Газогидратные залежи — новый резерв энергетических ресурсов

Газогидратные залежи — новый резерв энергетических ресурсов

Анализ динамики мирового производства энергетических ресурсов (табл. 1) убедительно свидетельствует о происшедшем во второй половине текущего столетия резком структурном сдвиге в составе добываемого топлива в пользу нефти и природного газа, объем потребления которых в топливно-энергетическом балансе индустриально развитых стран за последние 80 лет возрос с 3 до 75 %.

Доля нефти в мировом энергетическом балансе к настоящему времени, видимо, достигла своего максимума, и, несмотря на ежегодный абсолютный прирост добычи, дальнейшая роль ее как топлива будет снижаться. На этом фоне более высокими темпами будет развиваться мировое производство природного газа, разведанные и потенциальные ресурсы которого позволяют уверенно планировать добычу и после 2000 г.

Отмеченные особенности перспективного развития производства углеводородного сырья отражают наиболее общие тенденции совершенствования его структуры. Важнейшими требованиями являются также всемерная экономия топлива, увеличение глубины переработки сырья, использование вторичных и нетрадиционных ресурсов.
В энергетике нашей страны длительное время преобладал уголь (рис. 1). Во второй половине текущего столетия наиболее высокими темпами росла добыча нефти и особенно природного газа, производство которого за последние 35 лет возросло более чем в 40 раз, превысив в 1980 г. рубеж 435 млрд. м3.

Природный газ стал мощным фактором технического прогресса и повышения производительности общественного труда, с использованием его производится 93 % стали и чугуна, 60'% цемента, 95 % минеральных удобрений. Почти 200 миллионов советских людей пользуются газом в быту.

В 1985 г. намечается довести добычу газа по стране до 600—640 млрд. м3.

В Отчетном докладе ЦК КПСС на XXVI съезде Коммунистической партии Советского Союза подчеркивалась, в частности, актуальность задачи по повышению роли газа в обшей структуре топливно-энергетического баланса страны и снижению доли нефти как топлива. Отмечалось, что «жизнь требует продолжить поиск принципиально новых источников энергии» [5].

Одним из таких источников природных ресурсов топливно-энергетического и химического сырья являются гидраты углеводородных газов.

Гидраты газов — твердые молекулярные соединения газов и воды, образующиеся и существующие в устойчивой форме при определенных давлениях и температурах — известны науке более 170 лет. Они представляют собой твердые растворы — так называемые клатраты (соединения-включения), в которых молекулы газа при определенных давлениях и температурах заполняют структурные ячейки кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи.

В настоящее время получены и изучены равновесные параметры гидратообразования практически всех известных природных (кроме водорода, гелия и неона) и синтетических газов — более 100 газообразных веществ и легколетучих жидкостей.

До 1970 г. газовые гидраты в нашей стране и за рубежом изучались главным образом, с целью предупреждения их образования и накопления в технологических системах добычи, сбора, транспортирования, хранения и переработки природных газов.

Новый этап комплексных и интенсивных исследований гидратов природных углеводородных газов был начат в 1969 г., когда в СССР было зарегистрировано научное открытие — свойство природных газов образовывать в земной коре крупные скопления в гидратном состоянии [2, 6].

Зона гидратообразования

К зоне гидратообразования (ЗГО) в наиболее общем виде можно отнести толщу проницаемых осадочных пород, термодинамический режим которой соответствует условиям устойчивого существования газовых гидратов. Гидрат метана, например, может существовать в широком диапазоне температур — от абсолютного нуля до +55°С — в условиях глубокого вакуума и при давлениях несколько сот мегапаскалей (рис. 2).

Мощность ЗГО в каждом конкретном случае зависит при прочих равных термодинамических условиях от состава газа и минерализации пластовой воды.

Современная термодинамическая характеристика осадочного чехла земной коры на четверти территории суши и большая часть осадков в акватории морей и океанов соответствует условиям накопления и сохранения природных газов в твердом гидратном состоянии [3, 4, 7—14]. Анализ равновесных кривых гидратообразования некоторых распространенных газов (см. рис. 2) на фоне кривых упругости их паров позволяет сделать вывод, что при низких давлениях и температурах термодинамически наиболее выгодным является не свободное, а гидратное состояние газов.

Важнейшими свойствами газогидратов следует считать то, что они могут образовываться из пластовых вод недонасыщенных газом, и то, что для их последующего сохранения не требуется литологических экранов.
Эти свойства гидратов сыграли, по-видимому, большую роль в начальный период формирования Земли, ее атмосферы и гидросферы, а также в консервации и сохранении УВ в литосфере нашей планеты и в значительной мере способствовали формированию современных промышленных залежей свободного природного газа, нефти и газового конденсата.

В тропической зоне ЗГО начинается от глубин 250—500 м, а в полярных морях — от глубин 100— 250 м. Верхняя граница ЗГО в акватории (рис. 3) обычно находится в слое воды, что соответствует расчетной теоретической точке пересечения равновесной кривой гидратообразования и кривой изменения температуры воды. Нижняя граница ЗГО в акватории океана залегает в толще придонных осадков и теоретически определяется пересечением кривой изменения температуры осадочного чехла и равновесной кривой гидратообразования.
Общее представление о строении ЗГО и соотношении мощностей мерзлых пород и зоны гидратообразования с учетом минерализации пластовых вод и состава газов позволяет получить схематический профиль, построенный по данным глубоких скважин ряда площадей Восточной Сибири (рис. 4).

В море Бофорта, например, средняя мощность мерзлых пород колеблется от 300 до 700 м, редко достигая 925 м. Мощность зоны гидратообразования при этом изменяется от 800 до 1200—1500 м (табл. 2).

Для условий, приведенных на рис. 3, верхняя граница ЗГО определяется для природного газа относительной плотности 0,6 (Δ 0,6) на глубине 170 м, углекислоты — 200 м, метана — 350 м, аргона — 1050 м. Нижняя граница ЗГО проходит соответственно на глубинах (в м) 2100, 2020, 1900, 1800. Мощность газогидратных залежей при указанных условиях для этих газов может достигать соответственно 400, 320, 200 и 100 м.

В акватории максимум мощности ЗГО приходится на зону сочленения шельфа с океаническим склоном, характеризующуюся умеренной величиной геотермического градиента, максимальной толщей осадочных пород и интенсивной генерацией УВ.

Особое значение для поисков представляет зона сочленения арктических морей с материками, значительная часть которых характеризуется наличием мощного слоя мерзлых пород, в прибрежных районах суши под влиянием океана мощность криолитозоны сокращается. Уменьшается также и глубина залегания ЗГО, т. е. непроницаемая гидратная покрышка с определенной широты поднимается к северу. С другой стороны, температурный режим арктических морей соответствует условиям образования гидратов газов в придонных осадках практически на всей территории. Нижняя граница ЗГО в придонной части понижается с углублением океана.

В прибрежной полосе ЗГО на материке и в придонной части океана смыкаются, образуя мощный куполообразный экран, простирающийся вдоль берега и являющийся надежной покрышкой для свободных УВ (рис. 5). Генерируемые и мигрирующие газы скапливаются под этой покрышкой независимо от наличия литологических ловушек, образуя мощные скопления УВ.

Минерализация пластовых вод в разрезе ЗГО практически остается величиной постоянной в любой части акватории морей и сдвигает равновесную кривую гидратообразования не более чем на 1—2°С, в то время как на материках минерализация пластовых вод может оказывать весьма значительное влияние на мощность ЗГО.

Океаническое ложе, характеризующееся незначительной толщей осадочного чехла, высоким геотермическим градиентом и слабой генерацией УВ, практически бесперспективно для обнаружения крупных скоплений газов в гидратном состоянии.

Скопления газогидратов в осадочном чехле океанического ложа, вероятно, могут быть обнаружены лишь в зонах регионального активного прогибания с накопившимися ранее газогидратными толщами.

Генерируемые и мигрирующие в земной коре газы, попадая в соответствующие термодинамические условия, соединяясь с водой, образуют гидраты, накопление которых приводит к формированию газогидратных залежей (ГГЗ), которые в зависимости от термодинамических условий и стадии их формирования содержат газ частично или полностью, в гидратном состоянии.

Накопление отдельных компонент природного газа в твердой фазе может начаться уже на первых стадиях превращения ОВ при биохимических преобразованиях, если они происходят в ЗГО. В ЗГО в гидрат переходят и свободные газы, поступающие из глубинных зон Земли.

ГГЗ могут подстилаться водоносными горизонтами, залегать в кровле или подошве свободной газовой, газоконденсатной или нефтяной залежи, а в акватории океана перекрываться свободной водой.
Механизм формирования ГГЗ значительно отличается от механизма формирования залежей свободного газа. Основа их различия более низкая диффузная проницаемость гидратов. Содержание растворенного газа в пластовых водах, контактирующих с ГГЗ, из-за малой упругости газа в гидратном состоянии значительно ниже, чем в водах на контакте с залежами свободного газа.

Газогидратные залежи в современных термодинамических условиях осадочного чехла земной коры могут быть первичными и вторичными. К первичным ГГЗ можно условно отнести те образования, которые не претерпевали цикличного изменения термодинамических условий, сопровождаемого фазовым переходом газа и воды в твердое состояние. Обычно такие ГГЗ приурочены к акватории Мирового океана и могут существовать без литологических покрышек. Начало времени формирования первичных ГГЗ совпадает с периодом последнего крупного похолодания на Земле.

Вторичные ГГЗ — залежи, сформировавшиеся из залежей свободного газа при изменении их термодинамических характеристик. Обычно они находятся под непроницаемой литологической покрышкой. Возраст вторичных ГГЗ определяется продолжительностью последнего периода стабильного существования равновесных термодинамических условий гидратообразования в разрезе.

Ресурсы газа в гидратном состоянии

Определение ресурсов газа, содержащегося в гидратном состоянии на нашей планете, является не менее сложным вопросом, чем создание эффективных средств их извлечения.

Для обнаружения ГГЗ используются такие свойства гидратов, залегающих в пористой среде, как низкая электропроводность и проницаемость, повышенная скорость прохождения акустических волн и ряд поисковых признаков, присущих этому виду природных ресурсов; аномальная величина диффузионных газовых потоков над ГГЗ, понижение температуры залежи, изменение состава газов и опреснение пластовой воды при разработке ГГЗ и др.
Региональные поиски и обнаружение ГГЗ как на суше, так и в акватории могут осуществляться средствами сейсмоакустического зондирования на частотах 0,1 —10 кГц в комплексе с региональной газо- и термометрией. Эти способы позволяют установить площадь, мощность, глубину залегания кровли и подошвы ГГЗ, определить гидрато- и газонасыщенность продуктивных пластов.

В результате сейсмоакустического зондирования осадочного чехла выявлены крупные газогидратные поля в районе северо-западного побережья США, в морс Бофорта, в районе арктических островов Канады, восточного побережья США и западных берегов Африки, в акватории Мексиканского залива, Карибского моря и др. [11—14].
Уточнение параметров ГГЗ необходимо производить путем применения в скважинах комплекса геофизических методов, а также при исследовании кернов, отобранных в интервале ГГЗ.

При определении ресурсов газа в гидратном состоянии, содержащихся в настоящее время на нашей планете, необходимо учитывать сведения о региональных и общих показателях современных температурных режимов и палеотемпературах, мощности осадков, концентрации органических соединений в осадках, интенсивности их превращения и степени сохранности при циклических изменениях термодинамических параметров осадочного чехла.
Ресурсы газа в газогидратных залежах материков составляют около 57*1012 м3 [9]. Имеются и другие оценки. Например, Р. Мак-Увер [13] приводит величину ресурсов газа в гидратном состоянии для суши, равную 31,1 * 1012 м3, из которых 5,4*1012 м3 сосредоточено на территории Канады. А. Джадж [14] опубликовал цифру для акватории Канады — 60*1012 м3.

Ресурсы газа, сосредоточенного в гидратном состоянии в акватории Мирового океана в пределах шельфа и материкового склона, оцениваются нами в (5—25)*1015 м3.

Подсчет запасов газа в ГГЗ рассмотрен в работах [2, 3, 6]. Отметим только, что запасы газа в ГГЗ, залегающих на глубинах до 1500 м, всегда превышают запасы идентичной равнообъемной залежи свободного газа. В ГГЗ, залегающих на глубинах более 1500 м, запасы газа в единице объеме залежи в свободном состоянии превышают запасы газа в гидратном состоянии. Например, при давлении 8 МПа в объеме 1 м3 содержится 100 м3 газа в свободном состоянии и около 160 м3 газа в гидратном состоянии, а при давлении 20 МПа в объеме 1 м3 содержится 165 м3 газа в гидратном состоянии и 250 м3 газа в свободном состоянии.

О разработке газогидратных залежей

Разработка газогидратных залежей возможна. Некоторые пути решения этой проблемы уже намечены [3, 10]. Однако термодинамические параметры процесса разложения гидратов и ГГЗ, а также известные требования по охране окружающей среды определяют необходимость создания принципиально новых высокоэффективных методов разработки ГГЗ как на материках, так и особенно в глубоководных частях акватории Мирового океана.

В основе разработки материковых ГГЗ лежит один общий принцип: необходимо непосредственно в залежи газ перевести из гидратного в свободное состояние, после чего отбирать его традиционными методами. Перевод из гидратного в свободное состояние может быть осуществлен путем снижения давления ниже давления разложения гидрата в пласте; путем термохимического, электроакустического и других способов воздействия на ГГЗ.

При вскрытии и разработке ГГЗ необходимо учитывать некоторые специфические свойства гидратов, такие как резкое увеличение объема газов при его переходе из гидратного в свободное состояние, резкое возрастание давления газа при термическом разложении гидрата, постоянство пластового давления, соответствующего определенной изотерме разработки ГГЗ, в освобождении больших объемов свободной волк пря разложении гидрата и т. д.

Разработка ГГЗ в акватории морей имеет ряд особенностей по сравнению с материковыми ГГЗ. К ним можно отнести:
1)    отсутствие плотных, непроницаемых литологических покрышек над ГГЗ;
2)    малые глубины залегания продуктивных пластов от поверхности дна — от долей метра до нескольких сот метров;
3)    огромное площадное распространение продуктивных отложений ГГЗ;
4)    относительно низкую механическую прочность перекрывающих и вмещающих гидраты несцементированных отложений;
5)    основным цементирующим компонентом в интервале залегания ГГЗ в придонных осадках являются сами гидраты;
6)    наличие мощной водной оболочки над поверхностью ГГЗ в акватории океана;
7)    разработку ГГЗ, которая производится в течение всего периода отбора газа при постоянном гидростатическом давлении независимо от способа разложения гидрата;
8)    степень переохлаждения ГГЗ по мощности — величину переменную, которая определяется глубиной верхней границы ЗГО в океане, мощностью ГГЗ в океане и геотермическим градиентом в интервале разреза ГГЗ;
9)    ГГЗ является непроницаемой покрышкой для нижележащих залежей свободного газа или нефти;
10)    при наличии свободной газовой или нефтяной залежи под газогидратной необходимо сначала отобрать нефть и газ в свободном состоянии, затем следует разрабатывать газогидратную залежь; при свободном контакте между ГГЗ и залежью свободного газа или нефти их разработка будет идти одновременно.

Дальнейшее, более интенсивное исследование проблемы гидратообразования в осадках и определение масштабов концентрации углеводородного сырья должно привести к значительному пересмотру наших представлений о запасах природного газа на планете и о механизме формирования скоплений УВ как в пределах акватории, так и в зоне сочленения шельфа с материками.

Выводы

Установлено наличие огромных ресурсов природного газа в твердом гидратном состоянии, сосредоточенного в охлажденных разрезах земной коры на материках и в акватории Мирового океана. Газ в таких, залежах находится в связанном с водой твердом состоянии, что требует нетрадиционных способов их разработки.

Условия гидратообразования на материках и в акватории Мирового океана в значительной мере обеспечили высокую степень концентрации и сохранности углеводородного топлива на нашей планете.

Огромные ресурсы газа в гидратном состоянии, составляющие десятки триллионов кубометров на суше и тысячи триллионов кубометров в пределах акватории Мирового океана, требуют всестороннего комплексного изучения, создания эффективных средств поисков, разведки и разработки газогидратных залежей.

Особое значение имеет вопрос поисков и разработки крупных скоплений УВ в свободном состоянии в зоне сочленения Арктического шельфа и материков под гидратной газонепроницаемой покрышкой, простирающейся вдоль всего Арктического побережья, и в пределах Арктического шельфа.

А.А. ТРОФИМУК, Ю.Ф. МАКОГОН, М.В. ТОЛКАЧЕВ.