Gaashüdraatide koostis ja omadused. Gaashüdraadid - iv_g
Riikliku maavarade ülikooli kaevandamine
Teadusnõustaja: Gulkov Juri Vladimirovitš, tehnikateaduste kandidaat, Riiklik Mineraali- ja Toormaterjalide Ülikool
Märkus:
Selles artiklis käsitletakse keemilisi ja füüsikalised omadused gaasihüdraadid, nende uurimise ja uurimise ajalugu. Lisaks käsitletakse peamisi probleeme, mis takistavad gaasihüdraatide kaubandusliku tootmise korraldamist.
Käesolevas artiklis kirjeldame gaasihüdraatide keemilisi ja füüsikalisi omadusi, nende uurimise ja uurimise ajalugu. Lisaks käsitletakse põhiprobleeme, mis takistavad gaasihüdraatide kaubandusliku tootmise korraldamist.
Märksõnad:
gaasihüdraadid; energia; kommertskaevandamine; Probleemid.
gaasihüdraadid; energeetika; kaubanduslik kaevandamine; Probleemid.
UDK 622.324
Sissejuhatus
Algselt kasutas inimene energiaallikana omaenda jõude. Mõne aja pärast tuli appi puidu ja orgaanika energia. Umbes sajand tagasi sai kivisüsi peamiseks energiaallikaks, 30 aastat hiljem jagas nafta oma ülimuslikkust. Tänapäeval põhineb maailma energia kolmikgaas-õli-süsi. Kuid 2013. aastal nihutasid Jaapani energiaettevõtted selle tasakaalu gaasi poole. Jaapan - maailm gaasiimpordi liider. State Corporation of Oil, Gas and Metals (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) suutis esimesena maailmas saada gaasi Vaikse ookeani põhjas asuvast metaanhüdraadist 1,3 kilomeetri sügavuselt. . Katsetootmine kestis vaid 6 nädalat, vaatamata sellele, et plaanis arvestati kahenädalase tootmisega, toodeti 120 tuhat kuupmeetrit maagaasi.See avastus võimaldab riigil iseseisvuda impordist, muuta radikaalselt majandust. Mis on gaasihüdraat ja kuidas see võib mõjutada ülemaailmset energiatööstust?
Selle artikli eesmärk on käsitleda probleeme gaasihüdraatide väljatöötamisel.
Selleks püstitati järgmised ülesanded:
- Tutvuge gaasihüdraadi uurimise ajalooga
- Uurige keemilisi ja füüsikalisi omadusi
- Mõelge arengu peamistele probleemidele
Asjakohasus
Traditsioonilised ressursid ei jaotu Maa peale ühtlaselt, pealegi on need piiratud. Kaasaegsete hinnangute kohaselt jätkub naftavarusid tänaste tarbimisstandardite järgi 40 aastaks, maagaasi energiavarusid 60-100 aastaks. Maailma kildagaasivarusid hinnatakse ligikaudu 2500–20 000 triljonile. kuubik m See on inimkonna energiavaru enam kui tuhandeks aastaks Hüdraatide kaubanduslik kaevandamine tõstaks maailma energia kvalitatiivselt uuele tasemele. Teisisõnu on gaasihüdraatide uurimine avanud inimkonnale alternatiivse energiaallika. Kuid nende õppimisel ja kaubanduslikul tootmisel on ka mitmeid tõsiseid takistusi.
Ajaloo viide
Gaashüdraatide olemasolu võimalust ennustas IN Strizhov, kuid rääkis nende ekstraheerimise ebaotstarbekusest. Villard sai metaanhüdraadi esmakordselt laboris 1888. aastal koos teiste kergete süsivesinike hüdraatidega. Esialgseid kokkupõrkeid gaasihüdraatidega peeti energiatootmise probleemideks ja takistusteks. 20. sajandi esimesel poolel leiti, et gaasihüdraadid on Arktika piirkondades (temperatuuril üle 0 °C) asuvate gaasitorustike ummistumise põhjuseks. 1961. aastal registreeriti Vassiljev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. avastus. "Maagaaside omadus olla maakoore tahkes olekus", mis kuulutas uut looduslik allikas süsivesinikud - gaasihüdraat. Pärast seda hakati kõvemini rääkima traditsiooniliste ressursside ammenduvusest ja juba 10 aastat hiljem avastati 1970. aasta jaanuaris Arktikas, Lääne-Siberi piiril esimene gaasihüdraadi leiukoht, see kannab nime Messoyakha. Edasi viidi läbi suuri teadlaste ekspeditsioone nii NSV Liidust kui ka paljudest teistest riikidest.
Keemia ja füüsika sõna
Gaasihüdraadid on gaasimolekulid, mida ümbritsevad veemolekulid, nagu "gaas puuris". Seda nimetatakse veeklatraadi raamistikuks. Kujutage ette, et suvel püüdsite peopesadesse liblika, liblikas on gaas, teie peopesad on veemolekulid. Sest sa kaitsed liblikat välismõjude eest, kuid ta säilitab oma ilu ja individuaalsuse. Nii käitub gaas klatraadi raamistikus.
Sõltuvalt moodustumise tingimustest ja hüdraadi moodustaja olekust näevad hüdraadid väliselt välja nagu selgelt määratletud läbipaistvad erineva kujuga kristallid või kujutavad endast tihedalt kokkusurutud "lume" amorfset massi.
Hüdraadid tekivad teatud termobaarsetes tingimustes – faasitasakaalu tingimustes. Kell atmosfääri rõhk maagaaside gaashüdraadid eksisteerivad kuni 20-25 °C. Ühes mahus gaasihüdraati võib oma struktuuri tõttu olla kuni 160–180 mahuosa puhast gaasi. Metaanhüdraadi tihedus on umbes 900 kg/m³, mis on väiksem kui vee ja jää tihedus. Kui faasitasakaalu rikutakse: temperatuuri tõus ja/või rõhu langus, laguneb hüdraat gaasiks ja veeks suure hulga soojuse neeldumisega. Kristallilised hüdraadid on suure elektritakistusega, juhivad hästi heli ning on praktiliselt läbimatud vabadele vee- ja gaasimolekulidele ning neil on madal soojusjuhtivus.
Areng
Gaasihüdraatidele on raske ligi pääseda, kuna Praeguseks on kindlaks tehtud, et umbes 98% gaasihüdraadi ladestutest on koondunud ookeani šelfile ja mandri nõlvale, vee sügavusele üle 200–700 m ning ainult 2% - mandrite subpolaarsetes osades. . Seetõttu tekivad probleemid gaasihüdraatide kaubandusliku tootmise arendamisel juba nende maardlate väljatöötamise etapis.
Praeguseks on gaashüdraadi lademete tuvastamiseks mitmeid meetodeid: seismiline sondeerimine, gravimeetriline meetod, soojus- ja hajusvoolude mõõtmine üle maardla, elektromagnetvälja dünaamika uurimine uuritavas piirkonnas jne.
Seismilisel sondeerimisel kasutatakse kahemõõtmelisi (2-D) seismilisi andmeid vaba gaasi olemasolul hüdraadiga küllastunud reservuaari all, määratakse hüdraadiga küllastunud kivimite alumine asend. Kuid seismilise uurimise käigus on võimatu tuvastada maardla kvaliteeti, kivimite hüdraadiküllastuse astet. Lisaks ei ole seismiline uurimine rakendatav keerulisel maastikul, kuid see on majanduslikult kasulikum, kuid seda on parem kasutada lisaks muudele meetoditele.
Näiteks saab lünki täita, rakendades lisaks seismilistele uuringutele ka elektromagnetilist uurimist. See võimaldab kivimit täpsemalt iseloomustada tänu individuaalsetele takistustele gaasihüdraatide esinemiskohtades. USA energeetikaministeerium plaanib seda läbi viia alates 2015. aastast. Musta mere maardlate arendamiseks kasutati seismoelektromagnetilist meetodit.
Kuluefektiivne on ka küllastunud ladestiste välja arendamine kombineeritud arendusmeetodil, kui hüdraadi lagunemisprotsessiga kaasneb rõhu langus koos samaaegse termilise kokkupuutega. Rõhu alandamine säästab hüdraatide dissotsiatsioonile kuluvat soojusenergiat ning pooride keskkonna kuumutamine hoiab ära gaasihüdraatide uuesti moodustumise põhjaaugu moodustumise tsoonis.
Kaevandamine
Järgmine komistuskivi on hüdraatide tegelik eraldamine. Hüdraadid asuvad tahkel kujul, mis põhjustab raskusi. Kuna gaashüdraat asub teatud termobaarilistes tingimustes, siis ühe neist rikkumisel laguneb see gaasiks ja veeks, vastavalt sellele on välja töötatud järgmised hüdraadi ekstraheerimise tehnoloogiad.
1. Surve vähendamine:
Kui hüdraat on faasi tasakaalust väljas, laguneb see gaasiks ja veeks. See tehnoloogia on kuulus oma triviaalsuse ja majandusliku teostatavuse poolest, lisaks langeb tema õlgadele Jaapani esimese kaevandamise edu 2013. aastal. Kuid mitte kõik pole nii roosiline: saadud vesi ajal madalad temperatuurid võib seadmeid ummistada. Lisaks on tehnoloogia tõeliselt tõhus, sest. 13 000 cu. m gaasi, mis on kordades suurem tootmisnormidest samal väljal küttetehnoloogial - 470 kuupmeetrit. m gaasi 5 päevaga. (vaata tabelit)
2. Küte:
Jällegi peate hüdraadi lagundama gaasiks ja veeks, kuid soojusvarustuse abil. Sooja saab anda erineval viisil: jahutusvedeliku sissepritse, sooja vee tsirkulatsioon, auruküte, elektriküte. Tahaksin peatuda ühel huvitaval tehnoloogial, mille on leiutanud Dortmundi ülikooli teadlased. Projekt hõlmab torujuhtme paigaldamist gaasihüdraadi ladestustele merepõhja. Selle eripära on see, et torul on kahekordsed seinad. Sisetoru kaudu juhitakse väljale faasisiirdetemperatuurini 30-40˚С kuumutatud merevesi ning läbi välimise toru tõusevad üles gaasilise metaani mullid koos veega. Seal eraldatakse metaan veest, suunatakse mahutitesse või magistraaltorusse ning soe vesi naaseb alla gaasihüdraadi ladestustesse. Kuid see ekstraheerimismeetod nõuab suuri kulutusi, tarnitava soojuse koguse pidevat suurenemist. Sel juhul laguneb gaasihüdraat aeglasemalt.
3. Inhibiitori sissejuhatus:
Samuti kasutan hüdraadi lagundamiseks inhibiitorit. Bergeni ülikooli füüsika ja tehnoloogia instituudis peeti süsinikdioksiidi inhibiitoriks. Seda tehnoloogiat kasutades on võimalik saada metaani ilma hüdraatide endi otsese ekstraheerimiseta. Seda meetodit katsetab juba Jaapani riiklik nafta-, gaasi- ja metallikorporatsioon (JOGMEC) USA energeetikaministeeriumi toel. Kuid see tehnoloogia on täis keskkonnaohte ja nõuab suuri kulusid. Reaktsioonid kulgevad aeglasemalt.
|
Projekti nimi |
kuupäev |
Osalevad riigid |
Ettevõtted |
Tehnoloogia |
|
Mallik, Kanada |
Jaapan, USA kanal, Saksamaa, India |
JOGMEC, BP, Chevron Texaco |
Kütteseade (jahutusvedelik-vesi) |
|
|
Alaska põhjanõlv, USA |
USA, Jaapan |
Conoco Phillips, JOGMEC |
Süsinikdioksiidi süstimine, inhibiitori süstimine |
|
|
Alaska, USA |
BP, Schlumberger |
Puurimine gaasihüdraadi omaduste uurimiseks |
||
|
Mallik, Kanada |
Jaapan, Kanada |
JOGMEC osana eraõiguslikust avalikust konsortsiumist |
Surve vähendamine |
|
|
tuli jääsIgnikSikumi), Alaska, USA |
USA, Jaapan, Norra |
Conoco Phillips, JOGMEC, Bergeni ülikool (Norra) |
süsihappegaasi süstimine |
|
|
Ühisprojekt (liigendTööstusprojekt) Mehhiko laht, USA |
Chevron konsortsiumi juhina |
Puurimine gaasihüdraatide geoloogia uurimiseks |
||
|
Atsumi poolsaare lähedal, Jaapan |
JOGMEC, JAPEX, Jaapan puurimine |
Surve vähendamine |
Allikas – avatud lähtekoodiga materjalidel põhinev analüüsikeskus
Tehnoloogia
Teine põhjus, miks hüdraatide kommertstootmine ei ole arenenud, on nende kasumliku tootmise tehnoloogia puudumine, mis kutsub esile suuri investeeringuid. Olenevalt tehnoloogiast tuleb ette erinevaid tõkkeid: spetsiaalsete keemiliste elementide sisseviimise seadmete käitamine ja/või lokaalne küte vältimaks gaasihüdraatide uuesti moodustumist ja kaevude ummistumist; liiva kaevandamist takistavate tehnoloogiate kasutamine.
Näiteks 2008. aastal näidati Kanada Arktikas asuva Malliku välja esialgsete hinnangute järgi arenduskuludeks 195-230 dollarit tuhande tonni kohta. kuubik m gaasihüdraatide jaoks, mis asuvad vaba gaasi kohal ja vahemikus 250-365 dollarit / tuhat. kuubik m vaba vee kohal asuvate gaasihüdraatide jaoks.
Selle probleemi lahendamiseks on vaja teadustöötajate seas populariseerida hüdraatide kaubanduslikku ekstraheerimist. Korraldada rohkem teaduskonverentse, konkursse vanade seadmete täiustamiseks või uute seadmete loomiseks, mis võiksid pakkuda väiksemaid kulutusi.
keskkonnaoht
Veelgi enam, gaashüdraadi lademete areng toob paratamatult kaasa maagaasi atmosfääri eraldumise mahu suurenemise ja selle tulemusena kasvuhooneefekti suurenemise. Metaan on võimas kasvuhoonegaas ja hoolimata sellest, et selle eluiga atmosfääris on lühem kui CO₂, põhjustab heitkoguste soojenemine suured hulgad metaan on kümme korda kiirem kui süsihappegaasi põhjustatud soojenemine. Lisaks, kui globaalne soojenemine, kasvuhooneefekt või muudel põhjustel põhjustab vähemalt ühe gaasihüdraadi lademe kokkuvarisemise, põhjustab see kolossaalse metaani eraldumise atmosfääri. Ja nagu laviin, viib see ühest sündmusest teise globaalsed muutused kliima Maal ja nende muutuste tagajärgi ei saa isegi ligikaudselt ennustada.
Selle vältimiseks on vaja integreerida keeruliste uuringuanalüüside andmed ja ennustada maardlate võimalikku käitumist.
Detonatsioon
Veel üks kaevurite lahendamata probleem on gaasihüdraatide üsna ebameeldiv omadus “detoneerida” vähimagi raputamise korral. Sel juhul läbivad kristallid kiiresti gaasilisse olekusse muutumise faasi ja omandavad esialgsest mitukümmend korda suurema ruumala. Seetõttu räägivad Jaapani geoloogide aruanded väga hoolikalt metaanhüdraatide arendamise väljavaadetest - paljude teadlaste, sealhulgas Berkeley California ülikooli professori Robert Bee sõnul on ju Deepwater Horizoni puurimisplatvormi katastroof. , oli hiiglasliku metaanimulli plahvatuse tagajärg, mis tekkis puuride poolt häiritud põhjahüdraadi ladestustest.
Nafta ja gaas
Gaasihüdraate ei käsitleta ainult energiaressursi poolelt, neid kohtab sagedamini naftatootmise käigus. Ja jälle pöördume Mehhiko lahes asuva Deepwater Horizon platvormi uppumise poole. Seejärel ehitati väljavalguva nafta ohjeldamiseks spetsiaalne kast, mis plaaniti paigutada avariipuuraua kohale. Kuid õli osutus väga karboniseerituks ja metaan hakkas kasti seintele moodustama terveid gaasihüdraatide jäätükke. Need on veest umbes 10% kergemad ja kui gaasihüdraatide kogus muutus piisavalt suureks, hakkasid nad lihtsalt kasti tõstma, mida eksperdid üldiselt ette ennustasid.
Sama probleem tekkis ka tavagaasi tootmisel. Lisaks "looduslikele" gaasihüdraatidele on parasvöötmes ja külmas kliimas asuvates magistraalgaasitorustikes suureks probleemiks gaasihüdraatide moodustumine, kuna gaasihüdraadid võivad gaasijuhtme ummistada ja selle läbilaskevõimet vähendada. Et seda ei juhtuks, ei lisata maagaasile suur hulk inhibiitorit või lihtsalt kuumutamist.
Need probleemid lahendatakse samamoodi nagu tootmises: rõhu alandamise, kuumutamise, inhibiitori sisseviimisega.
Järeldus
Selles artiklis käsitleti tõkkeid, mis takistavad gaasihüdraatide kaubanduslikku tootmist. Neid kohtab juba gaasiväljade arendamise etapis, vahetult tootmise käigus. Lisaks on gaasihüdraadid praegu probleemiks nafta- ja gaasitootmises. Tänapäeval nõuavad muljetavaldavad gaasihüdraatide varud, majanduslik tasuvus teabe kogumist ja selgitusi. Eksperdid on endiselt valvel optimaalsed lahendused gaashüdraadi ladestuste areng. Kuid tehnoloogia arenguga peaksid maardlate arendamise kulud vähenema.
Bibliograafiline loetelu:
1. Vasiliev A., Dimitrov L. Musta mere gaasihüdraatide ruumilise jaotuse ja varude hindamine // Geoloogia ja geofüüsika. 2002. nr 7. v. 43.
2. Dyadin Yu.A., Gushchin A.L. gaasihüdraadid. // Sorose haridusajakiri, nr 3, 1998, lk. 55–64
3. Makogon Yu.F. Maagaasi hüdraadid: jaotus, moodustumise mudelid, ressursid. – 70 s.
4. A. A. Trofimuk, Yu. 6-komanda-vymlnefti/detail/32-komanda-vympelnefti
5. Keemia ja elu, 2006, nr 6, lk 8.
6. Päev, mil Maa peaaegu suri – 5. 12. 2002 [ elektrooniline ressurss] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayearthdied.shtml
Arvustused:
1.12.2015, 12:12 Mordašev Vladimir Mihhailovitš
Ülevaade: Artikkel on pühendatud paljudele probleemidele, mis on seotud kiireloomulise ülesandega töötada välja gaasihüdraadid - paljulubav energiaressurss. Nende probleemide lahendamine eeldab muuhulgas ka heterogeensete teaduslike ja tehnoloogiliste uuringute andmete analüüsi ja üldistamist, mis sageli on korratud, kaootilised. Seetõttu soovitab retsensent autoreid oma edasine töö pöörake tähelepanu artiklile "Empirism kaose jaoks", sait, nr 24, 2015, lk. 124-128. Artikkel "Gaasihüdraatide arenguprobleemid" pakub kahtlemata huvi laiale spetsialistide ringile, see tuleks avaldada.
18.12.2015 02:02 Vasta autori arvustusele Polina Robertovna Kurikova:
Tutvusin artikliga, teema edasiarendamise, käsitletud probleemide lahendusega, kasutan neid soovitusi. Tänu.
Mõni aasta tagasi oli majandusteadlaste, st tehnoloogiakaugete inimeste seas populaarne "süsivesinike ammendumise" teooria. Paljudes väljaannetes, mis moodustavad globaalse finantseliidi värvi, arutleti selle üle: milline on maailm, kui varsti saab planeedil näiteks nafta otsa? Ja millised on selle hinnad, kui "kurnamise" protsess läheb nii-öelda aktiivsesse faasi?
Nüüd aga sõna otseses mõttes silme all toimuv “põlevkivirevolutsioon” on selle teema vähemalt tagaplaanile jätnud. Kõigile sai selgeks see, mida vaid üksikud eksperdid olid varem öelnud: süsivesinikke on planeedil veel piisavalt. Nende füüsilisest kurnatusest on ilmselgelt vara rääkida.
Tegelik probleem on uute tootmistehnoloogiate väljatöötamine, mis võimaldavad süsivesinikke ammutada varem kättesaamatuks peetud allikatest, aga ka nende abil saadud ressursside maksumus. Saate peaaegu kõike, see on lihtsalt kallim.
Kõik see paneb inimkonna otsima uusi "ebatraditsioonilisi traditsioonilise kütuse allikaid". Üks neist on ülalmainitud põlevkivigaas. GAZ Technology on oma tootmisega seotud erinevatest aspektidest juba rohkem kui korra kirjutanud.
Selliseid allikaid on aga teisigi. Nende hulgas on meie tänase materjali - gaasihüdraatide "kangelased".
Mis see on? Väga üldine tunnetus gaasihüdraadid on kristalsed ühendid, mis moodustuvad gaasist ja veest teatud temperatuuril (pigem madalal) ja rõhul (pigem kõrgel).
Märkus: nende moodustamisel võivad osaleda mitmesugused kemikaalid. See ei pea olema seotud süsivesinikega. Esimesed gaashüdraadid, mida teadlased kunagi täheldasid, koosnesid kloorist ja vääveldioksiidist. Muide, see juhtus 18. sajandi lõpus.
Kuna meid aga huvitavad maagaasi tootmisega seotud praktilised aspektid, siis räägime siin eelkõige süsivesinikest. Pealegi on reaalsetes tingimustes kõigi hüdraatide hulgas ülekaalus metaanhüdraadid.
Teoreetiliste hinnangute kohaselt on selliste kristallide varud sõna otseses mõttes hämmastavad. Kõige konservatiivsemate hinnangute kohaselt räägime 180 triljonist kuupmeetrit. Optimistlikumad hinnangud annavad 40 000 korda suurema arvu. Selliste näitajatega nõustute, on isegi kuidagi ebamugav rääkida süsivesinike ammenduvusest Maal.
Peab ütlema, et hüpoteesi tohutute gaasihüdraatide lademete olemasolust Siberi igikeltsa tingimustes esitasid Nõukogude teadlased juba eelmise sajandi 40ndatel aastatel. Paari aastakümne pärast leidis ta oma kinnituse. Ja 60ndate lõpus algas isegi ühe maardla arendamine.
Seejärel arvutasid teadlased välja, et tsoon, kus metaanhüdraadid suudavad stabiilses olekus olla, katab 90 protsenti kogu Maa mere- ja ookeanipõhjast ning pluss 20 protsenti maismaast. Selgub, et räägime potentsiaalselt levinud mineraalist.
"Tahke gaasi" eraldamise idee tundub tõesti atraktiivne. Veelgi enam, hüdraadi ruumalaühik sisaldab umbes 170 mahuosa gaasi ennast. See tähendab, et näib, et suure süsivesinike saagise saamiseks piisab üsna paljudest kristallidest. Füüsilisest vaatenurgast on need tahkes olekus ja kujutavad endast midagi lahtise lume või jää taolist.
Probleem on aga selles, et gaasihüdraadid asuvad reeglina väga raskesti ligipääsetavates kohtades. "Permafrosti maardlad sisaldavad vaid väikest osa gaasiressurssidest, mis on seotud maagaasi hüdraatidega. Põhiosa ressurssidest on piiratud gaasihüdraatide stabiilsustsooniga – selle sügavuste intervalliga (tavaliselt mõnisada meetrit), kus toimuvad hüdraatide moodustumise termodünaamilised tingimused. Lääne-Siberi põhjaosas on see sügavusvahemik 250-800 m, meredes - põhjapinnast kuni 300-400 m, eriti sügavatel šelfi aladel ja mandri nõlval kuni 500-600 m allpool. põhja. Just nende intervallidega avastati suurem osa maagaasihüdraate, ”teatab Wikipedia. Seega räägime reeglina tööst äärmuslikes süvameretingimustes, kõrge rõhu all.
Gaasihüdraatide ekstraheerimine võib olla seotud muude raskustega. Sellised ühendid on näiteks võimelised plahvatama isegi kergete löökide korral. Need lähevad väga kiiresti gaasilisse olekusse, mis piiratud mahus võib põhjustada järske rõhu tõuse. Spetsialiseerunud allikate sõnul on just need gaasihüdraatide omadused muutunud Kaspia mere tootmisplatvormide jaoks tõsiste probleemide allikaks.
Lisaks on metaan üks gaasidest, mis võib tekitada kasvuhooneefekti. Kui tööstuslik tootmine põhjustab tohutuid heitkoguseid atmosfääri, on see probleem veelgi süvenenud. Globaalne soojenemine. Kuid isegi kui seda praktikas ei juhtu, on "roheliste" lähedane ja ebasõbralik tähelepanu sellistele projektidele praktiliselt garanteeritud. Ja nende positsioonid paljude riikide poliitilises spektris on tänapäeval väga-väga tugevad.
Kõik see "kaalustab" metaanhüdraatide ekstraheerimise tehnoloogiate väljatöötamise projekte. Tegelikult pole veel tõeliselt tööstuslikke viise selliste ressursside arendamiseks planeedil. Vastavad arendused on aga käimas. Selliste meetodite leiutajatele on isegi välja antud patendid. Nende kirjeldus on mõnikord nii futuristlik, et tundub, et see on mõne ulmekirjaniku raamatust maha kantud.
Näiteks "Meetod gaasihüdraadi süsivesinike põhjast ekstraheerimiseks veebasseinid ja seade selle rakendamiseks (RF patent nr 2431042)”, on märgitud veebisaidil http://www.freepatent.ru/: „Leiutis on seotud merepõhja kaevandamise valdkonnaga. Tehniline tulemus on gaashüdraaditud süsivesinike tootmise suurendamine. Meetod seisneb piki basseini põhja liikuvale vertikaalsele konveierilindile kinnitatud ämbrite põhjakihi hävitamises teravate servadega roomikliikuri abil, mille suhtes konveierilint liigub vertikaalselt, võimalusega süvendada basseini. põhja. Samal ajal tõstetakse gaashüdraat ümberpööratud lehtri pinnaga veest eraldatud tsooni, kus see soojendatakse ning eralduv gaas transporditakse lehtri ülaossa kinnitatud vooliku abil pinnale, allutades. see lisaküttele. Samuti pakutakse välja seade meetodi rakendamiseks. Märkus: kõik see peaks toimuma merevees, mitmesaja meetri sügavusel. Raske on isegi ette kujutada, kui raske see inseneriülesanne on ja kui palju võib sel viisil toodetud metaani maksta.
Siiski on ka teisi viise. Siin on veel ühe meetodi kirjeldus: “Merede ja ookeanide põhjasetetes asuvatest tahketest gaasihüdraatidest gaaside (metaan, selle homoloogid jne) eraldamiseks on teada üks meetod, mille käigus kaks torujuhet sukeldatakse kaev puuritud selle põhja tuvastatud gaasihüdraadi moodustumine - pumpamine ja pumpamine. Loodusliku temperatuuriga või soojendatud looduslik vesi siseneb sissepritsetoru kaudu ja lagundab gaasihüdraadid gaasi-vesi süsteemiks, mis koguneb gaasihüdraadi moodustumise põhja moodustatud sfäärilisse lõksu. Väljapaiskuvad gaasid pumbatakse sellest lõksust välja teise torujuhtme kaudu ... Tuntud meetodi puuduseks on vajadus veealuse puurimise järele, mis on tehniliselt koormav, kulukas ja kohati reservuaari olemasolevat veealust keskkonda kohati korvamatult häiriv ”(http:/ /www.findpatent.ru).
Selliseid kirjeldusi võiks anda teisigi. Kuid juba loetletu põhjal on selge: metaani tööstuslik tootmine gaasihüdraatidest on veel tuleviku küsimus. See nõuab kõige keerukamaid tehnoloogilisi lahendusi. Ja selliste projektide majanduslikkus pole veel ilmne.
Töö selles suunas aga käib ja üsna aktiivselt. Eelkõige pakuvad neile huvi riigid, mis asuvad maailma kõige kiiremini kasvavas piirkonnas, mis tähendab, et nõudlus gaasikütuse järele on aina uus. Räägime muidugi Kagu-Aasiast. Üks riike, kes selles suunas töötab, on Hiina. Nii viisid meregeoloogid ajalehe People's Daily andmetel 2014. aastal läbi ühe selle ranniku lähedal asuva leiukoha ulatuslikud uuringud. Puurimine on näidanud, et see sisaldab kõrge puhtusastmega gaasihüdraate. Kokku puuriti 23 puurauku. See võimaldas kindlaks teha, et gaasihüdraatide jaotuspiirkond selles piirkonnas on 55 ruutkilomeetrit. Ja selle varud ulatuvad Hiina ekspertide sõnul 100–150 triljoni kuupmeetrini. Antud arv on ausalt öeldes nii kõrge, et paneb mõtlema, kas see pole liiga optimistlik ja kas selliseid ressursse on tõesti võimalik ammutada (Hiina statistika üldiselt tekitab spetsialistides sageli küsimusi). Sellegipoolest on ilmne, et Hiina teadlased töötavad aktiivselt selles suunas, otsides võimalusi oma kiiresti kasvava majanduse varustamiseks väga vajalike süsivesinikega.
Olukord Jaapanis on muidugi Hiinas täheldatust väga erinev. Küll aga riigi kütusevaru tõusev päike ja rahulikumatel aegadel polnud see sugugi tühine ülesanne. Lõppude lõpuks on Jaapan traditsioonilistest ressurssidest ilma jäetud. Ja pärast 2011. aasta märtsis Fukushima tuumajaamas toimunud tragöödiat, mis sundis riigi võimud surve alla avalik arvamus vähendada tuumaenergia programme, on see probleem eskaleerunud peaaegu piirini.
Seetõttu alustas üks Jaapani korporatsioon 2012. aastal saartest vaid mõnekümne kilomeetri kaugusel ookeanipõhja all katsepuurimist. Kaevude endi sügavus on mitusada meetrit. Pluss ookeani sügavus, mis selles kohas on umbes kilomeeter.
Tuleb tunnistada, et aasta hiljem õnnestus Jaapani spetsialistidel selles kohas esimene gaas hankida. Rääkides siiski sellest täielik edu kuni pead. Tööstuslik tootmine selles piirkonnas võib jaapanlaste endi prognooside kohaselt alata mitte varem kui 2018. aastal. Ja mis kõige tähtsam, on raske hinnata, milline saab olema lõplik kütusekulu.
Sellegipoolest võib väita, et inimkond alles “läheneb” aeglaselt gaasihüdraatide lademetele. Ja on võimalik, et saabub päev, mil see ammutab neist tõeliselt tööstuslikus mastaabis metaani.
Aastaid avastavad nad ka esimesed gaasihüdraatide lademed NSV Liidu põhjaosas. Samas leiab laboratoorse kinnituse hüdraatide tekke ja olemasolu võimalus looduslikes tingimustes (Makogon).
Sellest ajast peale on gaasihüdraate peetud potentsiaalseks kütuseallikaks. Erinevate hinnangute kohaselt on süsivesinike varud hüdraatides vahemikus 1,8·10 14 kuni 7,6·10 18 m³. Selgub nende laialdane levik mandrite ookeanides ja igikeltsas, ebastabiilsus temperatuuri tõustes ja rõhu languses.
Hüdraatide omadused
Maagaasi hüdraadid on metastabiilsed mineraalid, mille teke ja lagunemine sõltub temperatuurist, rõhust, keemiline koostis gaas ja vesi, poorse keskkonna omadused jne.
Gaashüdraadid looduses
Enamik maagaase (CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, CO 2, N 2, H 2 S, isobutaan jne) moodustavad hüdraate, mis eksisteerivad teatud termobaarilistes tingimustes. Nende olemasolu piirdub merepõhjasetete ja igikeltsa aladega. Valdavad maagaasi hüdraadid on metaan ja süsinikdioksiidhüdraadid.
Gaasi tootmisel võivad puurkaevudes, tööstuslikes kommunikatsioonides ja magistraalgaasitorustikes tekkida hüdraate. Torude seintele ladestuvad hüdraadid vähendavad järsult nende läbilaskevõimet. Gaasiväljades hüdraatide moodustumise vastu võitlemiseks viiakse kaevudesse ja torustikesse erinevaid inhibiitoreid (metüülalkohol, glükoolid, 30% CaCl 2 lahus) ning gaasivoolu temperatuur hoitakse küttekehade, termiliste küttekehade abil hüdraatide moodustumise temperatuurist kõrgemal. torustike isoleerimine ja töörežiimi valimine, mis tagab gaasivoo maksimaalse temperatuuri. Hüdraatide tekke vältimiseks magistraalgaasitorustikes on gaasi kuivatamine kõige tõhusam - gaasi puhastamine veeaurust.
Teaduslikud uuringud
Viimastel aastatel on huvi gaasihüdraatide probleemi vastu kogu maailmas märkimisväärselt kasvanud. Teadustegevuse kasvu selgitavad järgmised peamised tegurid:
- süsivesinike tooraine alternatiivsete allikate otsimise tõhustamine riikides, kus energiaressursse pole, kuna gaasihüdraadid on ebatavaline süsivesinike tooraine allikas, mille pilootarendus võib alata lähiaastatel;
- vajadus hinnata gaasihüdraatide rolli geosfääri maapinnalähedastes kihtides, eriti seoses nende võimaliku mõjuga globaalsetele kliimamuutustele;
- maapõues gaasihüdraatide tekke- ja lagunemismustrite uurimine üldteoreetiliselt, et põhjendada traditsiooniliste süsivesiniku leiukohtade otsimist ja uurimist (looduslikud hüdraatide esinemised võivad olla markeriteks sügavamatele konventsionaalsetele nafta- ja gaasimaardlatele);
- rasketes looduslikes tingimustes (süvavee šelf, polaaralad) paiknevate süsivesinike maardlate aktiivne arendamine, kus süveneb tehnogeensete gaasihüdraatide probleem;
- tegevuskulude vähendamise otstarbekus, et vältida hüdraadi moodustumist väligaasi tootmissüsteemides üleminekuga energiaressursse säästvatele ja keskkonnasõbralikele tehnoloogiatele;
- gaasihüdraadi tehnoloogiate kasutamise võimalus maagaasi arendamisel, ladustamisel ja transportimisel.
Viimastel aastatel (pärast 2003. aasta kohtumist OAO Gazpromis) jätkus hüdraatide uurimine Venemaal 2003. aastal. erinevad organisatsioonid nii riigieelarvelise rahastamise kaudu (Venemaa Teaduste Akadeemia Siberi osakonna kaks integratsiooniprojekti, Venemaa Alusuuringute Fondi väiketoetused, Tjumeni kuberneri toetus, Vene Föderatsiooni kõrgharidusministeeriumi toetus ), ning rahvusvaheliste fondide toetuste kaudu - INTAS, SRDF, UNESCO ("ujuva ülikooli" programmi järgi - UNESCO egiidi all toimuvad mereekspeditsioonid loosungiga Training Through Research - koolitus läbi uurimistöö), KOMEKS (Kurele-Okhosk-Marine Eksperiment), CHAO (süsiniku-hüdraadi kogunemine Okhotski meres) jne.
Aastatel 2002-2004 OOO Gazprom VNIIGAZ ja OAO Promgaz jätkasid väikesemahulise rahastamisega ebakonventsionaalsete süsivesinike allikate, sealhulgas gaasihüdraatide uuringuid (võttes arvesse OAO Gazpromi ärihuve). Praegu tehakse gaasihüdraatide uuringuid OAO Gazpromis (peamiselt OOO Gazprom VNIIGAZis), Venemaa Teaduste Akadeemia instituutides ja ülikoolides.
Gaasihüdraatide geoloogiliste ja tehnoloogiliste probleemide uuringuid alustasid 60ndate keskel VNIIGAZi spetsialistid. Algul tõstatati ja lahendati hüdraatide tekke vältimise tehnoloogilisi küsimusi, seejärel teemad järk-järgult laienesid: huviorbiiti võeti hüdraatide tekke kineetilised aspektid, seejärel pöörati märkimisväärset tähelepanu geoloogilistele aspektidele, eelkõige hüdraatide tekkevõimalustele. gaashüdraadi lademete olemasolu ja nende tekke teoreetilised probleemid.
Gaashüdraatide geoloogilised uuringud
Hüdraatide moodustumise termodünaamika uurimise järgmine etapp on seotud hiiglaslike põhjamaardlate - Urengoyskoje ja Yamburgskoje - arenguga. Hüdraatide moodustumise vältimise meetodite täiustamiseks seoses kondensaati sisaldavate gaaside kogumise ja välitöötlemise süsteemidega oli vaja eksperimentaalseid andmeid hüdraadi moodustumise tingimuste kohta kõrge kontsentratsiooniga metanoolilahustes paljudes temperatuuride ja rõhkude vahemikus. Eksperimentaalsete uuringute käigus (V. A. Istomin, D. Yu. Stupin jt) ilmnesid tõsised metodoloogilised raskused representatiivsete andmete saamisel temperatuuril alla miinus 20 °C. Sel põhjusel on see välja töötatud uus tehnika mitmekomponentsete gaasisegude gaasihüdraatide faasitasakaalu uuringud soojusvoogude registreerimisega hüdraadikambris ja samal ajal leiti gaasihüdraatide metastabiilsete vormide olemasolu (nende moodustumise etapis), mida kinnitasid hilisemad välisautorite uuringud. Uute katse- ja väliandmete (nii kodumaiste kui ka välismaiste) analüüs ja üldistamine võimaldas välja töötada (V. A. Istomin, V. G. Kvon, A. G. Burmistrov, V. P. Lakeev) juhised hüdraadi moodustumise inhibiitorite optimaalseks tarbimiseks (1987).
Gaashüdraadi tehnoloogiate rakendamise väljavaated tööstuses
Tehnoloogilised ettepanekud maagaasi hoidmiseks ja transportimiseks hüdraatunud olekus ilmusid 20. sajandi 40ndatel. Gaasihüdraatide omadus suhteliselt madalal rõhul kontsentreerida märkimisväärses koguses gaasi on spetsialistide tähelepanu pälvinud juba pikka aega. Esialgsed majandusarvutused näitasid, et hüdraaditud olekus gaasi meretransport on kõige efektiivsem ning täiendava majandusliku efekti saab saavutada transporditava gaasi ja hüdraadi lagunemisel (tekke käigus) järelejäänud puhta vee samaaegsel müügil tarbijatele. gaasihüdraatidest puhastatakse vesi lisanditest). Praegu kaalutakse tasakaalutingimustes hüdraatunud maagaasi meretranspordi kontseptsioone, eriti kui kavandatakse tarbijast kaugemal asuvate süvamere gaasi (sh hüdraadi) maardlate arendamist.
Viimastel aastatel on aga hakatud üha enam tähelepanu pöörama hüdraatide transpordile mittetasakaalustes tingimustes (atmosfäärirõhul). Teine aspekt gaasihüdraadi tehnoloogiate rakendamisel on võimalus korraldada gaashüdraadi gaasihoidlaid tasakaalutingimustes (rõhu all) suurte gaasitarbijate läheduses. See on tingitud hüdraatide võimest kontsentreerida gaasi suhteliselt madalal rõhul. Näiteks temperatuuril +4 °C ja rõhul 40 atm vastab metaani kontsentratsioon hüdraadis rõhule 15-16 MPa (150-160 atm).
Aleksei Štšebetov, Venemaa Riiklik Nafta- ja Gaasiülikool. I.M. Gubkin Aleksei Štšebetov, Venemaa Riiklik Nafta- ja Gaasiülikool, mis sai nime I.M. IM Gubkina Gaasihüdraadiväljadel on teiste tavatute gaasiallikatega võrreldes suurim potentsiaal. Tänapäeval on hüdraatidest toodetud gaasi maksumus võrreldamatu traditsioonilistest gaasiväljadest toodetud gaasi omaga.
Aleksei Štšebetov, Venemaa Riiklik Nafta- ja Gaasiülikool. I. M. Gubkina
Aleksei Štšebetov, Venemaa Riiklik Nafta- ja Gaasiülikool. I. M. Gubkina
Gaasihüdraadiväljadel on teiste tavatute gaasiallikatega võrreldes suurim potentsiaal. Tänapäeval on hüdraatidest toodetud gaasi maksumus võrreldamatu traditsioonilistest gaasiväljadest toodetud gaasi omaga. Siiski on üsna alus arvata, et lähitulevikus suudab gaasitootmise tehnoloogiate areng tagada gaasihüdraadimaardlate arendamise majandusliku otstarbekuse. Tuginedes tüüpiliste gaashüdraadimaardlate esinemise geoloogiliste tingimuste analüüsile ja numbrilise modelleerimise tulemustele, hindas autor hüdraatidest gaasi tootmise väljavaateid.
Gaasihüdraadid on gaasi- ja veemolekulide tahked ühendid, mis eksisteerivad teatud rõhkude ja temperatuuride juures. Üks kuupmeeter looduslikku hüdraati sisaldab kuni 180 m3 gaasi ja 0,78 m3 vett. Kui varem uuriti hüdraate maagaasi tootmise ja transpordi tehnoloogiliste komplikatsioonide seisukohast, siis maagaasi hüdraatide maardlate avastamisest alates on neid peetud kõige perspektiivikamaks energiaallikaks. Praegu on teada üle kahesaja gaasihüdraadi leiukoha, millest enamik asub merepõhjas. Viimaste hinnangute kohaselt on maagaasi hüdraatide maardlatesse koondunud 10-1000 triljonit m3 metaani, mis on võrdeline traditsioonilise gaasi varudega. Seetõttu on paljude riikide (eriti gaasiimportivate riikide: USA, Jaapan, Hiina, Taiwan) soov seda ressurssi arendada igati mõistetav. Kuid vaatamata hiljutistele edusammudele uuringute puurimisel ja hüdraatide eksperimentaalsetel uuringutel poorses keskkonnas, jääb küsimus majanduslikult elujõulise meetodi kohta gaasi eraldamiseks hüdraatidest lahtiseks ja vajab täiendavat uurimist.
Gaashüdraadi ladestused
Esimene mainimine gaasihüdraatide suurtest kogunemistest on seotud Messoyakha väljaga, mis avastati 1972. aastal Lääne-Siberis. Selle valdkonna arengu analüüsiga on kaasatud palju teadlasi, teadusartikleid on avaldatud üle saja. Töö kohaselt eeldatakse looduslike hüdraatide olemasolu Messoyakha põllu produktiivse osa ülemises osas. Samas tuleb tähele panna, et otseseid uuringuid maardla hüdraadisisalduse kohta (südamiku proovide võtmine) ei ole tehtud ning märgid, mille järgi hüdraate on tuvastatud, on kaudsed ja võimaldavad erinevaid tõlgendusi.
Seetõttu pole Messoyakha maardla hüdraadisisalduse osas siiani üksmeelt saavutatud.
Sellega seoses on kõige indikatiivsem näide veel üks oletatav hüdraate kandev piirkond - Alaska (USA) põhjanõlv. Pikka aega arvati, et sellel alal on hüdraatunud olekus märkimisväärsed gaasivarud. Seega väideti, et Prudhoe lahe ja Kiparuki jõe naftaväljade piirkonnas on kuus hüdraadiga küllastunud veehoidlat, mille varud on 1,0–1,2 triljonit m3. Hüdraadisisalduse oletus põhines kaevude katsetamise tulemustel hüdraadi esinemise tõenäolises intervallis (neid intervalle iseloomustasid äärmiselt madalad gaasivoolukiirused) ja geofüüsikaliste andmete tõlgendamisel.
2002. aasta lõpus korraldas Anadarko koos USA energeetikaministeeriumiga uuringukaevu Hot Ice No. 1 (HOT ICE #1) puurimise, et uurida hüdraatide esinemistingimusi Alaskal ja hinnata nende ressursse. . 2004. aasta alguses valmis puurkaev sihtsügavusel 792 m. Vaatamata mitmetele kaudsetele hüdraatide esinemise tunnustele (geofüüsikaliste uuringute ja seismiliste uuringute andmed), samuti soodsatele termobaartingimustele, hüdraate siiski ei leitud. ekstraheeritud tuumades. See kinnitab veel kord teesi, et ainus usaldusväärne viis hüdraadiladestuste tuvastamiseks on uurimuslik puurimine koos südamiku proovide võtmisega.
Hetkel vaid kaks looduslike hüdraatide ladestumist, mis pakuvad kõige suuremat huvi tööstuse areng: Mallik - Mackenzie deltas Loode-Kanadas ja Nankai - Jaapani avamere.
Malliku hoius
Looduslike hüdraatide olemasolu kinnitati uurimiskaevu puurimisega 1998. aastal ja kolme kaevu puurimisega 2002. aastal. Sellel põllul viidi edukalt läbi välikatsed gaasi tootmiseks hüdraadiga küllastunud intervallidest. On põhjust arvata, et see nii on iseloomulik tüüp tulevikus avastatakse kontinentaalseid hüdraadimaardlaid.
Geofüüsikaliste uuringute ja südamiku materjali uurimise põhjal tuvastati kolm hüdraati kandvat moodustist (A, B, C) kogupaksusega 130 m intervalliga 890-1108 m. igikeltsa selle paksus on umbes 610 m ja hüdraadi stabiilsustsoon (HZZ) (st intervall, kus termobaarsed tingimused vastavad hüdraadi stabiilsuse tingimustele) ulatub 225–1100 m. lõiketemperatuuri muutused (vt joonis 1) . Ülemine lõikepunkt on SGI ülemine piir ja alumine punkt on vastavalt SGI alumine piir. Tasakaalutemperatuur, mis vastab hüdraadi stabiilsustsooni alumisele piirile, on 12,2 °C.
Veehoidla A asub vahemikus 892–930 m, kus eristub eraldi hüdraadiga küllastunud liivakivi vahekiht (907–930 m). Geofüüsika järgi varieerub hüdraadi küllastus 50–85%, ülejäänud pooride ruumi hõivab vesi. Poorsus on 32-38%. Moodustise A ülemine osa koosneb liivasest mudast ja õhukestest liivakivi vahekihtidest, mille hüdraatküllastus on 40-75%. Pinnale tõstetud südamike visuaalne kontroll näitas, et hüdraat hõivab peamiselt teradevahelise pooriruumi. See intervall on kõige külmem: hüdraadi moodustumise tasakaalutemperatuuri ja reservuaari temperatuuri erinevus ületab 4 °C.
Hüdraadikiht B (942-992 m) koosneb mitmest 5-10 m paksusest liivavahekihist, mida eraldavad õhukesed (0,5-1 m) hüdraadivaba savi vahekihid. Küllastus hüdraatidega varieerub laias vahemikus 40 kuni 80%. Poorsus varieerub vahemikus 30 kuni 40%. Poorsuse ja hüdraadiküllastuse muutuste lai valik on seletatav kihistu kihilise struktuuriga. Hüdraadikihti B katab 10 m paksune põhjaveekiht.
Veehoidla C (1070–1107 m) koosneb kahest vahekihist, mille hüdraatküllastus jääb vahemikku 80–90% ja on tasakaalulähedastes tingimustes. Mahuti C põhi langeb kokku hüdraadi stabiilsustsooni alumise piiriga. Intervalli poorsus on 30-40%.
Hüdraadi stabiilsusvööndi all on gaasi-vee üleminekutsoon paksusega 1,4 m. üleminekutsoon järgneb 15 m paksune põhjaveekiht.
Vastavalt tulemustele laboriuuringud leiti, et hüdraat koosneb metaanist (98% või rohkem). Südamiku materjali uurimine näitas, et hüdraatide puudumisel on poorsel keskkonnal kõrge läbilaskvus (100–1000 mD) ja 80% hüdraatidega küllastudes langeb kivimi läbilaskvus 0,01–0,1 mD-ni.
Gaasivarude tihedus hüdraatides puuritud uuringukaevude lähedal oli 4,15 miljardit m3 1 km2 kohta ja kogu maa varude tihedus 110 miljardit m3.
Nankai väli
Jaapani riiulil on aktiivset uurimistööd tehtud juba mitu aastat. Esimesed kuus puurauku, mis puuriti aastatel 1999–2000, tõestasid kolme hüdraadi vahekihi olemasolu kogupaksusega 16 m vahemikus 1135–1213 m merepinnast (290 m allpool merepõhja). Kivimid on peamiselt liivakivid, mille poorsus on 36% ja küllastus hüdraatidega umbes 80%.
2004. aastal puuriti juba 32 kaevu meresügavuses 720–2033 m. Eraldi tuleb märkida vertikaalsete ja horisontaalsete (horisontaalse puurkaevuga 100 m) kaevude edukat valmimist nõrgalt stabiilsetes hüdraatkoosseisudes mere sügavusel 991 m. Nankai välja arendamise järgmine etapp on 2007. aastal nendest kaevudest katseline gaasitootmine. K tööstuse areng Nankai väli peaks algama 2017. aastal.
Hüdraatide kogumaht võrdub puurkaevude piirkonnas 756 miljoni m3 gaasiga 1 km2 ala kohta. Üldiselt võivad Jaapani mere šelfi hüdraatide gaasivarud ulatuda 4 triljonist kuni 20 triljonini m3.
Hüdraadimaardlad Venemaal
Venemaa gaasihüdraatide otsimise peamised suunad on nüüd koondunud Okhotski merele ja Baikali järvele. Suurimad väljavaated kaubanduslike varudega hüdraadimaardlate avastamiseks on aga seotud Vostochno-Messoyakhskoje väljaga Lääne-Siberis. Geoloogilise ja geofüüsikalise teabe analüüsi põhjal tehti ettepanek, et Gazsalinsky üksus on hüdraatide tekkeks soodsates tingimustes. Eelkõige on gaasihüdraadi stabiilsustsooni alumine piir ligikaudu 715 m sügavusel, s.o. Gazsalinsky liikme ülemine osa (ja mõnes piirkonnas kogu liige) on gaasihüdraatide olemasoluks soodsates termobaarilistes tingimustes. Kaevude testimine ei andnud tulemusi, kuigi seda intervalli iseloomustab raie kui produktiivne, mis on seletatav kivimite läbilaskvuse vähenemisega gaasihüdraatide olemasolu tõttu. Hüdraatide võimaliku olemasolu kasuks räägib asjaolu, et Gazsalinsky üksus on produktiivne ka teistel läheduses asuvatel põldudel. Seetõttu, nagu eespool märgitud, on vaja puurida südamikuga uurimiskaev. Positiivsete tulemuste korral avastatakse gaashüdraadi ladestus, mille varud on ~500 miljardit kuupmeetrit.
Analüüs võimalikud tehnoloogiad gaashüdraadi ladestuste areng
Gaashüdraadi maardlate arendamise tehnoloogia valik sõltub esinemise konkreetsetest geoloogilistest ja füüsikalistest tingimustest. Praegu vaadeldakse ainult kolme peamist meetodit gaasi sissevoolu esilekutsumiseks hüdraadireservuaarist: rõhu langetamine alla tasakaalurõhu, hüdraati kandvate kivimite kuumutamine üle tasakaalutemperatuuri ja mõlema kombinatsioon (vt joonis 2). Tuntud meetod hüdraatide lagundamiseks, kasutades inhibiitoreid, ei ole tõenäoliselt vastuvõetav inhibiitorite kõrge hinna tõttu. Teisi kavandatud stimulatsioonimeetodeid, eriti elektromagnetilist, akustilist ja süsinikdioksiidi süstimist reservuaari, on eksperimentaalselt veel vähe uuritud.
Vaatleme hüdraatidest gaasi tootmise väljavaateid, kasutades näidet gaasi sissevoolu probleemist vertikaalsesse kaevu, mis on täielikult läbinud hüdraadiga küllastunud reservuaari. Siis on võrrandisüsteem, mis kirjeldab hüdraadi lagunemist poorses keskkonnas, järgmine:
a) gaasi ja vee massi jäävuse seadus:
kus P - rõhk, T - temperatuur, S - küllastus veega, v - küllastus hüdraadiga, z - ülikokkusurutavuse koefitsient; r - radiaalne koordinaat; t - aeg; m - poorsus, g, w, h - vastavalt gaasi, vee ja hüdraadi tihedus; k(v) on poorse keskkonna läbilaskvus hüdraatide juuresolekul; fg(S), fw(S) - suhtelise faasiläbilaskvuse funktsioonid gaasi ja vee jaoks; g, w on gaasi ja vee viskoossused; - gaasi massisisaldus hüdraadis;
b) energiasäästu võrrand:
kus Ce on kivimi ja põhivedelike soojusmahtuvus; cg, cw on vastavalt gaasi ja vee soojusmahtuvus; H on hüdraadi faasisiirdesoojus; - diferentsiaalne adiabaatiline koefitsient; - drosselkoefitsient (Joule-Thomsoni koefitsient); e on kivimi ja põhivedelike soojusjuhtivus.
Igas moodustumise punktis peab olema täidetud termodünaamilise tasakaalu tingimus:
T = Aln P + B, (3)
kus A ja B on empiirilised koefitsiendid.
Kivimi läbilaskvuse sõltuvust hüdraatide küllastumisest kujutatakse tavaliselt võimsussõltuvusena:
k (v) = k0 (1 - v)N, (4)
kus k0 on poorse keskkonna absoluutne läbilaskvus hüdraatide puudumisel; N on konstant, mis iseloomustab läbilaskvuse halvenemise astet hüdraadi küllastumise suurenemisega.
Algsel ajahetkel on homogeenses ja ühikulise paksusega reservuaaris rõhk Р0, temperatuur Т0 ja küllastus hüdraatidega v0. Rõhu vähendamise meetodit modelleeriti kaevu konstantse vooluhulga määramisega ja termilist meetodit konstantse võimsusega soojusallikaga. Vastavalt sellele määrati kombineeritud meetodil konstantne gaasivoolu kiirus ja hüdraatide stabiilseks lagunemiseks vajalik soojusallika võimsus.
Hüdraatidest gaasi tootmise modelleerimisel vaadeldavate meetoditega võeti arvesse järgmisi piiranguid. Mahuti algtemperatuuril 10°C ja rõhul 5,74 MPa on Joule-Thomsoni koefitsient 3-4 kraadi 1 MPa tühjendamise kohta. Seega võib 3-4 MPa nõrgenemise korral põhjaaugu temperatuur ulatuda vee külmumispunktini. Teadaolevalt ei vähenda vee külmumine kivis mitte ainult põhjaaugu tsooni läbilaskvust, vaid toob kaasa ka katastroofilisemad tagajärjed - mantelnööride kokkuvarisemine, reservuaari hävimine jne. Seetõttu eeldati rõhu vähendamise meetodi puhul, et kaevu 100 päeva töötamise ajal ei tohiks põhjaaugu temperatuur langeda alla 0 °C. Termilise meetodi puhul on piiranguks kaevu seina ja küttekeha enda temperatuuri tõus. Seetõttu eeldati arvutustes, et 100 päeva kaevu töötamise korral ei tohiks põhjaaugu temperatuur ületada 110°C. Kombineeritud meetodi modelleerimisel võeti arvesse mõlemat piirangut.
Meetodite tõhusust võrreldi vertikaalse kaevu maksimaalse voolukiirusega, mis läbis täielikult ühe paksusega gaasihüdraadi reservuaari, võttes arvesse ülalmainitud piiranguid. Soojus- ja kombineeritud meetodite puhul võeti energiakulud arvesse, lahutades voolukiirusest vajaliku soojuse saamiseks vajaliku gaasi koguse (eeldusel, et soojus tekib osa toodetud metaani põletamisel):
Q* = Q - E/q, (5)
kus Q - gaasi voolukiirus põhjaaugus, m3/ööpäevas; E - toodud põhja soojusenergia, J/päev; q on metaani põlemissoojus (33.28.106), J/m3.
Arvutused viidi läbi järgmiste parameetritega: P0 = 5,74 MPa; T0 = 283 K; S = 0,20; m = 0,35; h = 910 kg/m3, w = 1000 kg/m3; k0 = 0,1 µm2; N = 1 (koefitsient valemis (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). Arvutustulemused on kokku võetud tabelis. üks.
Nende arvutustulemuste analüüs näitab, et rõhu vähendamise meetod sobib hüdraatmoodustistele, kus hüdraadi küllastus on madal ja gaas või vesi ei ole kaotanud oma liikuvust. Loomulikult langeb selle meetodi efektiivsus järsult hüdraadi küllastumise suurenemisega (ja seega ka läbilaskvuse vähenemisega vastavalt võrrandile (4)). Seega, kui pooride küllastumine hüdraatidega on üle 80%, on peaaegu võimatu saada hüdraatidest sissevoolu, vähendades ava põhjarõhku.
Veel üks rõhu vähendamise meetodi puudus on seotud Joule-Thomsoni efekti tõttu tekkiva tehnogeense hüdraatide moodustumisega põhjaaugu tsoonis. Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud gaasihüdraadi reservuaari tunginud vertikaalsesse kaevu gaasi sissevoolu probleemi lahendamise tulemusena saadud vee ja hüdraadi küllastuse jaotus. Sellel joonisel on selgelt näha hüdraadi ebaolulise lagunemise tsoon (I), sekundaarse hüdraadi moodustumise tsoon (II) ja ainult gaasi filtreerimise tsoon (III), kuna selles tsoonis on kogu vaba vesi muutunud hüdraadiks.
Seega on hüdraadiladestuste teke rõhu alandamise teel võimalik ainult inhibiitorite süstimisega põhjaaugu tsooni, mis tõstab oluliselt toodetava gaasi maksumust.
Termiline meetod gaasihüdraadi ladestumise arendamiseks sobib moodustiste puhul, mille poorides on kõrge hüdraatide sisaldus. Kuid nagu arvutustulemused näitavad, on termiline efekt läbi põhjaaugu ebaefektiivne. See on tingitud asjaolust, et hüdraatide lagunemisprotsessiga kaasneb soojuse neeldumine kõrge erientalpiaga 0,5 MJ/kg (näiteks: jää sulamissoojus on 0,34 MJ/kg). Kuna lagunemise front eemaldub kaevu põhjast, kulub üha rohkem energiat peremeeskivimite ja kihistu katuse soojendamiseks, mistõttu arvutatakse kaevu põhja kaudu hüdraatidele termilise mõju tsoon esimeses. meetrit. Joonisel fig. Joonisel 4 on kujutatud hüdraatidega täielikult küllastunud reservuaari sulatamise dünaamikat. Sellelt jooniselt on näha, et 100 päeva pideva kuumutamise korral toimub hüdraatide lagunemine kaevu seinast vaid 3,5 meetri raadiuses.
Kombineeritud meetodil on suurimad väljavaated, mis seisneb samaaegses rõhu vähendamises ja kaevu soojusvarustuses. Veelgi enam, hüdraadi peamine lagunemine toimub rõhu languse tõttu ja põhjaauku juhitav soojus võimaldab vähendada sekundaarse hüdraadi moodustumise tsooni, millel on positiivne mõju voolukiirusele. Kombineeritud meetodi (nagu ka termilise) miinuseks on toodetud vee suur hulk (vt tabel 1).
Järeldus
Seega, kl kaasaegne tase nafta- ja gaasitehnoloogiate puhul on raske eeldada, et hüdraatidest toodetava gaasi hind on võrreldav traditsiooniliste gaasimaardlate omaga. See on tingitud suurtest probleemidest ja raskustest, millega arendajad ja teadlased silmitsi seisavad. Kuid isegi praegu saab gaasihüdraate võrrelda teise ebatavalise gaasiallika - söekihi metaaniga. Kakskümmend aastat tagasi usuti, et söeväljadelt metaani ammutamine on tehniliselt keeruline ja kahjumlik. Nüüd toodetakse ainult USA-s enam kui 10 tuhandest puurkaevust umbes 45 miljardit m3 aastas, mis saavutati nafta- ja gaasiteaduse arendamise ning uusimate gaasitootmistehnoloogiate loomisega. Analoogiliselt kivisöe metaaniga võime järeldada (vt tabel 2), et gaasi tootmine hüdraatidest võib olla üsna tulus ja see algab lähitulevikus.
Kirjandus
1. Lerche Ian. Hinnangud ülemaailmsete gaasihüdraadiressursside kohta. OTC 13036 paber, esitleti 2001. aasta avameretehnoloogia konverentsil Houstonis, Texases, 30. aprillist 3. maini 2001.
2. Makogon, Y.F., Holditch, S.A., Makogon T.Y. Venemaa põld illustreerib gaasihüdraadi tootmist. Oil&Gas Journal, 7. veebruar 2005, kd. 103,5, lk. 43-47.
3. Ginsburg G.D., Novožilov A.A. Hüdraatidest Messoyakha välja soolestikus.// Gaasitööstus, 1997, nr 2.
4. Collett, T.S. Prudhoe lahe ja Kuparuki jõe piirkonna maagaashüdraadid, North Slope, Alaska: AAPG Bull., Vol. 77, nr. 5, 1993, lk. 793-812.
5. Ali G. Kadaster, Keith K. Millheim, Tommy W. Thompson. Kuuma jää nr 1 – gaasihüdraadi uurimiskaevu planeerimine ja puurimine Alaska Arktikas. Paber SPE/IADC 92764, mida esitleti 23.–25. veebruaril 2005 Hollandis Amsterdamis toimunud SPE/IADC puurimiskonverentsil.
6. Dallimore, S., Collett, T., Uchida, T. Teaduslikud tulemused JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 Gas Hydrate Research Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Kanada. Geological Survey of Canada, Bulletin 544, 1999, lk. 403.
7. Takahashi, H., Yonezawa, T., Takedomi, Y. Loodusliku hüdraadi uurimine Nankai-Trough Wellsi avamere Jaapanis. Ettekanne 2001. aasta avameretehnoloogia konverentsil Houstonis, Texases, 30. aprillist 3. maini 2001. OTC 13040.
8. Takahashi, H., Tsuji, Y. Jaapan uurib hüdraate Nankai lohus. Oil&Gas Journal, 5. september 2005, kd. 103.33, lk. 48-53.
9. Takahashi, H., Tsuji, Y. Jaapan puurib, logib Nankai süvendis gaasihüdraadi puurkaevu. Oil&Gas Journal, 12. september 2005, kd. 103.34, lk. 37-42,
10. Solovjov V.A. Maailma ookeani soolestiku gaashüdraadi sisaldus// "Gaasitööstus", 2001, nr 12.
11. Agalakov S.E. Gaasihüdraadid Turoni maardlates Lääne-Siberi põhjaosas// "Nafta ja gaasi geoloogia", 1997, nr 3.
Gaashüdraadid (ka maagaasi hüdraadid või klatraadid) on kristalsed ühendid, mis moodustuvad teatud termobaarsetes tingimustes veest ja gaasist. Nime "klatraatid" (ladina keelest clathratus - "puuri panema") andis Powell 1948. aastal. Gaashüdraadid on mittestöhhiomeetrilised ühendid, see tähendab muutuva koostisega ühendid.
Esimest korda vaatlesid gaasihüdraate (vääveldioksiid ja kloor) 18. sajandi lõpus J. Priestley, B. Peletier ja W. Karsten. Esimesed gaasihüdraatide kirjeldused andis G. Davy 1810. aastal (kloorhüdraat). 1823. aastal tegi Faraday ligikaudu kindlaks kloorhüdraadi koostise, 1829. aastal avastas Levitt broomhüdraadi ja 1840. aastal sai Wöhler H2S-hüdraadi. 1888. aastaks sai P. Villard CH4, C2H6, C2H4, C2H2 ja N2O hüdraate.
1940. aastatel esitasid nõukogude teadlased hüpoteesi gaasihüdraadi lademete olemasolu kohta igikeltsa tsoonis (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). 1960. aastatel avastasid nad ka esimesed gaasihüdraatide lademed NSV Liidu põhjaosas, samal ajal leiab laboratoorse kinnituse hüdraatide tekke ja olemasolu võimalus looduslikes tingimustes (Makogon).
Sellest ajast peale on gaasihüdraate peetud potentsiaalseks kütuseallikaks.
Erinevate hinnangute kohaselt on süsivesinike varud hüdraatides vahemikus 1,8 × 10 ^ 14 kuni 7, 6 × 10 ^ 18 m³.
Selgub nende laialdane levik mandrite ookeanides ja igikeltsas, ebastabiilsus temperatuuri tõustes ja rõhu languses.
1969. aastal algas Siberis Messoyakha välja arendamine, kus arvatakse, et esmakordselt oli võimalik (puhtjuhuslikult) ammutada maagaasi otse hüdraatidest (1990. aasta seisuga kuni 36% kogutoodangust)
Gaashüdraadid looduses
Enamik maagaase (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, isobutaan jne) moodustavad hüdraate, mis eksisteerivad teatud termobaarilistes tingimustes. Nende olemasolu piirdub merepõhjasetete ja igikeltsa aladega. Valdavad maagaasi hüdraadid on metaan ja süsinikdioksiidhüdraadid.
Gaasi tootmisel võivad puurkaevudes, tööstuslikes kommunikatsioonides ja magistraalgaasitorustikes tekkida hüdraate. Torude seintele ladestuvad hüdraadid vähendavad järsult nende läbilaskevõimet. Gaasiväljades hüdraatide moodustumise vastu võitlemiseks viiakse kaevudesse ja torustikesse erinevaid inhibiitoreid (metüülalkohol, glükoolid, 30% CaCl2 lahus) ning gaasivoolu temperatuuri hoitakse küttekehade, soojusisolatsiooni abil hüdraadi moodustumise temperatuurist kõrgemal. torustike ja töörežiimi valimine, mis tagab gaasivoo maksimaalse temperatuuri. Hüdraatide tekke vältimiseks magistraalgaasitorustikes on gaasi kuivatamine kõige tõhusam - gaasi puhastamine veeaurust.
Maagaasihüdraatidega seotud probleemid ja väljavaated
Lääne-Siberi põhjaosa maardlate areng seisis algusest peale silmitsi gaasiheitmete probleemiga igikeltsa tsooni madalatest intervallidest. Need heited tekkisid ootamatult ja põhjustasid kaevude sulgemise ja isegi tulekahjusid. Kuna puhumised toimusid sügavusvahemikust gaasihüdraadi stabiilsustsoonist kõrgemal, seletati neid pikka aega gaasivoogudega sügavamatest produktiivsetest horisontidest läbi läbilaskvate tsoonide ja külgnevate ebakvaliteetse korpusega kaevude. 1980. aastate lõpus õnnestus Yamburgsky GCF igikeltsa tsoonist pärit külmutatud südamiku eksperimentaalse modelleerimise ja laboratoorsete uuringute põhjal välja selgitada hajutatud jäänuste (koipallide) hüdraatide jaotus kvaternaari ladestutes. Need hüdraadid koos lokaalse mikroobse gaasi kogunemisega võivad moodustada gaasi kandvaid vahekihte, millest puurimisel tekivad väljapuhumised. Reliktsete hüdraatide esinemist igikeltsa tsooni madalates kihtides kinnitasid sarnased uuringud Põhja-Kanadas ja Bovanenkovo gaasikondensaadivälja piirkonnas. Seega on tekkinud ideed uut tüüpi gaasimaardlate kohta - igikeltsa metastabiilsete gaas-gaashüdraadi ladestuste kohta, mis, nagu näitasid Bovanenkovo gaasikondensaadivälja igikeltsa kaevude katsed, ei ole mitte ainult komplitseeriv tegur, vaid ka teatud ressursibaas kohalikuks gaasivarustuseks.
Permafrosti ladestused sisaldavad vaid tähtsusetu osa gaasiressurssidest, mis on seotud maagaasihüdraatidega. Põhiosa ressurssidest on piiratud gaasihüdraatide stabiilsustsooniga – selle sügavuste intervalliga (tavaliselt mõnisada meetrit), kus toimuvad hüdraatide moodustumise termodünaamilised tingimused. Lääne-Siberi põhjaosas on see sügavusvahemik 250-800 m, meredes - põhjapinnast kuni 300-400 m, eriti sügavatel šelfi aladel ja mandri nõlval kuni 500-600 m allpool. põhja. Just nendel ajavahemikel avastati suurem osa maagaasihüdraate.
Maagaasihüdraatide uurimisel selgus, et hüdraate sisaldavaid ladestusi ei ole võimalik eristada külmunud tänapäevaste väli- ja puuraukude geofüüsika vahenditega. Külmunud kivimite omadused on peaaegu täielikult sarnased hüdraati sisaldavate kivimite omadustega. Teatud teavet gaasihüdraatide olemasolu kohta saab anda tuumamagnetresonantsi logimisseade, kuid see on väga kallis ja seda kasutatakse geoloogilises uuringus äärmiselt harva. Peamiseks hüdraatide esinemise indikaatoriks setetes on põhiuuringud, kus hüdraadid on kas visuaalsel vaatlusel nähtavad või määratakse gaasi erisisalduse mõõtmise teel sulatamise ajal.
Gaashüdraadi tehnoloogiate rakendamise väljavaated tööstuses
Tehnoloogilised ettepanekud maagaasi hoidmiseks ja transportimiseks hüdraatunud olekus ilmusid 20. sajandi 40ndatel. Gaasihüdraatide omadus suhteliselt madalal rõhul kontsentreerida märkimisväärses koguses gaasi on spetsialistide tähelepanu pälvinud juba pikka aega. Esialgsed majandusarvutused näitasid, et hüdraaditud olekus gaasi meretransport on kõige efektiivsem ning täiendava majandusliku efekti saab saavutada transporditava gaasi ja hüdraadi lagunemisel (tekke käigus) järelejäänud puhta vee samaaegsel müügil tarbijatele. gaasihüdraatidest puhastatakse vesi lisanditest). Praegu kaalutakse tasakaalutingimustes hüdraatunud maagaasi meretranspordi kontseptsioone, eriti kui kavandatakse tarbijast kaugemal asuvate süvamere gaasi (sh hüdraadi) maardlate arendamist.
Viimastel aastatel on aga hakatud üha enam tähelepanu pöörama hüdraatide transpordile mittetasakaalustes tingimustes (atmosfäärirõhul). Teine aspekt gaasihüdraadi tehnoloogiate rakendamisel on võimalus korraldada gaashüdraadi gaasihoidlaid tasakaalutingimustes (rõhu all) suurte gaasitarbijate läheduses. See on tingitud hüdraatide võimest kontsentreerida gaasi suhteliselt madalal rõhul. Näiteks temperatuuril +4 °C ja rõhul 40 atm vastab metaani kontsentratsioon hüdraadis rõhule 15-16 MPa.
Sellise hoidla ehitamine pole keeruline: hoidla on süvendisse või angaari asetatud ja gaasitoruga ühendatud gaasimahutite aku. Kevad-suvisel perioodil täidetakse hoidla hüdraate moodustava gaasiga, sügis-talvisel perioodil eraldub madala potentsiaaliga soojusallika abil hüdraatide lagunemisel gaasi. Selliste hoidlate rajamine soojus- ja elektrijaamade lähedusse võib oluliselt tasandada gaasitootmise hooajalisi kõikumisi ning kujutada endast mitmel juhul reaalset alternatiivi UGS-i rajatiste ehitamisele.
Praegu arendatakse aktiivselt gaashüdraadi tehnoloogiaid, eelkõige hüdraatide tootmiseks, kasutades kaasaegseid tehnoloogiliste protsesside intensiivistamise meetodeid (soojus- ja massiülekannet kiirendavad pindaktiivsed lisandid; hüdrofoobsete nanopulbrite kasutamine; erineva ulatusega akustilised efektid, kuni hüdraatide tootmine lööklainetes jne).
http://ru.wikipedia.org/wiki/Gas_hydrates
http://en.wikipedia.org/wiki/Clathrate_hydrate
Vene keemiaajakiri. V. 48, nr 3 2003. "Gaasihüdraadid"
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
Gas Hydrate Studies – osa geofüüsika rühmast
Gaasihüdraadi stabiilsuskõver
Gaasihüdraadi stabiilsus ookeanisetetes
http://woodshole.er.usgs.gov/project-pages/hydrates/what.html
Alates 1970. aastatest on maailmas tunnustatud looduslikult esinevat gaasihüdraati, peamiselt metaanhüdraati, kus rõhu- ja temperatuuritingimused stabiliseerivad hüdraadi struktuuri. Seda leidub ookeanisetetes mandri servadel ja mandri polaaraladel. Seda on tuvastatud puuraukude proovidest. ja iseloomulike reaktsioonide poolest seismilise peegelduse profiilides ja naftakaevude elektripalkides. kuni ~1000 meetri paksune otse merepõhja all; kihi aluspinda piirab tõusev temperatuur. Kõrgetel laiuskraadidel esineb see koos igikeltsaga .
USA kaguosas näib kiiresti ladestunud setetest moodustatud seljandiku all väike ala (ainult 3000 km2) sisaldavat hüdraadis metaani, mis võrdub umbes 30-kordse USA-ga. aastane gaasitarbimine. See piirkond on tuntud kui Blake Ridge. Märkimisväärsed kogused hüdraate, sealhulgas kogused