidrata sa rezervama od ~500 bcm.

Analiza moguće tehnologije razvoj ležišta gasnih hidrata

Izbor tehnologije za razvoj ležišta gasnih hidrata zavisi od specifičnih geoloških i fizičkih uslova nastanka. Trenutno se razmatraju samo tri glavne metode za izazivanje dotoka gasa iz rezervoara hidrata: snižavanje pritiska ispod ravnotežnog pritiska, zagrevanje stena koje sadrže hidrate iznad ravnotežne temperature i kombinacija oba (vidi sliku 2). Poznata metoda razgradnje hidrata korištenjem inhibitora vjerojatno neće biti prihvatljiva zbog visoke cijene inhibitora. Druge predložene metode stimulacije, posebno elektromagnetna, akustična i ubrizgavanje ugljičnog dioksida u rezervoar, još uvijek su malo eksperimentalno proučavane.

Razmotrimo izglede proizvodnje plina iz hidrata na primjeru problema dotoka plina u vertikalnu bušotinu koja je u potpunosti probila hidratima zasićeni rezervoar. Tada će sistem jednadžbi koje opisuju razgradnju hidrata u poroznom mediju imati oblik:

a) zakon održanja mase za gas i vodu:

gdje je P - pritisak, T - temperatura, S - zasićenost vodom, v - zasićenost hidratima, z - koeficijent superstišljivosti; r - radijalna koordinata; t - vrijeme; m - poroznost, g, w, h - gustina gasa, vode i hidrata, respektivno; k(v) je propusnost poroznog medija u prisustvu hidrata; fg(S), fw(S) - funkcije relativnih faznih permeabiliteta za gas i vodu; g, w su viskoznosti gasa i vode; - maseni sadržaj gasa u hidratu;

b) jednačina očuvanja energije:

gdje je Ce toplinski kapacitet stijene i fluida; cg, cw su toplotni kapacitet gasa i vode; H je toplina faznog prijelaza hidrata; - diferencijalni adijabatski koeficijent; - faktor prigušenja (Joule-Thomson koeficijent); e je toplotna provodljivost stijene i tekućine domaćina.

U svakoj tački formacije mora biti zadovoljen uslov termodinamičke ravnoteže:

T = Aln P + B, (3)

gdje su A i B empirijski koeficijenti.

Ovisnost propusnosti stijene od zasićenosti hidrata obično se predstavlja kao ovisnost o snazi:

k (v) = k0 (1 - v)N, (4)

gdje je k0 apsolutna propusnost poroznog medija u odsustvu hidrata; N je konstanta koja karakteriše stepen pogoršanja propusnosti sa povećanjem zasićenosti hidratima.

U početnom trenutku vremena, homogeni rezervoar jedinične debljine ima pritisak R0, temperaturu T0 i zasićenost hidratima v0. Metoda smanjenja tlaka je modelirana postavljanjem konstantnog protoka na bušotini, a termalna metoda je modelirana izvorom topline konstantne snage. U skladu s tim, u kombinovanoj metodi postavljena je konstantna brzina protoka plina i snaga izvora topline potrebna za stabilnu razgradnju hidrata.

Prilikom modeliranja proizvodnje plina iz hidrata razmatranim metodama uzeta su u obzir sljedeća ograničenja. Pri početnoj temperaturi rezervoara od 10°C i pritisku od 5,74 MPa, Joule-Thomsonov koeficijent je 3-4 stepena po 1 MPa pada. Dakle, pri povlačenju od 3-4 MPa, temperatura u dnu bušotine može dostići tačku smrzavanja vode. Kao što je poznato, smrzavanje vode u stijeni ne samo da smanjuje propusnost zone dna rupe, već dovodi i do katastrofalnijih posljedica - urušavanja obložnih struna, uništavanja rezervoara itd. Stoga je za metodu smanjenja pritiska pretpostavljeno da za 100 dana rada bušotine temperatura u dnu bušotine ne bi trebala pasti ispod 0°C. Za termičku metodu, ograničenje je povećanje temperature na zidu bunara i samog grijača. Stoga je u proračunima pretpostavljeno da za 100 dana rada bušotine temperatura u dnu bušotine ne bi trebala prelaziti 110°C. Prilikom modeliranja kombinovane metode uzeta su u obzir oba ograničenja.

Efikasnost metoda je upoređena sa maksimalnom brzinom protoka vertikalne bušotine koja je u potpunosti prodrla u rezervoar gasnih hidrata jedne debljine, uzimajući u obzir gore navedena ograničenja. Za termičke i kombinovane metode, troškovi energije su uzeti u obzir oduzimanjem od brzine protoka količine gasa koja je potrebna za dobijanje potrebne toplote (pod pretpostavkom da se toplota proizvodi sagorevanjem dela proizvedenog metana):

Q* = Q - E/q, (5)

gdje je Q - protok gasa na dnu bušotine, m3/dan; E - doveden do dna toplotnu energiju, J/dan; q je toplina sagorijevanja metana (33.28.106), J/m3.

Proračuni su obavljeni sa sljedećim parametrima: P0 = 5,74 MPa; T0 = ​​283 K; S=0,20; m = 0,35; v = 910 kg/m3, š = 1000 kg/m3; k0 = 0,1 µm2; N = 1 (koeficijent u formuli (4)); g = 0,014 mPa.s; w = 1 mPa.s; = 0,134; A = 7,28 K; B = 169,7 K; Ce = 1,48,106 J/(m3.K); cg = 2600 J/(kg.K), cw = 4200 J/(kg.K); H = 0,5 MJ/kg; e = 1,71 W/(m.K). Rezultati proračuna su sažeti u tabeli. jedan.

Analiza ovih rezultata proračuna pokazuje da je metoda smanjenja tlaka prikladna za formacije hidrata gdje je zasićenost hidratima niska, a plin ili voda nisu izgubili svoju pokretljivost. Naravno, sa povećanjem zasićenosti hidratima (a time i smanjenjem propusnosti prema jednačini (4)) efikasnost ove metode naglo opada. Dakle, kada je zasićenost pora hidratima veća od 80%, skoro je nemoguće postići priliv iz hidrata smanjenjem pritiska u dnu rupe.

Još jedan nedostatak metode smanjenja tlaka povezan je s tehnogenim stvaranjem hidrata u zoni dna rupe zbog Joule-Thomsonovog efekta. Na sl. Na slici 3 prikazana je distribucija zasićenja vode i hidrata dobijena kao rezultat rješavanja problema dotoka plina u vertikalnu bušotinu koja je prodrla u rezervoar gasnih hidrata. Ova slika jasno pokazuje zonu neznatnog raspadanja hidrata (I), zonu formiranja sekundarnog hidrata (II) i samo zonu filtracije gasa (III), jer se u ovoj zoni sva slobodna voda pretvorila u hidrat.

Dakle, razvoj hidratnih naslaga snižavanjem pritiska moguć je samo uz ubrizgavanje inhibitora u zonu dna, što će značajno povećati cenu proizvedenog gasa.

Termička metoda za stvaranje naslaga gasnih hidrata je pogodna za formacije sa visokim sadržajem hidrata u porama. Međutim, kako pokazuju rezultati proračuna, toplinski učinak kroz donju rupu je neučinkovit. To je zbog činjenice da je proces razgradnje hidrata praćen apsorpcijom toplote sa visokom specifičnom entalpijom od 0,5 MJ/kg (na primjer: toplina topljenja leda je 0,34 MJ/kg). Kako se front razlaganja udaljava od dna bušotine, sve više energije se troši na zagrijavanje stena domaćina i krova formacije, pa se zona termičkog utjecaja na hidrate kroz dno bušotine izračunava u prvom dijelu. metara. Na sl. Slika 4 prikazuje dinamiku odmrzavanja rezervoara potpuno zasićenog hidratima. Iz ove slike se može vidjeti da će za 100 dana neprekidnog grijanja doći do raspadanja hidrata u radijusu od samo 3,5 metara od zida bunara.

Najveću perspektivu ima kombinovana metoda koja se sastoji u istovremenom smanjenju pritiska i dovodu toplote u bunar. Štoviše, glavna razgradnja hidrata nastaje zbog smanjenja tlaka, a toplina dovedena u dno rupe omogućava smanjenje zone sekundarnog formiranja hidrata, što pozitivno utiče na brzinu protoka. Nedostatak kombinovane metode (kao i termalne) je velika količina proizvedene vode (vidi tabelu 1).

Zaključak

Dakle, kod savremenom nivou tehnologije nafte i gasa, teško je očekivati ​​da će cena gasa proizvedenog iz hidrata biti uporediva sa onim na tradicionalnim gasnim poljima. To je zbog velikih problema i poteškoća sa kojima se suočavaju programeri i istraživači. Međutim, čak se i sada plinski hidrati mogu uporediti s drugim nekonvencionalnim izvorom plina - metanom iz ugljenih ležišta. Prije dvadeset godina vjerovalo se da je vađenje metana iz ugljenih polja tehnički teško i neisplativo. Sada se samo u SAD-u godišnje proizvede oko 45 milijardi m3 iz više od 10 hiljada bušotina, što je postignuto razvojem nauke o nafti i gasu i stvaranjem najnovijih tehnologija proizvodnje gasa. Po analogiji sa ugljenim metanom, možemo zaključiti (vidi tabelu 2) da proizvodnja gasa iz hidrata može biti prilično isplativa i da će početi u bliskoj budućnosti.

Književnost

1. Lerche Ian. Procjene svjetskih resursa plinskih hidrata. Papir OTC 13036, predstavljen na Offshore Technology konferenciji 2001. u Hjustonu, Teksas, 30. aprila - 3. maja 2001.

2. Makogon, Y.F., Holditch, S.A., Makogon T.Y. Rusko polje ilustruje proizvodnju gasnih hidrata. Oil&Gas Journal, 7. februar 2005., vol. 103.5, str. 43-47.

3. Ginsburg G.D., Novozhilov A.A. O hidratima u utrobi polja Messoyakha.// Gas Industry, 1997, br. 2.

4. Collett, T.S. Hidrati prirodnog plina zaljeva Prudhoe i područja rijeke Kuparuk, North Slope, Aljaska: AAPG Bull., Vol. 77, br. 5, 1993, str. 793-812.

5. Ali G. Kadaster, Keith K. Millheim, Tommy W. Thompson. Planiranje i bušenje Hot Ice #1 - bušotine za istraživanje gasnih hidrata na Arktiku Aljaske. Rad SPE/IADC 92764 predstavljen na SPE/IADC konferenciji o bušenju održanoj u Amsterdamu, Holandija, 23-25. februara 2005.

6. Dallimore, S., Collett, T., Uchida, T. Naučni rezultati JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 istraživanja gasnih hidrata Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Geološki zavod Kanade, Bilten 544, 1999, str. 403.

7. Takahashi, H., Yonezawa, T., Takedomi, Y. Istraživanje prirodnog hidrata u Nankai-Trough Wells Offshore Japan. Rad predstavljen na 2001 Offshore Technology konferenciji u Hjustonu, Teksas, 30. aprila - 3. maja 2001. OTC 13040.

8. Takahashi, H., Tsuji, Y. Japan istražuje hidrate u koritu Nankai. Oil&Gas Journal, 5. septembar 2005, vol. 103.33, str. 48-53.

9. Takahashi, H., Tsuji, Y. Japan buši, evidentira bušotine gasnih hidrata u koritu Nankai. Oil&Gas Journal, 12. septembar 2005, vol. 103.34, str. 37-42,

10. Solovjev V.A. Sadržaj gasnih hidrata u utrobi Svjetskog okeana// "Plinska industrija", 2001, br. 12.

11. Agalakov S.E. Gasni hidrati u turonskim naslagama na sjeveru Zapadnog Sibira // "Geologija nafte i gasa", 1997, br. 3.

Gasni hidrati (također hidrati prirodnog gasa ili klatrati) su kristalna jedinjenja nastala pod određenim termobaričnim uslovima iz vode i gasa. Naziv "clathrates" (od latinskog clathratus - "staviti u kavez") dao je Powell 1948. godine. Gasni hidrati su nestehiometrijska jedinjenja, odnosno jedinjenja promenljivog sastava.

Prvi put su gasne hidrate (sumpor-dioksid i hlor) uočili krajem 18. veka J. Priestley, B. Peletier i W. Karsten. Prve opise gasnih hidrata dao je G. Davy 1810. (hlor hidrat). Godine 1823. Faraday je približno odredio sastav hlor hidrata, 1829. Levitt je otkrio brom hidrat, a 1840. Wöhler je dobio H2S hidrat. Do 1888. P. Villard je primao hidrate CH4, C2H6, C2H4, C2H2 i N2O.

1940-ih godina sovjetski naučnici iznijeli su hipotezu o prisutnosti naslaga plinskih hidrata u zoni permafrosta (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). Šezdesetih godina 20. stoljeća otkrili su i prva nalazišta plinskih hidrata na sjeveru SSSR-a, a u isto vrijeme mogućnost nastanka i postojanja hidrata u prirodnim uvjetima nalazi laboratorijsku potvrdu (Makogon).

Od tada se plinski hidrati smatraju potencijalnim izvorom goriva.
Prema različitim procjenama, rezerve ugljovodonika u hidratima kreću se od 1,8×10^14 do 7,6×10^18 m³.
Ispostavlja se njihova široka rasprostranjenost u oceanima i permafrostu kontinenata, nestabilnost s povećanjem temperature i smanjenjem pritiska.

Godine 1969. započeo je razvoj polja Messoyakha u Sibiru, gdje se vjeruje da je prvi put moguće (čistom slučajnošću) izvući prirodni plin direktno iz hidrata (do 36% ukupne proizvodnje od 1990. godine)

Hidrati plina u prirodi
Većina prirodnih gasova (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, izobutan, itd.) formiraju hidrate koji postoje pod određenim termobaričnim uslovima. Područje njihovog postojanja ograničeno je na sedimente morskog dna i područja permafrosta. Preovlađujući hidrati prirodnog plina su metan i hidrati ugljičnog dioksida.

Tokom proizvodnje gasa, hidrati se mogu formirati u bušotinama, industrijskim komunikacijama i glavnim gasovodima. Pošto se talože na zidovima cijevi, hidrati naglo smanjuju njihovu propusnost. Za suzbijanje stvaranja hidrata u plinskim poljima u bunare i cjevovode se unose različiti inhibitori (metil alkohol, glikoli, 30% otopina CaCl2), a temperatura protoka plina se održava iznad temperature stvaranja hidrata pomoću grijača, toplinske izolacije cevovoda i izbor režima rada koji obezbeđuje maksimalnu temperaturu gasnog toka. Da bi se sprečilo stvaranje hidrata u magistralnim gasovodima, najefikasnije je sušenje gasa – prečišćavanje gasa od vodene pare.

Problemi i izgledi povezani s hidratima prirodnog plina
Razvoj polja na severu Zapadnog Sibira od samog početka suočio se sa problemom emisije gasova iz plitkih intervala permafrosta. Do ovih ispuštanja došlo je iznenada i dovelo do zatvaranja bunara, pa čak i požara. Budući da su se ispuhivanja dešavala iz dubinskog intervala iznad zone stabilnosti gasnih hidrata, dugo su se objašnjavala strujanjima gasa iz dubljih proizvodnih horizonata kroz propusne zone i susjedne bušotine sa nekvalitetnom omotačem. Krajem 1980-ih, na osnovu eksperimentalnog modeliranja i laboratorijskih studija smrznute jezgre iz zone permafrosta Yamburgsky GCF, bilo je moguće otkriti distribuciju rasutih reliktnih (konzerviranih) hidrata u kvartarnim naslagama. Ovi hidrati, zajedno sa lokalnim akumulacijama mikrobnog gasa, mogu formirati međuslojeve koji sadrže gas, iz kojih dolazi do izduvavanja tokom bušenja. Prisustvo reliktnih hidrata u plitkim slojevima zone permafrosta dodatno je potvrđeno sličnim studijama u sjevernoj Kanadi i na području plinskog kondenzatnog polja Bovanenkovo. Tako su se formirale ideje o novoj vrsti nalazišta gasa - intrapermafrost metastabilnim naslagama gas-gasnih hidrata, koja, kako su pokazala ispitivanja permafrostnih bušotina na gasno-kondenzatnom polju Bovanenkovsko, nisu samo komplicirajući faktor, već i određeni resurs. baza za lokalno snabdevanje gasom.

Intrapermafrost ležišta sadrže samo neznatan dio resursa gasa, koji su povezani sa hidratima prirodnog gasa. Najveći dio resursa ograničen je na zonu stabilnosti gasnih hidrata - taj interval dubina (obično nekoliko stotina metara), gdje se odvijaju termodinamički uslovi za stvaranje hidrata. Na sjeveru Zapadnog Sibira, ovo je dubinski interval od 250-800 m, u morima - od površine dna do 300-400 m, u posebno dubokim područjima šelfa i kontinentalne padine do 500-600 m ispod dnu. Upravo u tim intervalima otkrivena je većina hidrata prirodnog plina.

Prilikom proučavanja hidrata prirodnog gasa pokazalo se da nije moguće razlikovati ležišta koja sadrže hidrate od smrznutih pomoću savremenih sredstava geofizike polja i bušotina. Osobine smrznutih stijena su gotovo potpuno slične onima koje sadrže hidrate. Određene podatke o prisutnosti gasnih hidrata može dati uređaj za snimanje nuklearne magnetne rezonance, ali je vrlo skup i izuzetno se rijetko koristi u praksi geoloških istraživanja. Glavni pokazatelj prisustva hidrata u sedimentima su studije jezgra, gdje su hidrati ili vidljivi tokom vizuelnog pregleda ili se određuju mjerenjem specifičnog sadržaja gasa tokom odmrzavanja.

Izgledi za primjenu plinohidratnih tehnologija u industriji
Tehnološki prijedlozi za skladištenje i transport prirodnog plina u hidratiziranom stanju pojavili su se 40-ih godina 20. stoljeća. Svojstvo gasnih hidrata pri relativno niskim pritiscima da koncentrišu značajne količine gasa već duže vreme privlači pažnju stručnjaka. Preliminarni ekonomski proračuni su pokazali da je najefikasniji morski transport gasa u hidratizovanom stanju, a dodatni ekonomski efekat se može postići istovremenom prodajom potrošačima transportovanog gasa i čiste vode preostale nakon razgradnje hidrata (u toku formiranje gasnih hidrata, voda se pročišćava od nečistoća). Trenutno se razmatraju koncepti pomorskog transporta prirodnog gasa u hidratizovanom stanju u ravnotežnim uslovima, posebno kada se planira razvoj dubokomorskih gasnih (uključujući i hidratnih) polja udaljenih od potrošača.

Međutim, poslednjih godina sve se više pažnje poklanja transportu hidrata u neravnotežnim uslovima (pri atmosferskom pritisku). Drugi aspekt primjene gasnih hidratnih tehnologija je mogućnost organizovanja skladišta gasnih hidrata u ravnotežnim uslovima (pod pritiskom) u blizini velikih potrošača gasa. To je zbog sposobnosti hidrata da koncentrišu plin pri relativno niskom pritisku. Tako, na primjer, na temperaturi od +4°C i pritisku od 40 atm., koncentracija metana u hidratu odgovara pritisku od 15-16 MPa.

Izgradnja takvog skladišta nije komplikovana: skladište je baterija rezervoara za gas postavljenih u jamu ili hangar i spojena na gasovod. U prolećno-letnjem periodu skladište se puni gasom koji formira hidrate, au jesensko-zimskom periodu oslobađa gas prilikom razgradnje hidrata korišćenjem niskopotencijalnog izvora toplote. Izgradnja ovakvih skladišta u blizini termoelektrana može značajno ublažiti sezonske fluktuacije u proizvodnji gasa i predstavljati pravu alternativu izgradnji PGS objekata u nizu slučajeva.

Trenutno se aktivno razvijaju tehnologije plinskih hidrata, posebno za proizvodnju hidrata korištenjem savremenih metoda intenziviranja tehnoloških procesa (aditivi površinski aktivnih tvari koji ubrzavaju prijenos topline i mase; upotreba hidrofobnih nanoprašaka; akustički efekti različitih raspona, do proizvodnja hidrata u udarnim talasima itd.).

http://ru.wikipedia.org/wiki/Gas_hydrates
http://en.wikipedia.org/wiki/Clathrate_hydrate

Russian Chemical Journal. V. 48, br. 3 2003. "Plinovi hidrati"
http://www.chem.msu.su/rus/journals/jvho/2003-3/welcome.html
http://www.chem.msu.su/rus/journals/jvho/2003-3/5.pdf

http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/facts/favorites/fcvt_fotw102.html

http://marine.usgs.gov/fact-sheets/gas-hydrates/title.html

Studije gasnih hidrata - dio grupe za geofiziku

Kriva stabilnosti hidrata gasa

Stabilnost gasnih hidrata u okeanskim sedimentima

http://woodshole.er.usgs.gov/project-pages/hydrates/what.html

Od 1970-ih, prirodni plinski hidrat, uglavnom metan hidrat, je prepoznat širom svijeta, gdje pritisak i temperaturni uvjeti stabiliziraju strukturu hidrata. Prisutan je u okeanskim sedimentima duž kontinentalnih rubova iu polarnim kontinentalnim okruženjima. Identifikovan je iz uzoraka iz bušotina. i po svojim karakterističnim odzivima u profilima seizmičke refleksije i električnim karonima naftnih bušotina. Debljina čak ~1000 metara direktno ispod morskog dna; baza sloja je ograničena povećanjem temperature. Na visokim geografskim širinama, postoji u vezi sa permafrostom .

Na jugoistoku Sjedinjenih Država, malo područje (samo 3000 km2) ispod grebena formiranog od brzo taloženih sedimenata čini se da sadrži količinu metana u hidratu koja je ekvivalentna ~30 puta većoj od SAD-a. godišnju potrošnju gasa. Ovo područje je poznato kao Blake Ridge. Značajne količine hidrata u , uključujući količine