Composición y propiedades de los hidratos de gas. Hidratos de gas - iv_g

Universidad Nacional de Recursos Minerales Minería

Asesor científico: Gulkov Yury Vladimirovich, Candidato de Ciencias Técnicas, Universidad Nacional de Minería de Minerales y Materias Primas

Anotación:

Este artículo trata sobre la química y propiedades físicas hidratos de gas, la historia de su estudio e investigación. Además, se consideran los principales problemas que impiden la organización de la producción comercial de hidratos de gas.

En este artículo describimos las características químicas y físicas de los hidratos de gas, la historia de su estudio e investigación. Además, se consideran los problemas básicos que dificultan la organización de la producción comercial de hidratos de gas.

Palabras clave:

hidratos de gas; energía; minería comercial; Problemas.

hidratos de gas; Ingeniería de la Energía; extracción comercial; Problemas.

CDU 622.324

Introducción

Inicialmente, el hombre utilizó sus propios poderes como fuente de energía. Después de un tiempo, la energía de la madera y los orgánicos llegaron al rescate. Hace aproximadamente un siglo, el carbón se convirtió en el principal recurso energético; 30 años después, el petróleo compartió su primacía. Hoy, la energía del mundo se basa en la tríada gas-petróleo-carbón. Sin embargo, en 2013 este equilibrio se desplazó hacia el gas por parte de las empresas energéticas japonesas. Japón- mundo líder en importaciones de gas. La Corporación Estatal de Petróleo, Gas y Metales (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) logró ser la primera en el mundo en obtener gas de hidrato de metano del fondo del Océano Pacífico desde una profundidad de 1,3 kilómetros . La producción de prueba duró solo 6 semanas, a pesar de que el plan contemplaba una producción de dos semanas, se produjeron 120 mil metros cúbicos de gas natural, este descubrimiento le permitirá al país independizarse de las importaciones, cambiar radicalmente su economía. ¿Qué es un hidrato de gas y cómo puede afectar a la industria energética mundial?

El propósito de este artículo es considerar los problemas en el desarrollo de hidratos de gas.

Para ello, se establecieron las siguientes tareas:

• Explore la historia de la investigación de hidratos de gas
• Estudiar propiedades químicas y físicas.
• Considere los principales problemas del desarrollo.

Relevancia

Los recursos tradicionales no están distribuidos uniformemente sobre la Tierra, además, son limitados. Según estimaciones modernas, las reservas de petróleo según los estándares de consumo actuales durarán 40 años, los recursos energéticos de gas natural, entre 60 y 100. Las reservas mundiales de gas de esquisto se estiman en unos 2.500-20.000 billones. cubo m. Esta es la reserva de energía de la humanidad durante más de mil años. La extracción comercial de hidratos elevaría la energía mundial a un nivel cualitativamente nuevo. En otras palabras, el estudio de los hidratos de gas ha abierto una fuente alternativa de energía para la humanidad. Pero también hay una serie de serios obstáculos para su estudio y producción comercial.

referencia histórica

IN Strizhov predijo la posibilidad de la existencia de hidratos de gas, pero habló sobre la inconveniencia de su extracción. El hidrato de metano fue obtenido por primera vez en el laboratorio por Villars en 1888, junto con hidratos de otros hidrocarburos ligeros. Las colisiones iniciales con hidratos de gas se consideraron problemas y obstáculos para la producción de energía. En la primera mitad del siglo XX, se descubrió que los hidratos de gas son la causa del taponamiento de los gasoductos ubicados en las regiones árticas (a temperaturas superiores a 0 °C). en 1961 se registró el descubrimiento de Vasiliev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. "La propiedad de los gases naturales de estar en el estado sólido de la corteza terrestre", que anunciaba una nueva fuente natural hidrocarburos - hidrato de gas. Después de eso, comenzaron a hablar más fuerte sobre el agotamiento de los recursos tradicionales, y ya 10 años después, se descubrió el primer depósito de hidratos de gas en enero de 1970 en el Ártico, en la frontera con Siberia Occidental, se llama Messoyakha. Además, se llevaron a cabo grandes expediciones de científicos tanto de la URSS como de muchos otros países.

Palabra de química y física.

Los hidratos de gas son moléculas de gas rodeadas de moléculas de agua, como un "gas en una jaula". Esto se llama el marco de clatrato de agua. Imagina que en el verano atrapaste una mariposa en tus palmas, una mariposa es un gas, tus palmas son moléculas de agua. Porque proteges a la mariposa de las influencias externas, pero conservará su belleza e individualidad. Así es como se comporta un gas en un marco de clatrato.

Dependiendo de las condiciones de formación y el estado del formador de hidratos, los hidratos se ven externamente como cristales transparentes claramente definidos de varias formas o representan una masa amorfa de "nieve" densamente comprimida.

Los hidratos ocurren bajo ciertas condiciones termobáricas: equilibrio de fase. En presión atmosférica los hidratos de gas de los gases naturales existen hasta 20-25 °C. Debido a su estructura, un solo volumen de hidrato de gas puede contener hasta 160-180 volúmenes de gas puro. La densidad del hidrato de metano es de unos 900 kg/m³, que es inferior a la densidad del agua y el hielo. Cuando se viola el equilibrio de fase: un aumento de la temperatura y / o una disminución de la presión, el hidrato se descompone en gas y agua con la absorción de una gran cantidad de calor. Los hidratos cristalinos tienen una alta resistencia eléctrica, conducen bien el sonido, son prácticamente impermeables a las moléculas de agua y gas libres y tienen una baja conductividad térmica.

Desarrollo

Los hidratos de gas son de difícil acceso porque Hasta la fecha, se ha establecido que alrededor del 98 % de los depósitos de hidratos de gas se concentran en la plataforma y el talud continental del océano, a profundidades de agua de más de 200-700 m, y solo el 2 %, en las partes subpolares de los continentes. . Por lo tanto, los problemas en el desarrollo de la producción comercial de hidratos de gas ya se encuentran en la etapa de desarrollo de sus yacimientos.

A la fecha existen varios métodos para la detección de depósitos de hidratos de gas: sondeo sísmico, método gravimétrico, medición de calor y flujos difusos sobre el depósito, estudio de la dinámica del campo electromagnético en la región de estudio, etc.

En el sondeo sísmico, se utilizan datos sísmicos bidimensionales (2-D) en presencia de gas libre debajo de un yacimiento saturado de hidratos, se determina la posición más baja de las rocas saturadas de hidratos. Pero durante la exploración sísmica es imposible detectar la calidad del depósito, el grado de saturación de hidratos de las rocas. Además, la exploración sísmica no es aplicable a terrenos complejos, pero es más rentable desde el punto de vista económico, sin embargo, es mejor utilizarla en conjunto con otros métodos.

Por ejemplo, las brechas se pueden llenar aplicando exploración electromagnética además de exploración sísmica. Permitirá caracterizar con mayor precisión la roca, debido a las resistencias individuales en los puntos de ocurrencia de los hidratos de gas. El Departamento de Energía de los Estados Unidos planea realizarlo a partir de 2015. El método sismoelectromagnético se utilizó para desarrollar los depósitos del Mar Negro.

También es rentable desarrollar un campo de depósitos saturados utilizando un método de desarrollo combinado, cuando el proceso de descomposición de hidratos va acompañado de una disminución de la presión con exposición térmica simultánea. Reducir la presión ahorrará la energía térmica gastada en la disociación de los hidratos, y el calentamiento del medio poroso evitará la nueva formación de hidratos de gas en la zona de formación de fondo de pozo.

Minería

El siguiente escollo es directamente la extracción de hidratos. Los hidratos se encuentran en forma sólida, lo que provoca dificultades. Dado que el hidrato de gas se encuentra bajo ciertas condiciones termobáricas, si se viola una de ellas, se descompondrá en gas y agua, de acuerdo con esto, se han desarrollado las siguientes tecnologías de extracción de hidratos.

1. Despresurización:

Cuando el hidrato está fuera del equilibrio de fase, se descompone en gas y agua. Esta tecnología es famosa por su trivialidad y viabilidad económica, además, sobre sus hombros recae el éxito de la primera minería japonesa en 2013. Pero no todo es tan color de rosa: el agua resultante durante temperaturas bajas puede obstruir el equipo. Además, la tecnología es realmente efectiva, porque. 13,000 pies cúbicos m de gas, que es muchas veces mayor que las tasas de producción en el mismo campo utilizando tecnología de calefacción: 470 metros cúbicos. m de gas en 5 días. (ver tabla)

2. Calefacción:

Nuevamente, debe descomponer el hidrato en gas y agua, pero mediante suministro de calor. El calor se puede suministrar de diferentes maneras: inyección de refrigerante, circulación de agua caliente, calefacción por vapor, calefacción eléctrica. Me gustaría detenerme en una tecnología interesante inventada por investigadores de la Universidad de Dortmund. El proyecto consiste en el tendido de una tubería a los depósitos de hidratos de gas en fondo del mar. Su peculiaridad es que la tubería tiene paredes dobles. El agua de mar calentada a 30-40˚С, la temperatura de transición de fase, se suministra al campo a través de la tubería interna y las burbujas de metano gaseoso, junto con el agua, se elevan a través de la tubería externa. Allí, el metano se separa del agua, se envía a tanques oa la tubería principal y el agua tibia regresa a los depósitos de hidratos de gas. Sin embargo, este método de extracción requiere altos costos, un aumento constante en la cantidad de calor suministrado. En este caso, el hidrato de gas se descompone más lentamente.

3. Introducción del inhibidor:

También, para la descomposición del hidrato, utilizo la introducción de un inhibidor. En el Instituto de Física y Tecnología de la Universidad de Bergen, el dióxido de carbono fue considerado como un inhibidor. Con esta tecnología es posible obtener metano sin la extracción directa de los propios hidratos. Este método ya está siendo probado por la Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC) con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Pero esta tecnología está plagada de peligros ambientales y requiere altos costos. Las reacciones proceden más lentamente.

Nombre del proyecto	la fecha	Países participantes	Compañías	Tecnología
Mallik, Canadá		Japón, canal de EE. UU., Alemania, India	JOGMEC, BP, Chevron Texaco	Calentador (refrigerante-agua)
Ladera norte de Alaska, EE. UU.		Estados Unidos, Japón	Conoco Phillips, JOGMEC	Inyección de dióxido de carbono, inyección de inhibidor
Alaska, Estados Unidos			BP, Schlumberger	Perforación para estudiar las propiedades del hidrato de gas
Mallik, Canadá		Japón, Canadá	JOGMEC como parte de un consorcio público privado	despresurización
fuego en hieloIgnikSikumi), Alaska, Estados Unidos		Estados Unidos, Japón, Noruega	Conoco Phillips, JOGMEC, Universidad de Bergen (Noruega)	inyección de dióxido de carbono
Un proyecto conjunto (juntaIndustriaproyecto) Golfo de México, EE. UU.			Chevron como líder del consorcio	Perforación para estudiar la geología de los hidratos de gas
Cerca de la península de Atsumi, Japón			JOGMEC, JAPEX, Japón Perforación	despresurización

Fuente: centro analítico basado en materiales de código abierto

Tecnología

Otra razón para la falta de desarrollo de la producción comercial de hidratos es la falta de tecnología para su producción rentable, lo que provoca grandes inversiones. Dependiendo de la tecnología, se encuentran diferentes barreras: operación de equipos especiales para la introducción de elementos químicos y/o calentamiento local para evitar la re-formación de hidratos de gas y taponamiento de pozos; el uso de tecnologías que impiden la extracción de arena.

Por ejemplo, en 2008, según estimaciones preliminares para el campo Mallik en el Ártico canadiense, se indicó que los costos de desarrollo oscilaron entre 195 y 230 dólares por mil toneladas. cubo m para hidratos de gas situados por encima del gas libre, y en el rango de 250-365 dólares/mil. cubo m para hidratos de gas situados por encima del agua libre.

Para solucionar este problema, es necesario popularizar la extracción comercial de hidratos entre el personal científico. Organizar más conferencias científicas, concursos para mejorar los equipos antiguos o crear nuevos, lo que podría proporcionar costos más bajos.

Riesgo ambiental

Además, el desarrollo de los yacimientos de hidratos de gas conducirá inevitablemente a un aumento del volumen de emisiones de gas natural a la atmósfera y, en consecuencia, a un aumento del efecto invernadero. El metano es un poderoso gas de efecto invernadero y, a pesar de tener una vida atmosférica más corta que el CO₂, el calentamiento causado por las emisiones grandes cantidades el metano será diez veces más rápido que el calentamiento causado por el dióxido de carbono. Además, si el calentamiento global, el efecto invernadero u otras causas provocan el colapso de al menos un depósito de hidratos de gas, esto provocará una colosal liberación de metano a la atmósfera. Y, como una avalancha, de un suceso a otro, conducirá a cambio global clima en la Tierra, y las consecuencias de estos cambios ni siquiera pueden predecirse aproximadamente.

Para evitar esto, es necesario integrar datos de análisis de exploración complejos y predecir el posible comportamiento de los yacimientos.

Detonación

Otro problema sin resolver para los mineros es la propiedad bastante desagradable de los hidratos de gas de "detonar" al menor movimiento. En este caso, los cristales pasan rápidamente por la fase de transformación a estado gaseoso, y adquieren un volumen varias decenas de veces mayor que el original. Por lo tanto, los informes de los geólogos japoneses hablan con mucho cuidado sobre las perspectivas para el desarrollo de hidratos de metano; después de todo, el desastre de la plataforma de perforación Deepwater Horizon, según varios científicos, incluido el profesor Robert Bee de la Universidad de California en Berkeley. , fue el resultado de la explosión de una burbuja gigante de metano, que se formó a partir de depósitos de hidratos en el fondo perturbados por perforadores.

Petróleo y gas

Los hidratos de gas se consideran no solo desde el lado de un recurso energético, sino que se encuentran con mayor frecuencia durante la producción de petróleo. Y nuevamente, nos dirigimos al hundimiento de la plataforma Deepwater Horizon en el Golfo de México. Luego, para controlar el escape de petróleo, se construyó una caja especial, que se planeó colocar sobre el pozo de emergencia. Pero el petróleo resultó estar muy carbonatado, y el metano comenzó a formar témpanos de hielo de hidratos de gas en las paredes de la caja. Son aproximadamente un 10% más livianos que el agua, y cuando la cantidad de hidratos de gas se hizo lo suficientemente grande, simplemente comenzaron a levantar la caja, lo que, en general, los expertos predijeron de antemano.

El mismo problema se encontró en la producción de gas convencional. Además de los hidratos de gas "naturales", la formación de hidratos de gas es un gran problema en los principales gasoductos ubicados en climas templados y fríos, ya que los hidratos de gas pueden obstruir el gasoducto y reducir su rendimiento. Para evitar que esto suceda, no se añade al gas natural un gran número de inhibidor o simplemente use calefacción.

Estos problemas se resuelven de la misma manera que en la producción: bajando la presión, calentando, introduciendo un inhibidor.

Conclusión

En este artículo, se consideraron las barreras que se interponen en el camino de la producción comercial de hidratos de gas. Ya se encuentran en la etapa de desarrollo de los yacimientos de gas, directamente durante la producción misma. Además, los hidratos de gas son actualmente un problema en la producción de petróleo y gas. Hoy, impresionantes reservas de hidratos de gas, rentabilidad económica exigen la acumulación de información y aclaraciones. Los expertos siguen al acecho soluciones óptimas desarrollo de yacimientos de hidratos de gas. Pero con el desarrollo de la tecnología, el costo de desarrollar depósitos debería disminuir.

Lista bibliográfica:

1. Vasiliev A., Dimitrov L. Evaluación de la distribución espacial y las reservas de hidratos de gas en el Mar Negro // Geología y Geofísica. 2002. Nº 7. v.43.
2. Dyadin Yu.A., Gushchin A.L. hidratos de gas. // Diario Educativo de Soros, No. 3, 1998, p. 55–64
3. Makogon Yu.F. Hidratos de gas natural: distribución, modelos de formación, recursos. – 70 s.
4. A. A. Trofimuk, Yu. 6-komanda-vymlnefti/detalle/32-komanda-vympelnefti
5. Química y Vida, 2006, No. 6, p.8.
6. El día que la Tierra casi muere - 5. 12. 2002 [ recurso electronico] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/daythdied.shtml

Reseñas:

01/12/2015, 12:12 Mordashev Vladimir Mikhailovich
Revisar: El artículo está dedicado a una amplia gama de problemas relacionados con la urgente tarea de desarrollar hidratos de gas, un recurso energético prometedor. La solución de estos problemas requerirá, entre otras cosas, del análisis y generalización de datos heterogéneos de la investigación científica y tecnológica, muchas veces desordenados y caóticos. Por lo tanto, el revisor recomienda a los autores en su más trabajo preste atención al artículo "Empirismo para el caos", sitio, No. 24, 2015, p. 124-128. El artículo "Problemas de desarrollo de hidratos de gas" es de indudable interés para una amplia gama de especialistas, debería ser publicado.

18/12/2015 2:02 Responder a la reseña del autor Polina Robertovna Kurikova:
Me familiaricé con el artículo, con el desarrollo posterior del tema, la solución de los problemas cubiertos, usaré estas recomendaciones. Gracias a.

Hace unos años, entre los economistas, es decir, gente alejada de la tecnología, se hizo popular la teoría del “agotamiento de los hidrocarburos”. En muchas publicaciones que conforman el color de la élite financiera mundial se discutía: ¿cómo será el mundo si pronto el planeta se queda sin, por ejemplo, petróleo? ¿Y cuáles serán sus precios cuando el proceso de "agotamiento" entre, por así decirlo, en una fase activa?

Sin embargo, la “revolución del esquisto”, que ahora tiene lugar literalmente ante nuestros ojos, ha dejado este tema al menos en un segundo plano. A todos les quedó claro lo que antes solo unos pocos expertos habían dicho: todavía hay suficientes hidrocarburos en el planeta. Evidentemente, es demasiado pronto para hablar de su agotamiento físico.

El verdadero problema es el desarrollo de nuevas tecnologías de producción que permitan extraer hidrocarburos de fuentes que antes se consideraban inaccesibles, así como el costo de los recursos obtenidos con su ayuda. Puedes conseguir casi cualquier cosa, solo que será más caro.

Todo esto hace que la humanidad busque nuevas “fuentes no tradicionales de combustible tradicional”. Uno de ellos es el gas de esquisto mencionado anteriormente. GAZ Technology ya ha escrito sobre varios aspectos relacionados con su producción más de una vez.

Sin embargo, existen otras fuentes similares. Entre ellos se encuentran los "héroes" del material de hoy: los hidratos de gas.

¿Lo que es? en el mismo sentido general Los hidratos de gas son compuestos cristalinos formados a partir de gas y agua a cierta temperatura (bastante baja) y presión (bastante alta).

Nota: una variedad de productos químicos pueden participar en su formación. No tiene que ser sobre hidrocarburos. Los primeros hidratos de gas que los científicos observaron consistieron en cloro y dióxido de azufre. Por cierto, esto sucedió a fines del siglo XVIII.

Sin embargo, dado que nos interesan los aspectos prácticos relacionados con la producción de gas natural, hablaremos aquí principalmente de hidrocarburos. Además, en condiciones reales, son los hidratos de metano los que predominan entre todos los hidratos.

Según estimaciones teóricas, las reservas de tales cristales son literalmente asombrosas. Según las estimaciones más conservadoras, estamos hablando de 180 billones metros cubicos. Estimaciones más optimistas arrojan una cifra 40.000 veces mayor. Con tales indicadores, estará de acuerdo, incluso es un poco inconveniente hablar sobre la capacidad de agotamiento de los hidrocarburos en la Tierra.

Hay que decir que la hipótesis de la presencia de enormes depósitos de hidratos de gas en las condiciones del permafrost siberiano fue presentada por científicos soviéticos en los formidables años 40 del siglo pasado. Después de un par de décadas, encontró su confirmación. Y a fines de los años 60, incluso comenzó el desarrollo de uno de los depósitos.

Posteriormente, los científicos calcularon que la zona en la que los hidratos de metano pueden estar en un estado estable cubre el 90 por ciento de todo el fondo marino y oceánico de la Tierra y más el 20 por ciento de la tierra. Resulta que estamos hablando de un mineral potencialmente común.

La idea de extraer "gas sólido" realmente se ve atractiva. Además, una unidad de volumen de hidrato contiene alrededor de 170 volúmenes del gas mismo. Es decir, parecería que basta con obtener bastantes cristales para obtener un gran rendimiento de hidrocarburos. Desde un punto de vista físico, se encuentran en estado sólido y representan algo así como nieve suelta o hielo.

El problema, sin embargo, es que los hidratos de gas se encuentran, por regla general, en lugares de muy difícil acceso. “Los depósitos de intrapermafrost contienen solo una pequeña parte de los recursos de gas asociados con los hidratos de gas natural. La mayor parte de los recursos está confinada a la zona de estabilidad de los hidratos de gas, ese intervalo de profundidades (generalmente unos pocos cientos de metros), donde tienen lugar las condiciones termodinámicas para la formación de hidratos. En el norte de Siberia occidental, este es un intervalo de profundidad de 250 a 800 m, en los mares, desde la superficie del fondo hasta 300 a 400 m, en áreas especialmente profundas de la plataforma y el talud continental hasta 500 a 600 m por debajo del nivel del mar. abajo. Fue en estos intervalos que se descubrió la mayor parte de los hidratos de gas natural ”, informa Wikipedia. Por lo tanto, estamos hablando, por regla general, de trabajar en condiciones extremas de aguas profundas, a alta presión.

La extracción de hidratos de gas puede estar asociada con otras dificultades. Dichos compuestos son capaces, por ejemplo, de detonar incluso con ligeros golpes. Pasan muy rápidamente a un estado gaseoso que, en un volumen limitado, puede provocar picos de presión repentinos. Según fuentes especializadas, son precisamente estas propiedades de los hidratos de gas las que se han convertido en una fuente de graves problemas para las plataformas de producción en el mar Caspio.

Además, el metano es uno de los gases que pueden crear un efecto invernadero. Si la producción industrial provoca sus emisiones masivas a la atmósfera, esto conlleva un agravamiento del problema. calentamiento global. Pero incluso si esto no sucede en la práctica, la atención cercana y hostil de los "verdes" a este tipo de proyectos está prácticamente garantizada. Y sus posiciones en el espectro político de muchos estados hoy en día son muy, muy fuertes.

Todo esto en extremo “pesa” proyectos para el desarrollo de tecnologías para la extracción de hidratos de metano. De hecho, todavía no existen formas verdaderamente industriales de desarrollar tales recursos en el planeta. Sin embargo, se están produciendo desarrollos relevantes. Incluso hay patentes otorgadas a los inventores de tales métodos. Su descripción es a veces tan futurista que parece sacada de un libro de algún escritor de ciencia ficción.

Por ejemplo, "Método de extracción de hidrocarburos de hidratos de gas del fondo cuencas de agua y un dispositivo para su implementación (patente RF No. 2431042)”, se afirma en el sitio web http://www.freepatent.ru/: “La invención se relaciona con el campo de la minería en el lecho marino. El resultado técnico es aumentar la producción de hidrocarburos hidratados con gas. El método consiste en destruir la capa inferior con bordes afilados de cangilones fijados en una cinta transportadora vertical que se mueve a lo largo del fondo de la piscina con la ayuda de un transportador de oruga, con respecto al cual la cinta transportadora se mueve verticalmente, con la posibilidad de profundizar en el abajo. Al mismo tiempo, el hidrato de gas se eleva a la zona aislada del agua por la superficie del embudo volcado, donde se calienta, y el gas liberado se transporta a la superficie mediante una manguera fijada en la parte superior del embudo, sometiéndolo a calefacción adicional. También se propone un dispositivo para implementar el método. Nota: todo esto debe tener lugar en agua de mar, a una profundidad de varios cientos de metros. Incluso es difícil imaginar cuán difícil es esta tarea de ingeniería y cuánto puede costar el metano producido de esta manera.

Hay, sin embargo, otras formas. Aquí hay una descripción de otro método: “Existe un método conocido para extraer gases (metano, sus homólogos, etc.) de hidratos de gas sólidos en los sedimentos del fondo de los mares y océanos, en el cual dos cadenas de tuberías se sumergen en un pozo perforado hasta el fondo de la formación de hidrato de gas identificada - bombeo y bombeo. El agua natural a temperatura natural o calentada ingresa por la tubería de inyección y descompone los hidratos de gas en un sistema gas-agua que se acumula en una trampa esférica formada en el fondo de la formación de hidratos de gas. Los gases emitidos se bombean fuera de esta trampa a través de otra cadena de tuberías ... La desventaja del método conocido es la necesidad de perforación submarina, que es técnicamente onerosa, costosa y, a veces, altera irreparablemente el entorno submarino existente del reservorio ”(http:/ /www.findpatent.ru).

Podrían darse otras descripciones de este tipo. Pero está claro por lo que ya se ha enumerado: la producción industrial de metano a partir de hidratos de gas sigue siendo una cuestión de futuro. Requerirá las soluciones tecnológicas más complejas. Y la economía de tales proyectos aún no es obvia.

Sin embargo, se está trabajando en esta dirección, y de manera bastante activa. Están especialmente interesados ​​en países ubicados en la región de más rápido crecimiento del mundo, lo que significa que existe una demanda siempre nueva de combustible de gas. Hablamos, por supuesto, del sudeste asiático. Uno de los estados que trabaja en esta dirección es China. Así, según el diario People's Daily, en 2014, geólogos marinos realizaron estudios a gran escala de uno de los sitios ubicados cerca de su costa. La perforación ha demostrado que contiene hidratos de gas de alta pureza. Se perforaron un total de 23 pozos. Esto permitió establecer que el área de distribución de hidratos de gas en la zona es de 55 kilómetros cuadrados. Y sus reservas, según expertos chinos, ascienden a 100-150 billones de metros cúbicos. La cifra dada, francamente hablando, es tan alta que uno se pregunta si no es demasiado optimista, y si realmente se pueden extraer tales recursos (las estadísticas chinas en general a menudo plantean dudas entre los especialistas). Sin embargo, es obvio que los científicos chinos están trabajando activamente en esta dirección, buscando formas de proporcionar a su economía en rápido crecimiento los hidrocarburos que tanto necesitan.

La situación en Japón, por supuesto, es muy diferente a la que se observa en China. Sin embargo, el suministro de combustible del país sol naciente y en tiempos más tranquilos no fue una tarea trivial. Después de todo, Japón está privado de recursos tradicionales. Y tras la tragedia de la central nuclear de Fukushima en marzo de 2011, que obligó a las autoridades del país a estar bajo presión opinión pública reducir los programas de energía nuclear, este problema ha llegado casi al límite.

Es por eso que en 2012 una de las corporaciones japonesas comenzó a realizar perforaciones de prueba bajo el fondo del océano a una distancia de solo unas pocas decenas de kilómetros de las islas. La profundidad de los pozos en sí es de varios cientos de metros. Más la profundidad del océano, que en ese lugar es como de un kilómetro.

Hay que admitir que un año después, especialistas japoneses lograron obtener el primer gas en este lugar. Sin embargo, hablando de exito total hasta que tengas que hacerlo. La producción industrial en esta zona, según las previsiones de los propios japoneses, no podrá comenzar antes de 2018. Y lo más importante, es difícil estimar cuál será el costo final del combustible.

Sin embargo, se puede afirmar que la humanidad todavía se está “acercando” lentamente a los depósitos de hidratos de gas. Y es posible que llegue el día en que extraiga metano de ellos a escala verdaderamente industrial.

Desde hace años, también descubren los primeros depósitos de hidratos de gas en el norte de la URSS. Al mismo tiempo, la posibilidad de la formación y existencia de hidratos en condiciones naturales encuentra confirmación en laboratorio (Makogon).

Desde entonces, los hidratos de gas han sido considerados como una fuente potencial de combustible. Según diversas estimaciones, las reservas de hidrocarburos en hidratos oscilan entre 1,8·10 14 y 7,6·10 18 m³. Resulta su amplia distribución en los océanos y el permafrost de los continentes, la inestabilidad con el aumento de la temperatura y la disminución de la presión.

Propiedades de los hidratos

Los hidratos de gas natural son un mineral metaestable, cuya formación y descomposición depende de la temperatura, presión, composición química gas y agua, propiedades de un medio poroso, etc.

Hidratos de gas en la naturaleza

La mayoría de los gases naturales (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , CO 2 , N 2 , H 2 S , isobutano, etc.) forman hidratos que existen bajo ciertas condiciones termobáricas. El área de su existencia está confinada a los sedimentos del fondo marino y áreas de permafrost. Los hidratos de gas natural predominantes son los hidratos de metano y dióxido de carbono.

Durante la producción de gas, se pueden formar hidratos en pozos, comunicaciones industriales y gasoductos principales. Al depositarse en las paredes de las tuberías, los hidratos reducen drásticamente su rendimiento. Para combatir la formación de hidratos en los campos de gas, se introducen varios inhibidores en pozos y tuberías (alcohol metílico, glicoles, solución de CaCl 2 al 30 %) y la temperatura del flujo de gas se mantiene por encima de la temperatura de formación de hidratos mediante calentadores, aislamiento de tuberías y selección del modo de operación, proporcionando la temperatura máxima de la corriente de gas. Para evitar la formación de hidratos en los gasoductos principales, el secado de gas es el más efectivo: la purificación de gas a partir de vapor de agua.

Investigación científica

En los últimos años, el interés por el problema de los hidratos de gas ha aumentado significativamente en todo el mundo. El crecimiento de la actividad investigadora se explica por los siguientes factores principales:

• intensificar la búsqueda de fuentes alternativas de materias primas hidrocarbonadas en países que no cuentan con recursos energéticos, ya que los hidratos de gas son una fuente no convencional de materias primas hidrocarbonadas, cuyo desarrollo piloto puede comenzar en los próximos años;
• la necesidad de evaluar el papel de los hidratos de gas en las capas cercanas a la superficie de la geosfera, especialmente en relación con su posible impacto en el cambio climático global;
• estudiar los patrones de formación y descomposición de los hidratos de gas en la corteza terrestre en términos teóricos generales para fundamentar la búsqueda y exploración de depósitos de hidrocarburos tradicionales (las ocurrencias de hidratos naturales pueden servir como marcadores para depósitos convencionales de petróleo y gas más profundos);
• desarrollo activo de yacimientos de hidrocarburos ubicados en condiciones naturales difíciles (plataforma de aguas profundas, regiones polares), donde se agrava el problema de los hidratos de gas tecnogénicos;
• la viabilidad de reducir los costos operativos para evitar la formación de hidratos en los sistemas de producción de gas de campo a través de la transición a tecnologías de ahorro de recursos energéticos y respetuosas con el medio ambiente;
• la posibilidad de utilizar tecnologías de hidratos de gas en el desarrollo, almacenamiento y transporte de gas natural.

En los últimos años (después de la reunión de 2003 en OAO Gazprom), la investigación sobre hidratos en Rusia continuó en varias organizaciones ambos a través de la financiación del presupuesto estatal (dos proyectos de integración de la rama siberiana de la Academia Rusa de Ciencias, pequeñas subvenciones de la Fundación Rusa para la Investigación Básica, una subvención del Gobernador de Tyumen, una subvención del Ministerio de Educación Superior de la Federación Rusa ), y a través de subvenciones de fondos internacionales - INTAS, SRDF, UNESCO (según el programa "universidad flotante" - expediciones marítimas bajo los auspicios de la UNESCO bajo el lema Training Through Research - formación a través de la investigación), KOMEKS (Kurele-Okhosk-Marine Experimento), CHAO (Acumulación de hidratos de carbono en el mar de Ojotsk), etc.

En 2002-2004 la investigación sobre fuentes no convencionales de hidrocarburos, incluidos los hidratos de gas (teniendo en cuenta los intereses comerciales de OAO Gazprom), continuó en OOO Gazprom VNIIGAZ y OAO Promgaz con una pequeña escala de financiación. En la actualidad, se están realizando estudios sobre hidratos de gas en OAO Gazprom (principalmente en OOO Gazprom VNIIGAZ), en institutos de la Academia Rusa de Ciencias y en universidades.

Los estudios de los problemas geológicos y tecnológicos de los hidratos de gas se iniciaron a mediados de los años 60 por especialistas de VNIIGAZ. Al principio, se plantearon y resolvieron problemas tecnológicos para prevenir la formación de hidratos, luego los temas se ampliaron gradualmente: los aspectos cinéticos de la formación de hidratos se incluyeron en la esfera de interés, luego se prestó una atención considerable a los aspectos geológicos, en particular, las posibilidades de la existencia de yacimientos de hidratos de gas, y problemas teóricos de su desarrollo.

Estudios geológicos de hidratos de gas.

La próxima etapa de investigación sobre la termodinámica de la formación de hidratos está asociada con el desarrollo de depósitos gigantes del norte: Urengoy y Yamburg. Para mejorar los métodos para prevenir la formación de hidratos en relación con los sistemas de recolección y procesamiento de campo de gases que contienen condensados, se necesitaban datos experimentales sobre las condiciones de formación de hidratos en soluciones de metanol altamente concentradas en una amplia gama de temperaturas y presiones. En el curso de estudios experimentales (V. A. Istomin, D. Yu. Stupin y otros), se revelaron serias dificultades metodológicas para obtener datos representativos a temperaturas inferiores a -20 °C. Por este motivo, se ha desarrollado nueva técnica estudios de equilibrio de fases de hidratos de gas a partir de mezclas de gases multicomponente con el registro de flujos de calor en la cámara de hidrato y, al mismo tiempo, se encontró la posibilidad de la existencia de formas metaestables de hidratos de gas (en la etapa de su formación), lo cual fue confirmado por estudios posteriores de autores extranjeros. El análisis y la generalización de nuevos datos experimentales y de campo (tanto nacionales como extranjeros) permitieron desarrollar (V. A. Istomin, V. G. Kvon, A. G. Burmistrov, V. P. Lakeev) instrucciones para el consumo óptimo de inhibidores de la formación de hidratos (1987).

Perspectivas de la aplicación de tecnologías de hidratos de gas en la industria

Las propuestas tecnológicas para el almacenamiento y transporte de gas natural en estado hidratado aparecieron en la década del 40 del siglo XX. La propiedad de los hidratos de gas a presiones relativamente bajas de concentrar volúmenes significativos de gas ha atraído la atención de los especialistas durante mucho tiempo. Los cálculos económicos preliminares han demostrado que lo más eficiente es el transporte marítimo de gas en estado hidratado, y se puede lograr un efecto económico adicional con la venta simultánea a los consumidores del gas transportado y el agua pura que queda después de la descomposición del hidrato (durante la formación de hidratos de gas, el agua se purifica de las impurezas). En la actualidad, se están considerando los conceptos de transporte marítimo de gas natural en estado hidratado en condiciones de equilibrio, especialmente al planificar el desarrollo de campos de gas en aguas profundas (incluidos los hidratos) alejados del consumidor.

Sin embargo, en los últimos años, se ha prestado cada vez más atención al transporte de hidratos en condiciones de no equilibrio (a presión atmosférica). Otro aspecto de la aplicación de tecnologías de hidratos de gas es la posibilidad de organizar almacenamientos de gas de hidratos de gas en condiciones de equilibrio (bajo presión) cerca de grandes consumidores de gas. Esto se debe a la capacidad de los hidratos para concentrar gas a una presión relativamente baja. Así, por ejemplo, a una temperatura de +4°C y una presión de 40 atm., la concentración de metano en el hidrato corresponde a una presión de 15-16 MPa (150-160 atm.).

Aleksey Shchebetov, Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas. I.M. Gubkin Alexey Shchebetov, Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas que lleva el nombre de I.M. Los campos de hidratos de gas de IM Gubkina tienen el mayor potencial en comparación con otras fuentes de gas no convencionales. Hoy, el costo del gas producido a partir de hidratos es incomparable con el del gas producido a partir de campos de gas tradicionales.

Aleksey Shchebetov, Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas. I. M. Gubkina

Aleksey Shchebetov, Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas. I. M. Gubkina

Los campos de hidratos de gas tienen el mayor potencial en comparación con otras fuentes de gas no convencionales. Hoy, el costo del gas producido a partir de hidratos es incomparable con el del gas producido a partir de campos de gas tradicionales. Sin embargo, es bastante razonable creer que en un futuro próximo el progreso de las tecnologías de producción de gas podrá garantizar la viabilidad económica del desarrollo de depósitos de hidratos de gas. Con base en el análisis de las condiciones geológicas de ocurrencia de depósitos típicos de hidratos de gas y los resultados del modelado numérico, el autor evaluó las perspectivas de producción de gas a partir de hidratos.

Los hidratos de gas son compuestos sólidos de moléculas de gas y agua que existen a ciertas presiones y temperaturas. Un metro cúbico de hidrato natural contiene hasta 180 m3 de gas y 0,78 m3 de agua. Si los hidratos anteriores se estudiaron desde el punto de vista de las complicaciones tecnológicas en la producción y el transporte de gas natural, entonces, desde el descubrimiento de los depósitos de hidratos de gas natural, se los ha considerado como la fuente de energía más prometedora. Actualmente se conocen más de doscientos yacimientos de hidratos de gas, la mayoría de los cuales se encuentran en el fondo marino. Según las últimas estimaciones, en los depósitos de hidratos de gas natural se concentran entre 10 y 1000 billones de m3 de metano, lo que es proporcional a las reservas de gas tradicional. Por lo tanto, es bastante comprensible el deseo de muchos países (especialmente los países importadores de gas: EE. UU., Japón, China, Taiwán) de desarrollar este recurso. Pero, a pesar del progreso reciente en la perforación de exploración y los estudios experimentales de hidratos en medios porosos, la cuestión de un método económicamente viable para extraer gas de los hidratos permanece abierta y requiere más estudio.

Depósitos de hidratos de gas

La primera mención de grandes acumulaciones de hidratos de gas está asociada con el campo Messoyakha, descubierto en 1972 en Siberia occidental. Muchos investigadores han estado involucrados en el análisis del desarrollo de este campo, se han publicado más de cien artículos científicos. Según el trabajo, se supone la existencia de hidratos naturales en la parte superior de la sección productiva del campo Messoyakha. Sin embargo, cabe señalar que no se han realizado estudios directos del contenido de hidratos del yacimiento (muestreo de núcleo), y las señales por las que se han identificado los hidratos son indirectas y permiten diferentes interpretaciones.

Por lo tanto, hasta la fecha, no hay consenso sobre el contenido de hidratos del depósito de Messoyakha.

En este sentido, el ejemplo más indicativo es otra supuesta región portadora de hidratos: la vertiente norte de Alaska (EE. UU.). Durante mucho tiempo se creyó que esta zona tiene importantes reservas de gas en estado hidratado. Por lo tanto, se argumentó que en el área de los campos petroleros de Prudhoe Bay y Kiparuk River hay seis depósitos saturados de hidratos con reservas de 1,0-1,2 billones de m3. La suposición del contenido de hidratos se basó en los resultados de las pruebas de los pozos en el intervalo probable de aparición de hidratos (estos intervalos se caracterizaron por tasas de flujo de gas extremadamente bajas) y la interpretación de los datos geofísicos.

A fines de 2002, Anadarko, junto con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, organizó la perforación del pozo de exploración Hot Ice No. 1 (HOT ICE #1) con el fin de estudiar las condiciones de ocurrencia de hidratos en Alaska y evaluar sus recursos. . A principios de 2004, el pozo se completó a una profundidad objetivo de 792 m. Sin embargo, a pesar de una serie de signos indirectos de la presencia de hidratos (datos de estudios geofísicos y estudios sísmicos), así como condiciones termobáricas favorables, no se encontraron hidratos. en los núcleos extraídos. Esto confirma una vez más la tesis de que la única forma confiable de detectar depósitos de hidratos es la perforación exploratoria con muestreo de testigos.

Por el momento, sólo dos yacimientos de hidratos naturales, que son de gran interés desde el punto de vista de desarrollo industrial: Mallik, en el delta del Mackenzie, en el noroeste de Canadá, y Nankai, en la costa de Japón.

depósito mallik

La existencia de hidratos naturales se confirmó mediante la perforación de un pozo de investigación en 1998 y tres pozos en 2002. En este campo se llevaron a cabo con éxito experimentos de campo sobre la producción de gas a partir de intervalos saturados de hidratos. Hay muchas razones para creer que es tipo característico depósitos continentales de hidratos por descubrir en el futuro.

Sobre la base de estudios geofísicos y el estudio del material del núcleo, se identificaron tres formaciones portadoras de hidratos (A, B, C) con un espesor total de 130 m en el intervalo 890-1108 m. permafrost tiene un espesor de aproximadamente 610 m, y la zona de estabilidad de hidratos (HZZ) (es decir, el intervalo donde las condiciones termobáricas corresponden a las condiciones de estabilidad de hidratos) se extiende de 225 a 1100 m. cambios en la temperatura de corte (ver Fig. 1) . El punto superior de intersección es el límite superior del SGI y el punto inferior es, respectivamente, el límite inferior del SGI. La temperatura de equilibrio correspondiente al límite inferior de la zona de estabilidad de los hidratos es de 12,2°C.

El yacimiento A está ubicado en el rango de 892 a 930 m, donde se distingue por separado una capa intermedia de arenisca saturada de hidratos (907-930 m). Según la geofísica, la saturación de hidratos varía del 50 al 85%, el resto del espacio poroso está ocupado por agua. La porosidad es 32-38%. La parte superior de la formación A consiste en limo arenoso y capas intermedias de arenisca delgada con una saturación de hidratos de 40-75%. La inspección visual de los núcleos elevados a la superficie reveló que el hidrato ocupa principalmente el espacio poroso intergranular. Este intervalo es el más frío: la diferencia entre la temperatura de equilibrio de formación de hidratos y la temperatura del yacimiento supera los 4°C.

La capa de hidratos B (942-992 m) consta de varias capas intermedias de arena de 5-10 m de espesor, separadas por capas intermedias delgadas (0,5-1 m) de arcillas libres de hidratos. La saturación con hidratos varía ampliamente de 40 a 80%. La porosidad varía de 30 a 40%. La amplia gama de cambios en la porosidad y la saturación de hidratos se explica por la estructura en capas de la formación. La capa de hidrato B está sustentada por un acuífero con un espesor de 10 m.

El reservorio C (1070-1107 m) consta de dos capas intermedias con saturación de hidratos en el rango de 80-90% y se encuentra en condiciones cercanas al equilibrio. La base del yacimiento C coincide con el límite inferior de la zona de estabilidad de hidratos. La porosidad del intervalo es del 30-40%.

Debajo de la zona de estabilidad de hidratos, existe una zona de transición gas-agua con un espesor de 1,4 m. zona de transición le sigue un acuífero con un espesor de 15 m.

De acuerdo a los resultados investigación de laboratorio se encontró que el hidrato consiste en metano (98% o más). El estudio del material del núcleo mostró que el medio poroso en ausencia de hidratos tiene una alta permeabilidad (de 100 a 1000 mD), y cuando se satura con hidratos en un 80%, la permeabilidad de la roca desciende a 0,01-0,1 mD.

La densidad de las reservas de gas en hidratos cerca de los pozos exploratorios perforados ascendió a 4,15 mil millones de m3 por 1 km2, y las reservas en todo el campo - 110 mil millones de m3.

campo nankai

El trabajo de exploración activa se ha llevado a cabo en la plataforma de Japón desde hace varios años. Los primeros seis pozos perforados entre 1999 y 2000 demostraron la presencia de tres capas intermedias de hidratos con un espesor total de 16 m en el intervalo de 1135 a 1213 m desde la superficie del mar (290 m por debajo del lecho marino). Las rocas son principalmente areniscas con una porosidad del 36% y una saturación con hidratos de alrededor del 80%.

En 2004 ya se perforaron 32 pozos a profundidades marinas de 720 a 2033 m. Por separado, cabe señalar la finalización exitosa de pozos verticales y horizontales (con un pozo horizontal de 100 m) en formaciones de hidratos poco estables a una profundidad del mar de 991 m. La próxima etapa en el desarrollo del campo Nankai será la producción experimental de gas de estos pozos en 2007. K desarrollo industrial el campo Nankai está programado para comenzar en 2017.

El volumen total de hidratos equivale a 756 millones de m3 de gas por 1 km2 de área en el área de pozos exploratorios perforados. En general, las reservas de gas en hidratos en la plataforma del Mar de Japón pueden oscilar entre 4 billones y 20 billones de m3.

Depósitos de hidratos en Rusia

Las direcciones principales para la búsqueda de hidratos de gas en Rusia ahora se concentran en el Mar de Ojotsk y el Lago Baikal. Sin embargo, las mayores perspectivas para descubrir depósitos de hidratos con reservas comerciales están asociadas con el campo Vostochno-Messoyakhskoye en Siberia Occidental. Con base en el análisis de la información geológica y geofísica, se sugirió que la unidad Gazsalinsky se encuentra en condiciones favorables para la formación de hidratos. En particular, el límite inferior de la zona de estabilidad de los hidratos de gas se encuentra a una profundidad de aproximadamente 715 m, es decir la parte superior del miembro de Gazsalinsky (y en algunas regiones todo el miembro) se encuentra en condiciones termobáricas favorables para la existencia de hidratos de gas. Las pruebas de pozo no arrojaron ningún resultado, aunque este intervalo se caracteriza por el registro como productivo, lo que puede explicarse por una disminución de la permeabilidad de la roca debido a la presencia de hidratos de gas. A favor de la posible existencia de hidratos está el hecho de que la unidad Gazsalinsky es productiva en otros campos cercanos. Por lo tanto, como se señaló anteriormente, es necesario perforar un pozo exploratorio con extracción de testigos. En caso de resultados positivos, se descubrirá un yacimiento de hidratos de gas con reservas de ~500 bcm.

Análisis tecnologías posibles desarrollo de yacimientos de hidratos de gas

La elección de la tecnología para el desarrollo de depósitos de hidratos de gas depende de las condiciones geológicas y físicas específicas de ocurrencia. En la actualidad, solo se consideran tres métodos principales para inducir la entrada de gas desde un yacimiento de hidratos: bajar la presión por debajo de la presión de equilibrio, calentar rocas que contienen hidratos por encima de la temperatura de equilibrio y una combinación de ambos (ver Fig. 2). Es improbable que el método conocido para la descomposición de hidratos usando inhibidores sea aceptable debido al alto costo de los inhibidores. Otros métodos de estimulación propuestos, en particular, la electromagnética, la acústica y la inyección de dióxido de carbono en el yacimiento, están todavía poco estudiados experimentalmente.

Consideremos las perspectivas de producción de gas a partir de hidratos utilizando el ejemplo del problema del flujo de entrada de gas a un pozo vertical que ha penetrado completamente en un yacimiento saturado de hidratos. Entonces el sistema de ecuaciones que describe la descomposición del hidrato en un medio poroso tendrá la forma:

a) la ley de conservación de la masa para el gas y el agua:

donde P - presión, T - temperatura, S - saturación de agua, v - saturación de hidratos, z - coeficiente de supercompresibilidad; r - coordenada radial; t - tiempo; m - porosidad, g, w, h - densidad de gas, agua e hidrato, respectivamente; k(v) es la permeabilidad del medio poroso en presencia de hidratos; fg(S), fw(S) - funciones de permeabilidades de fase relativas para gas y agua; g, w son las viscosidades del gas y del agua; - contenido de masa de gas en el hidrato;

b) ecuación de conservación de energía:

donde Ce es la capacidad calorífica de la roca y los fluidos hospedantes; cg, cw son la capacidad calorífica del gas y del agua, respectivamente; H es el calor de transición de fase del hidrato; - coeficiente adiabático diferencial; - factor de estrangulamiento (coeficiente de Joule-Thomson); e es la conductividad térmica de la roca y los fluidos anfitriones.

En cada punto de la formación se debe cumplir la condición de equilibrio termodinámico:

T = Aln P + B, (3)

donde A y B son coeficientes empíricos.

La dependencia de la permeabilidad de la roca de la saturación de hidratos se suele representar como una dependencia de potencia:

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

donde k0 es la permeabilidad absoluta del medio poroso en ausencia de hidratos; N es una constante que caracteriza el grado de deterioro de la permeabilidad con el aumento de la saturación de hidratos.

En el momento inicial de tiempo, un yacimiento homogéneo y de espesor unitario tiene presión Р0, temperatura Т0 y saturación con hidratos v0. El método de reducción de presión se modeló estableciendo un caudal constante en el pozo, y el método térmico se modeló mediante una fuente de calor de potencia constante. En consecuencia, en el método combinado se fijó un caudal de gas constante y la potencia de la fuente de calor necesaria para la descomposición estable de los hidratos.

Al modelar la producción de gas a partir de hidratos mediante los métodos considerados, se tuvieron en cuenta las siguientes limitaciones. A una temperatura inicial del yacimiento de 10 °C y una presión de 5,74 MPa, el coeficiente de Joule-Thomson es de 3 a 4 grados por 1 MPa de reducción. Por lo tanto, con una reducción de 3-4 MPa, la temperatura del fondo del pozo puede alcanzar el punto de congelación del agua. Como se sabe, la congelación del agua en la roca no solo reduce la permeabilidad de la zona del fondo del pozo, sino que también conduce a consecuencias más catastróficas: el colapso de las sartas de revestimiento, la destrucción del reservorio, etc. Por lo tanto, para el método de reducción de presión, se supuso que durante 100 días de funcionamiento del pozo, la temperatura de fondo de pozo no debería descender por debajo de 0 °C. Para el método térmico, la limitación es el aumento de temperatura en la pared del pozo y el calentador mismo. Por lo tanto, en los cálculos se supuso que durante 100 días de operación del pozo, la temperatura de fondo de pozo no debería exceder los 110 °C. Al modelar el método combinado, se tuvieron en cuenta ambas limitaciones.

La efectividad de los métodos se comparó con el caudal máximo de un pozo vertical que penetró completamente un yacimiento de hidratos de gas de un solo espesor, teniendo en cuenta las limitaciones antes mencionadas. Para los métodos térmico y combinado, los costos de energía se tomaron en cuenta restando del caudal la cantidad de gas requerida para obtener el calor requerido (suponiendo que el calor se genera quemando parte del metano producido):

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

donde Q - tasa de flujo de gas en el fondo del pozo, m3/día; E - llevado al fondo energía térmica, J/día; q es el calor de combustión del metano (33.28.106), J/m3.

Los cálculos se realizaron con los siguientes parámetros: P0 = 5,74 MPa; T0 = ​​283K; S=0,20; m = 0,35; h = 910 kg/m3, w = 1000 kg/m3; k0 = 0,1 µm2; N = 1 (coeficiente en fórmula (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). Los resultados del cálculo se resumen en la Tabla. uno.

El análisis de los resultados de estos cálculos muestra que el método de reducción de presión es adecuado para formaciones de hidratos donde la saturación con hidratos es baja y el gas o el agua no han perdido su movilidad. Naturalmente, con un aumento en la saturación de hidratos (y por lo tanto una disminución en la permeabilidad según la ecuación (4)) la eficiencia de este método cae bruscamente. Por lo tanto, cuando la saturación de los poros con hidratos es superior al 80%, es casi imposible obtener una entrada de hidratos reduciendo la presión de fondo de pozo.

Otro inconveniente del método de reducción de presión está asociado con la formación tecnogénica de hidratos en la zona de fondo de pozo debido al efecto Joule-Thomson. En la fig. La Figura 3 muestra la distribución de la saturación de agua e hidratos obtenida como resultado de resolver el problema del ingreso de gas a un pozo vertical que ha penetrado en un yacimiento de hidratos de gas. Esta figura muestra claramente una zona de descomposición insignificante del hidrato (I), una zona de formación de hidrato secundario (II), y una zona de filtración de gas solamente (III), ya que en esta zona todo el agua libre se ha convertido en hidrato.

Por lo tanto, el desarrollo de depósitos de hidratos al reducir la presión solo es posible con la inyección de inhibidores en la zona de fondo de pozo, lo que aumentará significativamente el costo del gas producido.

El método térmico para el desarrollo de yacimientos de hidratos de gas es adecuado para formaciones con un alto contenido de hidratos en los poros. Sin embargo, como muestran los resultados del cálculo, el efecto térmico a través del fondo del pozo es ineficaz. Esto se debe a que el proceso de descomposición de los hidratos va acompañado de la absorción de calor con una alta entalpía específica de 0,5 MJ/kg (por ejemplo: el calor de fusión del hielo es de 0,34 MJ/kg). A medida que el frente de descomposición se aleja del fondo del pozo, se gasta más y más energía en calentar las rocas huésped y el techo de la formación, por lo que la zona de impacto térmico sobre los hidratos a través del fondo del pozo se calcula en primer lugar. metros En la fig. La figura 4 muestra la dinámica de descongelación de un yacimiento completamente saturado de hidratos. De esta figura se puede ver que durante 100 días de calentamiento continuo, la descomposición de los hidratos ocurrirá dentro de un radio de solo 3,5 metros desde la pared del pozo.

El método combinado tiene las mayores perspectivas, ya que consiste en la reducción de presión y el suministro de calor al pozo simultáneamente. Además, la descomposición principal del hidrato se produce por disminución de la presión, y el calor aportado al fondo de pozo permite reducir la zona de formación del hidrato secundario, lo que repercute positivamente en el caudal. La desventaja del método combinado (así como el térmico) es una gran cantidad de agua producida (ver Tabla 1).

Conclusión

Así, en nivel moderno tecnologías de petróleo y gas, es difícil esperar que el costo del gas producido a partir de hidratos sea comparable al de los campos de gas tradicionales. Esto se debe a los grandes problemas y dificultades que enfrentan los desarrolladores e investigadores. Sin embargo, incluso ahora, los hidratos de gas se pueden comparar con otra fuente no convencional de gas: el metano de lecho de carbón. Hace veinte años, se creía que extraer metano de los yacimientos de carbón era técnicamente difícil y poco rentable. Ahora solo en los EE. UU. se producen alrededor de 45 mil millones de m3 anualmente de más de 10 mil pozos, lo que se logró mediante el desarrollo de la ciencia del petróleo y el gas y la creación de las últimas tecnologías de producción de gas. Por analogía con el metano del carbón, podemos concluir (ver Tabla 2) que la producción de gas a partir de hidratos puede ser bastante rentable y comenzará en un futuro próximo.

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Los hidratos de gas (también hidratos de gas natural o clatratos) son compuestos cristalinos formados bajo ciertas condiciones termobáricas a partir de agua y gas. El nombre "clathrates" (del latín clathratus - "poner en una jaula") fue dado por Powell en 1948. Los hidratos de gas son compuestos no estequiométricos, es decir, compuestos de composición variable.

Los hidratos de gas (dióxido de azufre y cloro) fueron observados por primera vez a finales del siglo XVIII por J. Priestley, B. Peletier y W. Karsten. Las primeras descripciones de los hidratos de gas fueron dadas por G. Davy en 1810 (hidrato de cloro). En 1823, Faraday determinó aproximadamente la composición del hidrato de cloro, en 1829 Levitt descubrió el hidrato de bromo y en 1840 Wöhler obtuvo el hidrato de H2S. Para 1888, P. Villard recibía hidratos de CH4, C2H6, C2H4, C2H2 y N2O.

En la década de 1940, los científicos soviéticos propusieron una hipótesis sobre la presencia de depósitos de hidratos de gas en la zona de permafrost (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). En la década de 1960, también descubrieron los primeros depósitos de hidratos de gas en el norte de la URSS, al mismo tiempo, la posibilidad de la formación y existencia de hidratos en condiciones naturales encuentra confirmación de laboratorio (Makogon).

Desde entonces, los hidratos de gas han sido considerados como una fuente potencial de combustible.
Según diversas estimaciones, las reservas de hidrocarburos en hidratos oscilan entre 1,8×10^14 y 7,6×10^18 m³.
Resulta su amplia distribución en los océanos y el permafrost de los continentes, la inestabilidad con el aumento de la temperatura y la disminución de la presión.

En 1969 se inició el desarrollo del campo Messoyakha en Siberia, donde se cree que por primera vez fue posible (por pura casualidad) extraer gas natural directamente de los hidratos (hasta el 36% de la producción total a partir de 1990)

Hidratos de gas en la naturaleza
La mayoría de los gases naturales (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, isobutano, etc.) forman hidratos que existen bajo ciertas condiciones termobáricas. El área de su existencia está confinada a los sedimentos del fondo marino y áreas de permafrost. Los hidratos de gas natural predominantes son los hidratos de metano y dióxido de carbono.

Durante la producción de gas, se pueden formar hidratos en pozos, comunicaciones industriales y gasoductos principales. Al depositarse en las paredes de las tuberías, los hidratos reducen drásticamente su rendimiento. Para combatir la formación de hidratos en los campos de gas, se introducen varios inhibidores (alcohol metílico, glicoles, solución de CaCl2 al 30 %) en pozos y tuberías, y la temperatura del flujo de gas se mantiene por encima de la temperatura de formación de hidratos utilizando calentadores, aislamiento térmico de tuberías y selección de un modo de operación que asegure la temperatura máxima de la corriente de gas. Para evitar la formación de hidratos en los gasoductos principales, el secado de gas es el más efectivo: la purificación de gas a partir de vapor de agua.

Problemas y perspectivas asociados con los hidratos de gas natural
Desde el principio, el desarrollo de depósitos en el norte de Siberia occidental enfrentó el problema de las emisiones de gases de los intervalos poco profundos de la zona de permafrost. Estos escapes ocurrieron repentinamente y provocaron el cierre de pozos e incluso incendios. Dado que los reventones ocurrieron desde un intervalo de profundidad por encima de la zona de estabilidad de los hidratos de gas, durante mucho tiempo se explicaron por flujos de gas desde horizontes productivos más profundos a través de zonas permeables y pozos adyacentes con revestimiento de mala calidad. A fines de la década de 1980, sobre la base de modelos experimentales y estudios de laboratorio del núcleo congelado de la zona de permafrost del GCF de Yamburgsky, fue posible revelar la distribución de hidratos reliquia dispersos (bolas de naftalina) en depósitos cuaternarios. Estos hidratos, junto con las acumulaciones locales de gas microbiano, pueden formar capas intermedias que contienen gas, a partir de las cuales se producen explosiones durante la perforación. La presencia de hidratos relictos en las capas poco profundas de la zona de permafrost fue confirmada por estudios similares en el norte de Canadá y en el área del campo de condensado de gas de Bovanenkovo. Por lo tanto, se han formado ideas sobre un nuevo tipo de depósitos de gas: depósitos de hidratos de gas metaestables intrapermafrost que, como han demostrado las pruebas de pozos de permafrost en el campo de condensado de gas Bovanenkovo, no solo son un factor de complicación, sino también un cierta base de recursos para el suministro local de gas.

Los depósitos de intrapermafrost contienen solo una parte insignificante de los recursos de gas, que están asociados con los hidratos de gas natural. La mayor parte de los recursos está confinada a la zona de estabilidad de los hidratos de gas, ese intervalo de profundidades (generalmente unos pocos cientos de metros), donde tienen lugar las condiciones termodinámicas para la formación de hidratos. En el norte de Siberia occidental, este es un intervalo de profundidad de 250 a 800 m, en los mares, desde la superficie del fondo hasta 300 a 400 m, en áreas especialmente profundas de la plataforma y el talud continental hasta 500 a 600 m por debajo del nivel del mar. abajo. Es en estos intervalos que se descubrió la mayor parte de los hidratos de gas natural.

Durante el estudio de los hidratos de gas natural, resultó que no es posible distinguir los depósitos que contienen hidratos de los congelados utilizando medios modernos de geofísica de campo y pozo. Las propiedades de las rocas congeladas son casi completamente similares a las de las rocas que contienen hidratos. Cierta información sobre la presencia de hidratos de gas puede obtenerse mediante un dispositivo de registro de resonancia magnética nuclear, pero es muy costoso y se usa muy raramente en la práctica de la exploración geológica. El principal indicador de la presencia de hidratos en los sedimentos son los estudios de testigos, en los que los hidratos son visibles durante la inspección visual o se determinan midiendo el contenido de gas específico durante la descongelación.

Perspectivas de la aplicación de tecnologías de hidratos de gas en la industria
Las propuestas tecnológicas para el almacenamiento y transporte de gas natural en estado hidratado aparecieron en la década del 40 del siglo XX. La propiedad de los hidratos de gas a presiones relativamente bajas de concentrar volúmenes significativos de gas ha atraído la atención de los especialistas durante mucho tiempo. Los cálculos económicos preliminares han demostrado que lo más eficiente es el transporte marítimo de gas en estado hidratado, y se puede lograr un efecto económico adicional con la venta simultánea a los consumidores del gas transportado y el agua pura que queda después de la descomposición del hidrato (durante la formación de hidratos de gas, el agua se purifica de las impurezas). Actualmente, se están considerando los conceptos de transporte marítimo de gas natural en estado hidratado en condiciones de equilibrio, especialmente cuando se planifica el desarrollo de campos de gas de aguas profundas (incluidos los hidratos) alejados del consumidor.

Sin embargo, en los últimos años, se ha prestado cada vez más atención al transporte de hidratos en condiciones de no equilibrio (a presión atmosférica). Otro aspecto de la aplicación de tecnologías de hidratos de gas es la posibilidad de organizar almacenamientos de gas de hidratos de gas en condiciones de equilibrio (bajo presión) cerca de grandes consumidores de gas. Esto se debe a la capacidad de los hidratos para concentrar gas a una presión relativamente baja. Así, por ejemplo, a una temperatura de +4°C y una presión de 40 atm., la concentración de metano en el hidrato corresponde a una presión de 15-16 MPa.

La construcción de una instalación de almacenamiento de este tipo no es complicada: la instalación de almacenamiento es una batería de tanques de gas colocados en un foso o hangar y conectados a una tubería de gas. En el período primavera-verano, el almacenamiento se llena de gas que forma hidratos, en el período otoño-invierno libera gas durante la descomposición de los hidratos utilizando una fuente de calor de bajo potencial. La construcción de tales instalaciones de almacenamiento cerca de plantas de calor y energía puede suavizar significativamente las fluctuaciones estacionales en la producción de gas y representar una alternativa real a la construcción de instalaciones UGS en varios casos.

Actualmente, las tecnologías de hidratos de gas se están desarrollando activamente, en particular, para la producción de hidratos utilizando métodos modernos de intensificación de procesos tecnológicos (aditivos de tensioactivos que aceleran la transferencia de calor y masa; el uso de nanopolvos hidrofóbicos; efectos acústicos de varios rangos, hasta el producción de hidratos en ondas de choque, etc.).

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

Revista química rusa. V. 48, No. 3 2003. "Hidratos de gas"
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

Estudios de hidratos de gas - una parte del grupo de geofísica

Curva de estabilidad de hidratos de gas

Estabilidad de hidratos de gas en sedimentos oceánicos

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

Desde la década de 1970, el hidrato de gas natural, principalmente el hidrato de metano, ha sido reconocido en todo el mundo, donde las condiciones de presión y temperatura estabilizan la estructura del hidrato. Está presente en los sedimentos oceánicos a lo largo de los márgenes continentales y en entornos polares continentales. Se ha identificado a partir de muestras de pozo. y por sus respuestas características en los perfiles de reflexión sísmica y los registros eléctricos de los pozos de petróleo, hasta ~1000 metros de espesor directamente debajo del lecho marino; la base de la capa está limitada por el aumento de la temperatura. En latitudes altas, existe en asociación con el permafrost .

Frente al sureste de los Estados Unidos, un área pequeña (solo 3000 km2) debajo de una cresta formada por sedimentos depositados rápidamente parece contener un volumen de metano en hidrato equivalente a ~ 30 veces el volumen de los EE. UU. consumo anual de gas. Esta área se conoce como Blake Ridge. Cantidades significativas de hidratos en , incluidas cantidades