Kaasuhydraatit (myös maakaasuhydraatit tai klatraatit) ovat kiteisiä yhdisteitä, jotka muodostuvat tietyissä termobaarisissa olosuhteissa vedestä ja kaasusta. Nimen "klatraatit" (latinan sanasta clathratus - "häkkiin laittaminen") antoi Powell vuonna 1948. Kaasuhydraatit ovat ei-stoikiometrisiä yhdisteitä, toisin sanoen yhdisteitä, joiden koostumus vaihtelee.

Kaasuhydraatit (rikkidioksidi ja kloori) havaitsivat ensimmäisen kerran 1700-luvun lopulla J. Priestley, B. Peletier ja V. Carsten. Ensimmäiset kuvaukset kaasuhydraateista antoi G. Davy vuonna 1810 (kloorihydraatti). Vuonna 1823 Faraday määritti suunnilleen kloorihydraatin koostumuksen, vuonna 1829 Levit löysi bromihydraatin ja vuonna 1840 Wöhler sai H2S-hydraatin. Vuoteen 1888 mennessä P. Villar sai hydraatit CH4, C2H6, C2H4, C2H2 ja N2O.

Neuvostoliiton tutkijat olettivat 1940-luvulla kaasuhydraattikerrostumien olemassaolon ikiroutavyöhykkeellä (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). 1960-luvulla he löysivät ensimmäiset kaasuhydraattiesiintymät Neuvostoliiton pohjoisosassa, ja samalla laboratoriossa (Makogon) vahvistettiin mahdollisuus hydraattien muodostumiseen ja olemassaoloon luonnollisissa olosuhteissa.

Tästä eteenpäin kaasuhydraatteja aletaan pitää mahdollisena polttoaineen lähteenä.
Eri arvioiden mukaan hydraattien hiilivetyvarat vaihtelevat välillä 1,8 × 10^14 - 7,6 × 10^18 m³.
Niiden laaja levinneisyys mantereiden valtamerissä ja ikiroutavyöhykkeessä, epävakaus lämpötilan noustessa ja paineen laskussa paljastuvat.

Vuonna 1969 aloitettiin Messoyakha-kentän kehittäminen Siperiassa, jossa uskotaan, että ensimmäistä kertaa oli mahdollista (puhtaan sattumalta) uuttaa maakaasua suoraan hydraateista (jopa 36 % kokonaistuotannosta vuodesta 1990).

Kaasu hydratoituu luonnossa
Useimmat maakaasut (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, isobutaani jne.) muodostavat hydraatteja, joita esiintyy tietyissä termobaarisissa olosuhteissa. Niiden olemassaoloalue rajoittuu merenpohjasedimentteihin ja ikiroudan alueisiin. Vallitsevia maakaasuhydraatteja ovat metaani ja hiilidioksidihydraatit.

Kaasutuotannon aikana hydraatteja voi muodostua kaivon porauksiin, teollisuuden tietoliikenneyhteyksiin ja pääkaasuputkiin. Saostumalla putkien seinille hydraatit vähentävät jyrkästi niiden läpimenoa. Hydraattien muodostumisen estämiseksi kaasukentissä kaivoihin ja putkiin syötetään erilaisia ​​inhibiittoreita (metyylialkoholi, glykolit, 30-prosenttinen CaCl2-liuos) ja kaasuvirtauksen lämpötila pidetään hydraatin muodostumislämpötilan yläpuolella lämmittimien, lämpöeristyksen avulla. putkistosta ja käyttötavan valinta, joka varmistaa kaasun maksimaalisen virtauslämpötilan. Hydraatin muodostumisen estämiseksi pääkaasuputkissa kaasun kuivaus on tehokkainta - kaasun puhdistaminen vesihöyrystä.

Maakaasuhydraatteihin liittyvät ongelmat ja näkymät
Länsi-Siperian pohjoisosassa peltojen kehittäminen kohtasi alusta alkaen kaasupäästöjen ongelman ikiroutavyöhykkeen matalilta väleiltä. Nämä päästöt tapahtuivat äkillisesti ja johtivat kaivojen työseisokkeihin ja jopa tulipaloihin. Koska päästöt tapahtuivat syvyysväliltä kaasuhydraatin stabiilisuusvyöhykkeen yläpuolelta, niin pitkä aika ne selitettiin kaasuvirroilla syvemmistä tuotantohorisonteista läpäisevien vyöhykkeiden ja viereisten kaivojen kautta, joissa oli huonolaatuinen kuori. 80-luvun lopulla kokeelliseen mallinnukseen ja laboratoriotutkimus jäätynyt ydin Yamburgin kaasukondensaattikentän ikiroutavyöhykkeeltä, oli mahdollista paljastaa hajallaan olevien jäänne (säilöttyjen) hydraattien jakautuminen kvaternaarisen sedimentissä. Nämä hydraatit voivat yhdessä paikallisten mikrobikaasun kertymien kanssa muodostaa kaasua sisältäviä kerroksia, joista syntyy päästöjä porauksen aikana. Jäännöshydraattien esiintyminen ikiroutavyöhykkeen matalissa kerroksissa vahvistettiin edelleen samanlaisilla tutkimuksilla Pohjois-Kanadassa ja Bovanenkovon kaasukondensaattikentän alueella. Siten on syntynyt ajatuksia uudentyyppisistä kaasuesiintymistä - ikiroudan sisäisistä metastabiileista kaasu-kaasu-hydraattiesiintymistä, jotka, kuten Bovanenkovskoje-kaasukondensaattikentän ikiroutakaivojen testit osoittavat, edustavat paitsi vaikeuttavaa tekijää, myös tiettyä tekijää. resurssipohja paikallista kaasuntoimitusta varten.

Ikiroudan sisäiset kerrostumat sisältävät vain pienen osan kaasuvaroista, jotka liittyvät maakaasuhydraatteihin. Suurin osa resursseista rajoittuu kaasuhydraatin stabiilisuusvyöhykkeelle - sille syvyysalueelle (yleensä ensimmäiset sadat metrit), jossa esiintyvät termodynaamiset olosuhteet hydraatin muodostumiselle. Länsi-Siperian pohjoisosassa tämä on 250-800 metrin syvyysväli, merissä - pohjapinnasta 300-400 metriin, erityisesti hyllyn syvänmeren alueilla ja mannerrinteessä jopa 500-600 metrin syvyyteen asti. pohja. Juuri näillä aikaväleillä löydettiin suurin osa maakaasuhydraateista.

Maakaasuhydraattien tutkimuksen aikana kävi selväksi, että hydraattipitoisia kerrostumia ei ole mahdollista erottaa jäätyneistä kerrostumista nykyaikaisilla kenttä- ja porausgeofysiikan keinoilla. Jäätyneen kiven ominaisuudet ovat lähes täysin samanlaiset kuin hydraattipitoisten kivien. Ydinmagneettiresonanssin kirjauslaite voi antaa tiettyä tietoa kaasuhydraattien läsnäolosta, mutta se on erittäin kallis ja sitä käytetään erittäin harvoin geologisessa tutkimuskäytännössä. Pääindikaattori hydraattien esiintymisestä sedimenteissä on ydintutkimukset, joissa hydraatit ovat joko näkyvissä silmämääräisesti tai määritetään mittaamalla ominaiskaasupitoisuus sulatuksen aikana.

Kaasuhydraattiteknologian käytön näkymät teollisuudessa
Tekniset ehdotukset maakaasun varastointia ja kuljettamista varten hydratoituneessa tilassa ilmestyivät 1900-luvun 40-luvulla. Kaasuhydraattien ominaisuus keskittää merkittäviä määriä kaasua suhteellisen alhaisissa paineissa on herättänyt asiantuntijoiden huomion jo pitkään. Alustava taloudelliset laskelmat osoitti, että kaasun merikuljetus hydratoituneessa tilassa on tehokkain ja taloudellista lisähyötyä voidaan saavuttaa myymällä kuluttajille samanaikaisesti kuljetettu kaasu ja puhdas vesi, joka jää jäljelle hydraatin hajoamisen jälkeen (kaasuhydraattien muodostumisen aikana vesi on puhdistettu epäpuhtauksista). Tällä hetkellä pohditaan hydratoidun maakaasun merikuljetuksia tasapainoolosuhteissa, erityisesti suunniteltaessa syvänmeren kaasukenttien (mukaan lukien hydraatti) kehittämistä kuluttajasta etäällä.

Viime vuosina on kuitenkin kiinnitetty yhä enemmän huomiota hydraattien kuljettamiseen epätasapainoisissa olosuhteissa (jossa ilmakehän paine). Toinen kaasuhydraattiteknologioiden käytön näkökohta on mahdollisuus järjestää kaasuhydraattikaasuvarastot tasapainoolosuhteissa (paineen alaisena) lähellä suuria kaasunkuluttajia. Tämä johtuu hydraattien kyvystä keskittää kaasua suhteellisen alhaisessa paineessa. Joten esimerkiksi lämpötilassa +4 °C ja paineessa 40 atm, metaanin pitoisuus hydraatissa vastaa painetta 15 - 16 MPa.

Tällaisen varastotilan rakentaminen ei ole monimutkaista: varasto on kaasusäiliöiden akku, joka sijaitsee kaivossa tai hallissa ja on kytketty kaasuputkeen. Kevät-kesäkaudella varasto on täytetty hydraatteja muodostavalla kaasulla, syksy-talvikaudella se vapauttaa kaasua hydraattien hajoamisen yhteydessä matalapotentiaalisen lämmönlähteen avulla. Tällaisten varastojen rakentaminen lämpövoimaloiden lähelle voi merkittävästi tasoittaa kaasuntuotannon kausiluonteisia epätasaisuuksia ja olla useissa tapauksissa todellinen vaihtoehto maanalaisten kaasuvarastojen rakentamiselle.

Tällä hetkellä kaasuhydraattitekniikoita kehitetään aktiivisesti erityisesti hydraattien valmistukseen nykyaikaisia ​​menetelmiä teknologisten prosessien tehostaminen (lämmön ja massan siirtoa kiihdyttävät pinta-aktiiviset lisäaineet; hydrofobisten nanojauheiden käyttö; eri rajojen akustiset vaikutukset aina hydraattien tuotantoon shokkiaalloissa jne.).

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

Venäjän kemian lehti. T. 48, nro 3 2003. "Kaasuhydraatit"
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 geofysiikan ryhmää

Kaasuhydraatin stabiilisuuskäyrä

Kaasuhydraatin stabiilisuus valtameren sedimenteissä

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

1970-luvulta lähtien on maailmanlaajuisesti tunnustettu luonnossa esiintyvä kaasuhydraatti, pääasiassa metaanihydraatti, jossa paine- ja lämpötilaolosuhteet vakauttavat hydraattirakennetta. Sitä esiintyy valtameren sedimentissä mantereiden reunoilla ja mantereen polaarisissa ympäristöissä. Se on tunnistettu porareikänäytteistä ja sen ominaisreaktioiden perusteella seismis-heijastusprofiileissa ja öljykaivon sähkölogeissa. Meren alla kaasuhydraattia on paikoissa, joissa veden syvyys on yli 300-500 metriä (lämpötilasta riippuen), ja sitä voi esiintyä sedimenttikerroksessa jopa ~1000 metriä paksu suoraan merenpohjan alla, lämpötilan nousu rajoittaa kerroksen pohjaa Korkeilla leveysasteilla se esiintyy ikiroudan yhteydessä.

Kaakkois-Yhdysvalloissa pieni alue (vain 3000 km2) nopeasti laskeutuneiden sedimenttien muodostaman harjanteen alla näyttää sisältävän metaania hydraatissa, joka vastaa noin 30 kertaa Yhdysvaltoja. vuotuinen kaasunkulutus. Tämä alue tunnetaan nimellä Blake Ridge. Huomattavia määriä luonnossa esiintyvää kaasuhydraattia on havaittu myös monilla arktisen alueen alueilla, mukaan lukien Siperiassa, Mackenzie-joen suistossa ja Alaskan pohjoisrinteellä.

National Mineral Resources University Mining

Tieteellinen ohjaaja: Juri Vladimirovitš Gulkov, teknisten tieteiden kandidaatti, National Mineral Resources Mining University

Huomautus:

Tässä artikkelissa käsitellään kemiallisia ja fyysiset ominaisuudet kaasuhydraatit, niiden tutkimuksen ja tutkimuksen historia. Lisäksi tarkastellaan tärkeimpiä ongelmia, jotka estävät kaasuhydraattien kaupallisen tuotannon järjestämisen.

Tässä artikkelissa kuvaamme kaasuhydraattien kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, niiden tutkimuksen ja tutkimuksen historiaa. Lisäksi tarkastellaan kaasuhydraattien kaupallisen tuotannon järjestämistä estäviä perusongelmia.

Avainsanat:

kaasuhydraatit; energia; kaupallinen kaivostoiminta; Ongelmia.

kaasuhydraatit; voimatalous; kaupallinen louhinta; ongelmia.

UDC 622.324

Johdanto

Aluksi ihminen käytti omaa voimaaan energianlähteenä. Jonkin ajan kuluttua puun ja orgaanisen aineen energia tuli apuun. Noin sata vuotta sitten kivihiilestä tuli tärkein energialähde, ja 30 vuotta myöhemmin sen ensisijaisuus jaettiin öljyllä. Nykyään maailman energiasektori perustuu kaasu-öljy-hiili-kolmioon. Kuitenkin vuonna 2013 japanilaiset energiatyöntekijät siirsivät tämän tasapainon kohti kaasua. Japani on maailman johtava kaasuntuonti. State Oil, Gas and Metals Corporation (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) oli ensimmäinen maailmassa, joka hankki kaasua pohjassa olevasta metaanihydraatista Tyyni valtameri 1,3 kilometrin syvyydestä. Koetuotanto kesti vain 6 viikkoa, vaikka suunnitelmassa pidettiin kahden viikon tuotantoa, maakaasua tuotettiin 120 tuhatta kuutiometriä.Tämä löytö mahdollistaa maan itsenäistymisen tuonnista ja muuttaa taloutta perusteellisesti. Mikä on kaasuhydraatti ja miten se voi vaikuttaa globaaliin energiaan?

Tämän artikkelin tarkoituksena on pohtia ongelmia kaasuhydraattien kehityksessä.

Tämän saavuttamiseksi asetettiin seuraavat tehtävät:

• Tutustu kaasuhydraattitutkimuksen historiaan
• Tutki kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia
• Mieti tärkeimpiä kehitysongelmia

Merkityksellisyys

Perinteiset luonnonvarat eivät ole jakautuneet tasaisesti eri puolille maapalloa, ja ne ovat myös rajallisia. Tekijä: nykyaikaisia ​​arvioitaÖljyvarat riittävät tämän päivän kulutusstandardien mukaan 40 vuodeksi ja maakaasun energiavarat 60-100 vuodeksi. Maailman liuskekaasuvarantojen arvioidaan olevan noin 2 500–20 000 biljoonaa. kuutio m. Tämä on ihmiskunnan energiavarasto yli tuhannen vuoden ajan.. Hydraattien kaupallinen louhinta nostaisi maailman energiasektorin laadullisesti uudelle tasolle. Toisin sanoen kaasuhydraattien tutkimus on avannut ihmiskunnalle vaihtoehtoisen energialähteen. Mutta heidän opiskelunsa ja kaupallisen tuotannon tiellä on myös useita vakavia esteitä.

Historiallinen viittaus

I. N. Strizhov ennusti kaasuhydraattien olemassaolon mahdollisuutta, mutta hän puhui niiden uuttamisen epätarkoituksenmukaisuudesta. Villar sai ensimmäisen kerran metaanihydraatin laboratoriossa vuonna 1888 yhdessä muiden kevyiden hiilivetyjen hydraattien kanssa. Alkukohtaamiset kaasuhydraattien kanssa nähtiin energiantuotannon ongelmina ja esteinä. 1900-luvun alkupuolella todettiin, että kaasuhydraatit tukkeutuvat arktisilla alueilla sijaitseviin kaasuputkiin (yli 0 °C:n lämpötiloissa). Vuonna 1961 Vasiliev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. löytö rekisteröitiin. "Maakaasujen ominaisuus olla kiinteässä tilassa maankuoressa", joka ilmoitti uudesta luonnollisesta hiilivetyjen lähteestä - kaasuhydraatista. Tämän jälkeen alettiin puhua entistä äänekkäämmin perinteisten luonnonvarojen ehtymisestä, ja jo 10 vuotta myöhemmin löydettiin ensimmäinen kaasuhydraattiesiintymä tammikuussa 1970 arktiselta alueelta, Länsi-Siperian rajalta, sitä kutsutaan Messoyakhaksi. Lisäksi suoritettiin suuria tutkijoiden retkiä sekä Neuvostoliitosta että monista muista maista.

Sana kemiasta ja fysiikasta

Kaasuhydraatit ovat kaasumolekyylejä, jotka ovat juuttuneet vesimolekyylien ympärille, kuten "kaasu häkissä". Tätä kutsutaan vesipitoiseksi klatraattirunkoksi. Kuvittele, että kesällä sait perhonen kämmeneesi, perhonen on kaasu, kämmenet ovat vesimolekyylejä. Koska suojelet perhosta ulkoisista vaikutuksista, mutta hän säilyttää kauneutensa ja yksilöllisyytensä. Näin kaasu käyttäytyy klatraattikehyksessä.

Muodostumisolosuhteista ja hydraatin muodostajan tilasta riippuen hydraatit näyttävät ulkopuolelta selkeästi määritellyinä, erimuotoisina läpinäkyvinä kiteinä tai amorfisena massana tiiviisti puristettua "lunta".

Hydraatteja esiintyy tietyissä termobaarisissa olosuhteissa - faasitasapainossa. Ilmakehän paineessa maakaasujen kaasuhydraatteja on 20-25 °C:een asti. Rakenteensa vuoksi kaasuhydraatin tilavuusyksikkö voi sisältää jopa 160-180 tilavuutta puhdasta kaasua. Metaanihydraatin tiheys on noin 900 kg/m³, mikä on pienempi kuin veden ja jään tiheys. Kun faasitasapaino häiriintyy: lämpötilan nousu ja/tai paineen lasku, hydraatti hajoaa kaasuksi ja vedeksi absorboimalla suuren määrän lämpöä. Kiteisillä hydraateilla on korkea sähkövastus, johtavat hyvin ääntä, ovat käytännössä läpäisemättömiä vapaille vesi- ja kaasumolekyyleille ja niillä on alhainen lämmönjohtavuus.

Kehitys

Kaasuhydraatteja on vaikea saada, koska... Tähän mennessä on todettu, että noin 98 % kaasuhydraattiesiintymistä on keskittynyt valtameren hyllylle ja mannerrinteelle, yli 200 - 700 metrin syvyyteen ja vain 2 % - mantereiden subpolaarisille osille. . Siksi ongelmia kaasuhydraattien kaupallisen tuotannon kehittämisessä kohdataan jo niiden esiintymien kehittämisvaiheessa.

Nykyään kaasuhydraattikerrostumien havaitsemiseen on useita menetelmiä: seisminen luotaus, gravimetrinen menetelmä, lämmön ja diffuusivirtojen mittaaminen esiintymän yli, sähkömagneettisen kentän dynamiikan tutkiminen tutkittavalla alueella jne.

Seismisessä luotauksessa käytetään kaksiulotteista (2-D) seismistä dataa; vapaan kaasun läsnä ollessa hydraatilla kyllästetyssä muodostumassa määritetään hydraatilla kyllästetyn kiven alempi sijainti. Mutta seisminen tutkimus ei pysty havaitsemaan esiintymän laatua tai kivien hydraattikyllästysastetta. Lisäksi seisminen tutkimus ei sovellu monimutkaisessa maastossa, mutta se on taloudellisesti hyödyllisintä, mutta sitä on parempi käyttää muiden menetelmien lisäksi.

Aukkoja voidaan esimerkiksi täyttää käyttämällä seismisen tutkimuksen lisäksi sähkömagneettista tutkimusta. Se mahdollistaa kiven tarkemman karakterisoinnin yksittäisten vastusten ansiosta kaasuhydraattien esiintymispisteissä. Yhdysvaltain energiaministeriö aikoo toteuttaa sen vuodesta 2015 alkaen. Mustanmeren kenttien kehittämiseen käytettiin seismoelektromagneettista menetelmää.

On myös kustannustehokasta kehittää kyllästetty kerros yhdistetyllä kehitysmenetelmällä, kun hydraatin hajoamisprosessiin liittyy paineen lasku ja samanaikaisesti lämpövaikutuksia. Paineen alentaminen säästää lämpöenergiaa, joka kuluu hydraattien dissosiaatioon, ja huokosväliaineen lämmittäminen estää kaasuhydraattien muodostumisen uudelleen muodostuman porausvyöhykkeellä.

Tuotanto

Seuraava kompastuskivi on varsinainen hydraattien uuttaminen. Hydraatit esiintyvät kiinteässä muodossa, mikä aiheuttaa vaikeuksia. Koska kaasuhydraattia esiintyy tietyissä termobaarisissa olosuhteissa, jos jokin niistä rikotaan, se hajoaa kaasuksi ja vedeksi, minkä mukaisesti on kehitetty seuraavat hydraatin uuttotekniikat.

1. Paineenalennus:

Kun hydraatti poistuu faasitasapainosta, se hajoaa kaasuksi ja vedeksi. Tämä tekniikka on kuuluisa triviaalisuudestaan ​​ja taloudellisesta toteutettavuudestaan, lisäksi japanilaisten ensimmäisen tuotannon menestys vuonna 2013 lepää sen harteilla. Mutta kaikki ei ole niin ruusuista: tuloksena oleva vesi matalissa lämpötiloissa voi tukkia laitteet. Lisäksi tekniikka on todella tehokasta, koska... Mallickin kentällä tehdyssä metaanin koetuotannossa tuotettiin 13 000 kuutiometriä 5,5 päivässä. m kaasua, mikä on monta kertaa enemmän kuin tuotanto samalla kentällä lämmitystekniikalla - 470 kuutiometriä. m kaasua 5 päivässä. (katso taulukko)

2. Lämmitys:

Jälleen sinun on hajotettava hydraatti kaasuksi ja vedeksi, mutta tällä kertaa käyttämällä lämpöä. Lämmönsyöttö voidaan suorittaa eri tavoilla: jäähdytysnesteen ruiskutus, kierto kuuma vesi, höyrylämmitys, sähkölämmitys. Haluaisin viipyä Dortmundin yliopiston tutkijoiden keksimässä mielenkiintoisessa tekniikassa. Hankkeessa lasketaan putki kaasuhydraattiesiintymiä varten merenpohjassa. Sen erikoisuus on, että putkessa on kaksinkertaiset seinät. 30-40˚C lämmitetty merivesi syötetään kentälle sisäputken kautta. vaihemuutos, ja metaanikaasukuplat veden kanssa nousevat ulompaa putkea pitkin. Siellä metaani erotetaan vedestä, lähetetään säiliöihin tai pääputkeen, ja lämmin vesi palaa alas kaasuhydraattikerrostumiin. Tämä uuttomenetelmä vaatii kuitenkin korkeita kustannuksia ja jatkuvaa lisäystä toimitettavassa lämmön määrässä. Tässä tapauksessa kaasuhydraatti hajoaa hitaammin.

3. Inhibiittorin käyttöönotto:

Käytän myös inhibiittorin injektiota hydraatin hajottamiseen. Bergenin yliopiston fysiikan ja teknologian instituutissa hiilidioksidia pidettiin estäjänä. Tämän tekniikan avulla on mahdollista saada metaania ilman, että itse hydraatit uutetaan suoraan. Tätä menetelmää testaa jo Japan National Oil, Gas and Metals Corporation (JOGMEC) Yhdysvaltain energiaministeriön tuella. Mutta tämä tekniikka on täynnä ympäristöriskejä ja vaatii korkeita kustannuksia. Reaktio etenee hitaammin.

Projektin nimi	Päivämäärä	Osallistuvat maat	Yritykset	Tekniikka
Mallik, Kanada		Japani, USA Channel, Saksa, Intia	JOGMEC, BP, Chevron Texaco	Lämmitin (jäähdytysneste - vesi)
North Slope of Alaska, USA		USA, Japani	Conoco Phillips, JOGMEC	Injektio hiilidioksidi, inhibiittorin käyttöönotto
Alaska, USA			BP, Schlumberger	Poraus kaasuhydraatin ominaisuuksien tutkimiseksi
Mallik, Kanada		Japani, Kanada	JOGMEC osana yksityistä julkista konsortiota	Paineenalennus
Tuli jäässä (IgnikSikumi), Alaska, USA		USA, Japani, Norja	Conoco Phillips, JOGMEC, Bergenin yliopisto (Norja)	Hiilidioksidin ruiskutus
Yhteinen projekti (YhteinenAlaProjekti) Meksikonlahti, Yhdysvallat			Chevron konsortion johtajana	Kairaus kaasuhydraattien geologian tutkimiseksi
Lähellä Atsumin niemimaa, Japani			JOGMEC, JAPEX, Japani Poraus	Paineenalennus

Lähde - avoimen lähdekoodin materiaaleihin perustuva analyyttinen keskus

Teknologiat

Toinen syy hydraattien kehittymättömään kaupalliseen tuotantoon on niiden kannattavan uuttamisen tekniikan puute, mikä aiheuttaa suuria pääomasijoituksia. Tekniikasta riippuen on erilaisia ​​esteitä: erikoislaitteiden käyttö käyttöönottoon kemiallisia alkuaineita ja/tai paikallislämmitys kaasuhydraattien uudelleenmuodostumisen ja kaivojen tukkeutumisen välttämiseksi; hiekan louhintaa estävän teknologian soveltaminen.

Esimerkiksi vuonna 2008 Kanadan arktisella alueella sijaitsevan Mallick-kentän alustavien arvioiden mukaan kehityskustannukset vaihtelivat 195-230 dollaria/tuhat. kuutio m kaasuhydraateille, jotka sijaitsevat vapaan kaasun yläpuolella, ja välillä 250-365 dollaria/tuhat. kuutio m vapaan veden yläpuolella sijaitseville kaasuhydraateille.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi on tarpeen popularisoida hydraattien kaupallista tuotantoa tiedehenkilöstön keskuudessa. Järjestä enemmän tieteellisiä konferensseja, kilpailuja parantaaksesi vanhoja tai luodaksesi uusia laitteita, jotka voisivat vähentää kustannuksia.

Ympäristövaara

Lisäksi kaasuhydraattikenttien kehittyminen johtaa väistämättä ilmakehään vapautuvan maakaasun määrän kasvuun ja sen seurauksena kasvihuoneilmiön lisääntymiseen. Metaani on voimakas kasvihuonekaasu ja huolimatta siitä, että sen elinikä ilmakehässä on lyhyempi kuin CO₂, suurten metaanimäärien ilmakehään vapautumisen aiheuttama lämpeneminen on kymmeniä kertoja nopeampaa kuin hiilidioksidin aiheuttama lämpeneminen. Lisäksi, jos ilmaston lämpeneminen, kasvihuoneilmiö tai muut syyt aiheuttavat ainakin yhden kaasuhydraattiesiintymän romahtamisen, tämä aiheuttaa valtavan metaanin vapautumisen ilmakehään. Ja kuten lumivyöry, tapahtumasta toiseen, tämä johtaa globaaliin ilmastonmuutokseen maapallolla, eikä näiden muutosten seurauksia voida edes suunnilleen ennustaa.

Tämän välttämiseksi tietojen integrointi on välttämätöntä monimutkaiset analyysit etsintä, esiintymien mahdollisen käyttäytymisen ennustaminen.

Räjähdys

Toinen kaivostyöntekijöiden ratkaisematon ongelma on kaasuhydraattien erittäin epämiellyttävä ominaisuus "räjähtää" pienimmälläkin iskulla. Tässä tapauksessa kiteet käyvät nopeasti läpi vaiheen, jossa ne muuttuvat kaasumaiseen tilaan ja saavat tilavuuden useita kymmeniä kertoja alkuperäiseen verrattuna. Siksi japanilaisten geologien raportit puhuvat erittäin huolellisesti metaanihydraattien kehittämismahdollisuuksista - loppujen lopuksi Deepwater Horizon -porausalustan katastrofi useiden tutkijoiden mukaan, mukaan lukien UC Berkeleyn professori Robert Bee, johtui räjähdyksestä jättimäinen metaanikupla, joka muodostui poraajien häiritsemistä pohjahydraattikertymistä.

Öljyn ja kaasun louhinta

Kaasuhydraatteja ei oteta huomioon vain energiaresurssien puolelta, vaan niitä kohdataan useammin öljyntuotannon aikana. Siirrymme jälleen kerran Meksikonlahdella sijaitsevan Deepwater Horizon -tason kuolemaan. Sitten karkaavan öljyn hallitsemiseksi rakennettiin erityinen laatikko, jonka he suunnittelivat sijoittavan hätäkaivon yläpuolelle. Mutta öljy osoittautui erittäin hiilihappoiseksi, ja metaani alkoi muodostaa kokonaisia ​​kaasuhydraattijääkertymiä laatikon seinille. Ne ovat noin 10% kevyempiä kuin vesi, ja kun kaasuhydraattien määrä kasvoi tarpeeksi suureksi, ne alkoivat yksinkertaisesti nostaa laatikkoa, minkä asiantuntijat yleensä ennustivat etukäteen.

Sama ongelma kohdattiin perinteisen kaasun tuotannossa. ”Luonnon” kaasuhydraattien lisäksi kaasuhydraattien muodostuminen on suuri ongelma lauhkeassa ja kylmässä ilmastossa sijaitsevissa kaasuputkissa, koska kaasuhydraatit voivat tukkia kaasuputken ja vähentää sen läpimenoa. Tämän estämiseksi ei suuri määrä estäjää tai käytä yksinkertaisesti lämmitystä.

Nämä ongelmat ratkaistaan ​​samalla tavalla kuin tuotannon aikana: laskemalla painetta, lämmittämällä, lisäämällä inhibiittoria.

Johtopäätös

Tässä artikkelissa tarkasteltiin kaasuhydraattien kaupallisen tuotannon esteitä. Niitä esiintyy jo kaasukenttien kehitysvaiheessa, suoraan tuotannon aikana. Lisäksi kaasuhydraatit ovat tällä hetkellä ongelma öljyn ja kaasun tuotannossa. Nykyään vaikuttavat kaasuhydraattivarat ja taloudellinen kannattavuus vaativat tiedon keräämistä ja selventämistä. Asiantuntijat etsivät edelleen optimaalisia ratkaisuja kaasuhydraattikenttien kehittämiseen. Mutta tekniikan kehittyessä talletusten kehittämiskustannusten pitäisi laskea.

Bibliografia:

1. Vasiliev A., Dimitrov L. Kaasuhydraattien alueellisen jakautumisen ja varastojen arviointi Mustallamerellä // Geologia ja geofysiikka. 2002. Nro 7. v. 43.
2. Dyadin Yu. A., Gushchin A.L. Kaasuhydraatit. // Sorosin koulutuslehti, nro 3, 1998, s. 55–64
3. Makogon Yu.F. Maakaasuhydraatit: jakautuminen, muodostusmallit, resurssit. – 70 s.
4. Trofimuk A. A., Makogon Yu. F., Tolkachev M. V., Chersky N. V. Kaasuhydraattiesiintymien tutkimisen ja kehittämisen havaitsemisen ominaisuudet - 2013 [Sähköinen resurssi] http://vimpelneft.com/fotogalereya/ 6-komanda-vymlnefti/detail /32-komanda-vympelnefti
5. Chemistry and Life, 2006, nro 6, s. 8.
6. Päivä, jolloin maa melkein kuoli – 5. 12. 2002 [sähköinen lähde] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayearthdied.shtml

Arvostelut:

1.12.2015, 12:12 Mordašev Vladimir Mihailovitš
Arvostelu: Artikkeli on omistettu monille ongelmille, jotka liittyvät kiireelliseen tehtävään kehittää kaasuhydraatteja - lupaava energialähde. Näiden ongelmien ratkaiseminen edellyttää muun muassa tieteellisestä ja teknologisesta tutkimuksesta saatavan heterogeenisen datan analysointia ja synteesiä, mikä on usein luonteeltaan sekavaa ja kaoottista. Siksi arvioija suosittelee, että kirjoittajat kiinnittäisivät tulevassa työssään huomiota artikkeliin ”Empirism for Chaos”, verkkosivu, nro 24, 2015, s. 124-128. Artikkeli "Kaasuhydraatin kehityksen ongelmat" kiinnostaa epäilemättä monia asiantuntijoita, ja se pitäisi julkaista.

18.12.2015 2:02 Vastaa kirjoittajan arvosteluun Polina Robertovna Kurikova:
Olen lukenut artikkelin ja käytän näitä suosituksia kehittäessäni aihetta edelleen ja ratkaistaessani käsiteltyjä ongelmia. Kiitos.

Aleksei Shchebetov, Venäjän valtion öljy- ja kaasuyliopisto nimetty. I.M. Gubkin Aleksei Shchebetov, Venäjän valtion öljy- ja kaasuyliopisto, joka on nimetty. I.M. Gubkina Kaasuhydraattikentillä on suurin potentiaali verrattuna muihin epätavanomaisiin kaasulähteisiin. Nykyään hydraateista tuotetun kaasun hinta ei ole vertailukelpoinen perinteisiltä kaasukentiltä tuotetun kaasun saman indikaattorin kanssa.

Aleksei Shchebetov, Venäjän valtion öljy- ja kaasuyliopisto nimetty. I.M.Gubkina

Aleksei Shchebetov, Venäjän valtion öljy- ja kaasuyliopisto nimetty. I.M.Gubkina

Kaasuhydraattikentillä on suurin potentiaali verrattuna muihin epätavanomaisiin kaasulähteisiin. Nykyään hydraateista tuotetun kaasun hinta ei ole vertailukelpoinen perinteisiltä kaasukentiltä tuotetun kaasun saman indikaattorin kanssa. On kuitenkin melko perusteltua uskoa, että kaasuntuotantoteknologioiden kehitys voi lähitulevaisuudessa varmistaa kaasuhydraattiesiintymien kehittämisen taloudellisen kannattavuuden. Tyypillisten kaasuhydraattiesiintymien esiintymisgeologisten olosuhteiden analyysin ja numeerisen mallinnuksen tulosten perusteella kirjoittaja arvioi hydraateista kaasuntuotannon mahdollisuuksia.

Kaasuhydraatit ovat kaasu- ja vesimolekyylien kiinteitä yhdisteitä, joita esiintyy tietyissä paineissa ja lämpötiloissa. Yksi kuutiometri luonnonhydraattia sisältää jopa 180 m3 kaasua ja 0,78 m3 vettä. Jos aiemmin hydraatteja tutkittiin maakaasun tuotannon ja kuljetuksen teknologisten komplikaatioiden näkökulmasta, niin maakaasuhydraattiesiintymien löytämisen jälkeen niitä alettiin pitää lupaavimpana energialähteenä. Tällä hetkellä tunnetaan yli kaksisataa kaasuhydraattiesiintymää, suurin osa joka sijaitsee merenpohjassa. Tuoreiden arvioiden mukaan 10-1000 biljoonaa m3 metaania on keskittynyt maakaasuhydraattiesiintymiin, mikä on verrattavissa perinteisiin kaasuvarastoon. Siksi monien maiden (erityisesti kaasua tuovien maiden: USA, Japani, Kiina, Taiwan) halu kehittää tätä resurssia on täysin ymmärrettävää. Mutta huolimatta viimeaikaisista onnistumisista etsintäporauksessa ja kokeellisissa hydraattitutkimuksissa huokoisissa väliaineissa, kysymys taloudellisesti kannattavasta menetelmästä kaasun erottamiseksi hydraateista on edelleen avoin ja vaatii lisätutkimuksia.

Kaasuhydraattikentät

Ensimmäinen maininta suurista kaasuhydraattikertymistä liittyy Messoyakha-kenttään, joka löydettiin vuonna 1972 Länsi-Siperiasta. Alan kehityksen analysoinnissa on ollut mukana monia tutkijoita, joita on julkaistu yli sata. tieteellisiä artikkeleita. Työn mukaan luonnollisten hydraattien olemassaolo oletetaan Messoyakha-kentän tuotantoalueen yläosassa. On kuitenkin huomattava, että suoria tutkimuksia esiintymän hydraattipotentiaalista (ydinnäytteenotto) ei ole tehty, ja merkit, joilla hydraatit tunnistetaan, ovat luonteeltaan epäsuoria ja mahdollistavat erilaisia ​​tulkintoja.

Siksi toistaiseksi ei ole päästy yksimielisyyteen Messoyakha-kentän hydraattipotentiaalista.

Tässä suhteessa havainnollistavin esimerkki on esimerkki toisesta oletetusta hydraattia sisältävästä alueesta - Alaskan (USA) pohjoisrinteestä. Pitkään aikaan alueella uskottiin olevan merkittäviä kaasuvarantoja hydratoituneessa tilassa. Siten väitettiin, että Prudhoe Bayn ja Kiparuk-joen öljykenttien alueella on kuusi hydraattikylläistä muodostumaa, joiden varat ovat 1,0-1,2 biljoonaa m3. Hydraattipotentiaalin oletus perustui tuloksiin kaivojen testaustuloksista hydraattien todennäköisestä esiintymisvälistä (näille aikaväleille oli ominaista erittäin alhainen kaasun virtausnopeus) ja geofysikaalisten materiaalien tulkintaan.

Tutkiakseen hydraattien esiintymisolosuhteita Alaskassa ja arvioidakseen niiden resursseja Anadarko-yhtiö järjesti vuoden 2002 lopussa yhdessä Yhdysvaltain energiaministeriön kanssa Hot Ice No. 1 -kaivon (HOT ICE) porauksen. #1). Kaivo valmistui vuoden 2004 alussa suunnittelusyvyyteen 792 m. Hydraatteja ei kuitenkaan löytynyt useista epäsuorista merkeistä hydraattien esiintymisestä (geofysikaaliset tutkimukset ja seismiset tiedot) sekä suotuisista termobaarisista olosuhteista huolimatta. palautetuissa ytimissä. Tämä vahvistaa jälleen kerran väitteen, jonka mukaan ainoa luotettava tapa havaita hydraattikertymiä on kokeellinen poraus näytteenotolla.

Tällä hetkellä vain kahden teollisen kehityksen kannalta kiinnostavimman luonnonhydraattiesiintymän hydraattipitoisuus on vahvistettu: Mallick - Mackenzie-joen suistossa Luoteis-Kanadassa ja Nankai - hyllyllä Japani.

Mallikin kenttä

Luonnonhydraattien olemassaolo vahvistettiin poraamalla tutkimuskaivo vuonna 1998 ja kolme kaivoa vuonna 2002. Kenttäkokeita kaasun tuotannosta hydraattikyllästetyistä aikaväleistä tehtiin menestyksekkäästi tällä kentällä. On täysi syy uskoa, että näin on tyypillinen tyyppi mantereen hydraattiesiintymiä, jotka löydetään tulevaisuudessa.

Geofysikaalisen tutkimuksen ja ydinmateriaalin tutkimuksen perusteella tunnistettiin kolme hydraattia sisältävää muodostumaa (A, B, C), joiden kokonaispaksuus on 130 m ja vaihteluvälillä 890-1108 m. Ikiroutavyöhykkeen paksuus on noin 610 m. m, ja hydraatin stabiilisuusvyöhyke (HSZ) (eli väli, jossa termobaariset olosuhteet vastaavat hydraatin stabiilisuuden olosuhteita) ulottuu 225 - 1100 m. Hydraatin stabiilisuusvyöhykkeen määräävät muodostumiskaasun tasapainokäyrän leikkauspisteet hydraatin muodostuminen ja leikkauslämpötilan muutoskäyrä (katso kuva 1). Ylempi leikkauspiste on SSG:n yläraja ja alempi piste on vastaavasti SSG:n alaraja. Hydraatin stabiilisuusvyöhykkeen alarajaa vastaava tasapainolämpötila on 12,2 °C.

Kerros A sijaitsee alueella 892-930 m, jossa erotetaan erikseen hydraatilla kyllästetty hiekkakivikerros (907-930 m). Geofysiikan mukaan hydraattikyllästys vaihtelee välillä 50-85%, loput huokostilasta on veden peitossa. Huokoisuus on 32-38%. A-muodostelman yläosa koostuu hiekkalietteestä ja ohuesta hiekkakivestä, joiden hydraattikyllästys on 40-75 %. Pinnalle kohotettujen ytimien silmämääräinen tarkastus paljasti, että hydraatti valtaa pääasiassa rakeiden välisen huokostilan. Tämä aikaväli on kylmin: hydraatin muodostumisen tasapainolämpötilan ja säiliön lämpötilan välinen ero on yli 4°C.

Hydraattimuodostelma B (942-992 m) koostuu useista 5-10 m paksuisista hiekkakerroksista, joita erottavat ohuet (0,5-1 m) hydraattivapaat savikerrokset. Hydraatin kylläisyys vaihtelee laajasti välillä 40 - 80 %. Huokoisuus vaihtelee välillä 30-40 %. Huokoisuuden ja hydraattikyllästymisen vaihteluvälit selittyvät muodostuman kerrosrakenteella. Hydraattikerroksen B alla on 10 m paksu pohjavesi.

Kerros C (1070-1107 m) koostuu kahdesta kerroksesta, joiden hydraattikyllästys on alueella 80-90 %, ja se sijaitsee lähellä tasapainoa. Muodostumisen C pohja osuu yhteen hydraatin stabiilisuusvyöhykkeen alarajan kanssa. Välin huokoisuus on 30-40 %.

Hydraatin stabiilisuusvyöhykkeen alapuolella on kaasu-vesi-siirtymävyöhyke, jonka paksuus on 1,4 m. Siirtymävyöhykkeen jälkeen on akviferi, jonka paksuus on 15 m.

Laboratoriotutkimusten tulosten perusteella todettiin, että hydraatti koostuu metaanista (98% tai enemmän). Ydinmateriaalin tutkiminen osoitti, että huokoisella väliaineella ilman hydraatteja on korkea läpäisevyys (100 - 1000 mD), ja kun se on kyllästetty hydraatilla 80 %, kiven läpäisevyys laskee arvoon 0,01-0,1 mD.

Kaasuvarantojen tiheys hydraateissa porattujen malminetsintäkaivojen läheisyydessä oli 4,15 miljardia m3/1 km2 ja kentän kokonaisvarannot olivat 110 miljardia m3.

Nankain kenttä

Japanin hyllyllä on ollut aktiivista etsintätyötä usean vuoden ajan. Ensimmäiset kuusi vuosina 1999-2000 porattua kaivoa osoittivat kolmen hydraattikerroksen läsnäolon, joiden kokonaispaksuus oli 16 m, välillä 1135-1213 m merenpinnasta (290 m merenpohjan alapuolella). Kiviä edustavat pääasiassa hiekkakivet, joiden huokoisuus on 36 % ja hydraattikyllästys noin 80 %.

Vuonna 2004 porattiin jo 32 kaivoa meren syvyyksiin 720–2033 metriä. Erikseen on syytä mainita pysty- ja vaakasuuntaisten (vaakasuoran porausreiän pituus 100 m) onnistunut valmistuminen meren syvyydessä 991 m heikosti stabiileissa hydraattimuodostelmissa. Nankai-kentän seuraava kehitysvaihe on kokeellinen kaasuntuotanto näistä kaivoista vuonna 2007. Nankai-kentän teollinen kehittäminen on tarkoitus aloittaa vuonna 2017.

Hydraattien kokonaismäärä vastaa 756 miljoonaa kuutiometriä kaasua 1 km2 kohden porattujen kaivojen alueella. Yleensä Japaninmeren hyllyllä hydraattien kaasuvarat voivat vaihdella 4 biljoonasta 20 biljoonaan m3.

Hydraattiesiintymät Venäjällä

Tärkeimmät kaasuhydraattien hakusuunnat Venäjällä ovat nyt keskittyneet Okhotskinmerelle ja Baikal-järvelle. Kuitenkin suurimmat mahdollisuudet löytää kaupallisia varantoja sisältäviä hydraattiesiintymiä liittyvät Itä-Messoyakhan kenttään Länsi-Siperiassa. Geologisen ja geofysikaalisen tiedon analyysin perusteella oletettiin, että Gazsalan jäsen sijaitsee hydraatin muodostumiselle suotuisissa olosuhteissa. Erityisesti kaasuhydraatin stabiilisuusvyöhykkeen alaraja on noin 715 metrin syvyydessä, ts. yläosa Gazsalan osa (ja joillakin alueilla koko jäsen) sijaitsee termobaarisissa olosuhteissa, jotka ovat edullisia kaasuhydraattien olemassaololle. Kaivojen testaus ei tuottanut tulosta, vaikka kirjauksen mukaan tämä aikaväli on luonnehdittu tuottavaksi, mikä selittyy kaasuhydraattien läsnäolon aiheuttamalla kallion läpäisevyyden heikkenemisellä. Hydraattien mahdollista olemassaoloa tukee myös se, että Gazsalan jäsen on tuottava muilla lähipelloilla. Siksi, kuten edellä todettiin, on tarpeen porata tutkimuskaivo ydinnäytteenotolla. Kun positiivisia tuloksia kaasuhydraattivarasto, jonka varannot ovat ~500 miljardia m3, löydetään.

Analyysi mahdollisista teknologioista kaasuhydraattiesiintymien kehittämiseksi

Kaasuhydraattiesiintymien kehittämiseen käytettävän tekniikan valinta riippuu esiintymisen erityisistä geologisista ja fyysisistä olosuhteista. Tällä hetkellä harkitaan vain kolmea päämenetelmää kaasun sisäänvirtauksen aikaansaamiseksi hydraattisäiliöstä: paineen alentaminen alle tasapainopaineen, hydraattia sisältävien kivien kuumentaminen tasapainolämpötilan yläpuolelle ja näiden yhdistelmä (katso kuva 2). Tunnettu menetelmä hydraattien hajottamiseksi estäjiä käyttämällä ei todennäköisesti ole hyväksyttävä inhibiittorien korkeiden kustannusten vuoksi. Muita ehdotettuja vaikuttamismenetelmiä, erityisesti sähkömagneettista, akustista ja hiilidioksidin ruiskutusta säiliöön, on toistaiseksi tutkittu vähän kokeellisesti.

Tarkastellaan kaasun tuotannon mahdollisuuksia hydraateista käyttämällä esimerkkiä kaasun sisäänvirtauksesta pystysuoraan kaivoon, joka on paljastanut täysin hydraatilla kyllästyneen muodostuman. Sitten yhtälöjärjestelmä, joka kuvaa hydraatin hajoamista huokoisessa väliaineessa, on muotoa:

a) kaasun ja veden massan säilymisen laki:

missä P on paine, T on lämpötila, S on vesikyllästys, v on hydraattikyllästys, z on ylipuristuvuuskerroin; r - säteittäinen koordinaatti; t - aika; m - huokoisuus, g, w, h - vastaavasti kaasun, veden ja hydraatin tiheydet; k(v) - huokoisen väliaineen läpäisevyys hydraattien läsnä ollessa; fg(S), fw(S) - kaasun ja veden suhteellisten faasiläpäisevyyden funktiot; g, w - kaasun ja veden viskositeetti; - kaasun massapitoisuus hydraatissa;

b) energiansäästöyhtälö:

missä Ce on kiven ja isäntänesteiden lämpökapasiteetti; cg, cw - kaasun ja veden lämpökapasiteetti, vastaavasti; H on hydraatin faasimuutoslämpö; - differentiaalinen adiabaattinen kerroin; - kuristuskerroin (Joule-Thomson-kerroin); e on kiven ja isäntänesteiden lämmönjohtavuuskerroin.

Termodynaamisen tasapainoehdon on täytyttävä jokaisessa muodostumispisteessä:

Т = A ln P + B, (3)

missä A ja B ovat empiirisiä kertoimia.

Kiven läpäisevyyden riippuvuus hydraatin kyllästymisestä esitetään yleensä teholakina:

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

jossa k0 on huokoisen väliaineen absoluuttinen läpäisevyys hydraattien poissa ollessa; N on vakio, joka luonnehtii läpäisevyyden heikkenemisastetta hydraattikyllästymisen lisääntyessä.

Alkuhetkellä yksikköpaksuuden homogeenisella muodostelmalla on paine P0, lämpötila T0 ja kyllästys hydraateilla v0. Paineenalennusmenetelmä mallinnettiin asettamalla kaivoon vakiovirtaus ja lämpömenetelmä vakiotehoisella lämmönlähteellä. Vastaavasti yhdistetyllä menetelmällä määriteltiin vakio kaasun virtausnopeus ja lämmönlähteen teho, joka tarvitaan hydraattien kestävään hajoamiseen.

Kaasuntuotantoa hydraateista mallinnettaessa tarkasteltavilla menetelmillä otettiin huomioon seuraavat rajoitukset. Säiliön alkulämpötilassa 10°C ja paineessa 5,74 MPa Joule-Thomson-kerroin on 3-4 astetta 1 MPa painallusta kohti. Näin ollen 3-4 MPa:n painalluksella pohjareiän lämpötila voi saavuttaa veden jäätymislämpötilan. Kuten tiedetään, veden jäätyminen kallioon ei vain vähennä pohjareikävyöhykkeen läpäisevyyttä, vaan johtaa myös katastrofaalisempiin seurauksiin - kotelopylväiden romahtamiseen, säiliön tuhoutumiseen jne. Siksi paineenalennusmenetelmässä oletettiin, että 100 päivän sisällä kaivon käytöstä pohjareiän lämpötila ei saisi laskea alle 0 °C. Lämpömenetelmässä rajoituksena on kaivon seinämän ja itse lämmittimen lämpötilan nousu. Siksi laskelmissa oletettiin, että 100 päivän kaivon käytön aikana pohjareiän lämpötila ei saisi ylittää 110°C. Yhdistettyä menetelmää mallinnettaessa otettiin huomioon molemmat rajoitukset.

Menetelmien tehokkuutta verrattiin pystysuoran kaivon maksimivirtausnopeuteen perustuen, joka tunkeutui kokonaan yksikköpaksuisen kaasuhydraattisäiliön läpi, ottaen huomioon edellä mainitut rajoitukset. Lämpö- ja yhdistelmämenetelmissä energiakustannukset otettiin huomioon vähentämällä virtausnopeudesta kaasun määrä, joka tarvitaan saamiseen. tarvittava lämpö(olettaen, että lämpöä syntyy polttamalla osa tuotetusta metaanista):

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

missä Q on kaasun virtausnopeus pohjassa, m3/vrk; E - kasvoille syötetty lämpöenergia, J/vrk; q on metaanin palamislämpö (33.28.106), J/m3.

Laskelmat suoritettiin seuraavilla parametreilla: P0 = 5,74 MPa; T0 = ​​283 K; S = 0,20; m = 0,35; h = 910 kg/m3, w = 1000 kg/m3; k0 = 0,1 um2; N = 1 (kerroin kaavassa (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). Laskentatulokset on koottu taulukkoon. 1.

Näiden laskentatulosten analyysi osoittaa, että paineenalennusmenetelmä soveltuu hydraattimuodostelmiin, joissa hydraattikyllästys on alhainen ja kaasu tai vesi ei ole menettänyt liikkuvuuttaan. Luonnollisesti hydraatin kyllästymisen lisääntyessä (ja siten permeabiliteetin pienentyessä yhtälön (4) mukaisesti) tämän menetelmän tehokkuus laskee jyrkästi. Siten, kun huokosten kyllästyminen hydraateilla on yli 80 %, on lähes mahdotonta saada hydraateista sisäänvirtausta alentamalla pohjareiän painetta.

Toinen paineenalennusmenetelmän haittapuoli liittyy teknologiseen hydraattien muodostumiseen pohjareikävyöhykkeellä Joule-Thomson-ilmiön vuoksi. Kuvassa Kuvassa 3 on esitetty veden ja hydraatin kyllästymisen jakauma, joka saatiin ratkaistua kaasun virtausongelman seurauksena pystysuoraan kaivoon, joka avasi kaasuhydraattimuodostuksen. Tämä kuva osoittaa selvästi hydraatin vähäisen hajoamisen vyöhykkeen (I), sekundaarisen hydraatin muodostumisen vyöhykkeen (II) ja pelkän kaasusuodatuksen vyöhykkeen (III), koska tällä vyöhykkeellä kaikki vapaa vesi on muuttunut hydraatiksi.

Siten hydraattikerrostumien kehittyminen painetta alentamalla on mahdollista vain ruiskuttamalla inhibiittoreita pohjareiän vyöhykkeelle, mikä lisää merkittävästi tuotetun kaasun kustannuksia.

Kaasuhydraattikenttien lämpömenetelmä soveltuu muodostelmille, joiden huokosissa on korkea hydraattipitoisuus. Kuitenkin, kuten laskentatulokset osoittavat, lämpövaikutus kaivon pohjan läpi on tehoton. Tämä johtuu siitä, että hydraatin hajoamisprosessiin liittyy lämmön absorptio korkealla ominaisentalpialla 0,5 MJ/kg (esimerkiksi: jään sulamislämpö on 0,34 MJ/kg). Kun hajoamisrintama siirtyy pois kaivon pohjasta, energiaa kuluu yhä enemmän isäntäkivien ja muodostuman katon lämmittämiseen, joten hydraattien lämpövaikutusvyöhyke kaivon pohjan läpi lasketaan ensimmäisessä. metriä. Kuvassa Kuvio 4 esittää hydraateilla täysin kyllästetyn muodostuman sulamisen dynamiikkaa. Tästä kuvasta voidaan nähdä, että 100 päivän sisällä jatkuvasta lämmityksestä hydraattien hajoaminen tapahtuu vain 3,5 metrin säteellä kaivon seinästä.

Lupaavin menetelmä on yhdistelmämenetelmä, joka koostuu samanaikaisesti paineen alentamisesta ja lämmön syöttämisestä kaivoon. Lisäksi hydraatin päähajoaminen tapahtuu paineen laskun vuoksi, ja pohjaan syötetty lämpö mahdollistaa sekundaarihydraatin muodostumisen vyöhykkeen pienentämisen, millä on positiivinen vaikutus tuotantonopeuteen. Yhdistelmämenetelmän (sekä lämpömenetelmän) haittana on tuotetun veden suuri määrä (katso taulukko 1).

Johtopäätös

Näin ollen öljy- ja kaasuteknologian nykyisellä tasolla on vaikea odottaa, että hydraateista tuotetun kaasun kustannukset olisivat verrattavissa perinteisten kaasukenttien hintoihin. Tämän eräpäivä on suuria ongelmia ja kehittäjien ja tutkijoiden kohtaamat vaikeudet. Kaasuhydraatteja voidaan kuitenkin verrata jo toiseen epätavanomaiseen kaasulähteeseen, kivihiilipetimetaaniin. Kaksikymmentä vuotta sitten uskottiin, että metaanin erottaminen hiilialtaista oli teknisesti vaikeaa ja kannattamatonta. Nyt pelkästään Yhdysvalloissa tuotetaan noin 45 miljardia m3 vuosittain yli 10 tuhannesta kaivosta, mikä saavutettiin öljy- ja kaasutieteen kehittämisen ja luomisen kautta. uusimmat tekniikat kaasun tuotanto. Analogisesti hiilipetimetaanin kanssa voidaan päätellä (ks. taulukko 2), että kaasun tuotanto hydraateista voi osoittautua varsin kannattavaksi ja alkaa lähitulevaisuudessa.

Kirjallisuus

1. Lerche Ian. Arviot maailmanlaajuisista kaasuhydraattivaroista. Paperi OTC 13036, esitelty vuoden 2001 offshore-teknologiakonferenssissa Houstonissa, Texasissa, 30. huhtikuuta - 3. toukokuuta 2001.

2. Makogon, Y.F., Holditch, S.A., Makogon T.Y. Venäjän kenttä kuvaa kaasuhydraatin tuotantoa. Oil&Gas Journal, 7. helmikuuta 2005, voi. 103,5, s. 43-47.

3. Ginsburg G.D., Novozhilov A.A. Hydraateista Messoyakhan kentän syvyyksissä.// “Kaasuteollisuus”, 1997, nro 2.

4. Collett, T.S. Prudhoe Bayn ja Kuparuk-joen alueen maakaasuhydraatit, North Slope, Alaska: AAPG Bull., Voi. 77, nro 5, 1993, s. 793-812.

5. Ali G. Kadaster, Keith K. Millheim, Tommy W. Thompson. Hot Ice #1 - Gas Hydrate Exploration Wellin suunnittelu ja poraus Alaskan arktisella alueella. Paperi SPE/IADC 92764 esitelty SPE/IADC-porauskonferenssissa Amsterdamissa, Alankomaissa, 23.-25.2.2005.

6. Dallimore, S., Collett, T., Uchida, T. Tieteelliset tulokset JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 kaasuhydraattitutkimuksesta Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Kanada. Geological Survey of Canada, Bulletin 544, 1999, s. 403.

7. Takahashi, H., Yonezawa, T., Takedomi, Y. Exploration for Natural Hydrate in Nankai-Trough Wells Offshore Japan. Esitelmä vuoden 2001 offshore-teknologiakonferenssissa Houstonissa, Texasissa, 30. huhtikuuta - 3. toukokuuta 2001. OTC 13040.

8. Takahashi, H., Tsuji, Y. Japani tutkii hydraatteja Nankain aallonpohjasta. Oil&Gas Journal, 5. syyskuuta 2005, voi. 103.33, s. 48-53.

9. Takahashi, H., Tsuji, Y. Japani poraa, puuhaa kaasuhydraattikaivoja Nankai-pohjassa. Oil&Gas Journal, 12. syyskuuta 2005, voi. 103.34, s. 37-42,

10. Solovjov V.A. Maailman valtameren pohjamaan kaasuhydraattipitoisuus // "Kaasuteollisuus", 2001, nro 12.

11. Agalakov S.E. Kaasuhydraatit Turonin esiintymissä Länsi-Siperian pohjoisosassa // "Geology of Oil and Gas", 1997, nro 3.

Vain muutama vuosi sitten teoria "hiilivetyjen ehtymisestä" oli suosittu taloustieteilijöiden, toisin sanoen teknologiasta kaukana olevien ihmisten keskuudessa. Monet julkaisut, jotka muodostavat globaalin finanssieliitin, keskustelivat: millainen maailma on, jos esimerkiksi öljy loppuu pian planeetalta? Ja mitkä ovat sen hinnat, kun "uupumus" siirtyy niin sanotusti aktiiviseen vaiheeseen?

Kuitenkin "liuskevallankumous", joka tapahtuu juuri nyt kirjaimellisesti silmiemme edessä, on poistanut tämän aiheen ainakin taustalle. Kaikille kävi selväksi, mitä vain harvat asiantuntijat olivat aiemmin sanoneet: planeetalla on edelleen tarpeeksi hiilivetyjä. On selvästi liian aikaista puhua heidän fyysisestä uupumuksestaan.

Todellinen kysymys on uusien tuotantotekniikoiden kehittäminen, jotka mahdollistavat hiilivetyjen talteenoton aiemmin saavuttamattomina pidetyistä lähteistä, sekä niiden avulla saatujen resurssien kustannukset. Voit saada melkein mitä tahansa, se tulee vain kalliimmaksi.

Kaikki tämä pakottaa ihmiskunnan etsimään uusia "epätavanomaisia ​​perinteisen polttoaineen lähteitä". Yksi niistä on edellä mainittu liuskekaasu. GAZTechnology on kirjoittanut useammin kuin kerran sen tuotantoon liittyvistä eri näkökohdista.

Tällaisia ​​lähteitä on kuitenkin muitakin. Heidän joukossaan ovat tämän päivän materiaalimme - kaasuhydraatit - "sankarit".

Mikä se on? Yleisimmässä mielessä kaasuhydraatit ovat kiteisiä yhdisteitä, jotka muodostuvat kaasusta ja vedestä tietyssä lämpötilassa (melko matalassa) ja paineessa (melko korkea).

Huomaa: useat kemikaalit voivat osallistua niiden muodostumiseen. Emme välttämättä puhu erityisesti hiilivedyistä. Ensimmäiset tutkijoiden havaitsemat kaasuhydraatit koostuivat kloorista ja rikkidioksidista. Tämä tapahtui muuten 1700-luvun lopulla.

Kuitenkin, koska olemme kiinnostuneita käytännön näkökohtia Maakaasun tuotantoon liittyen puhumme tässä ensisijaisesti hiilivedyistä. Lisäksi todellisissa olosuhteissa metaanihydraatit hallitsevat kaikkia hydraatteja.

Teoreettisten arvioiden mukaan tällaisten kiteiden varannot ovat kirjaimellisesti hämmästyttäviä. Varovaisimpien arvioiden mukaan puhumme 180 biljoonasta kuutiometriä. Optimistisempien arvioiden mukaan luku on 40 tuhatta kertaa suurempi. Kun otetaan huomioon tällaiset indikaattorit, olet samaa mieltä siitä, että on jotenkin hankalaa puhua hiilivetyjen ehtymisestä maan päällä.

On sanottava, että Neuvostoliiton tutkijat esittivät hypoteesin valtavien kaasuhydraattiesiintymien esiintymisestä Siperian ikiroudassa viime vuosisadan kauhealla 40-luvulla. Pari vuosikymmentä myöhemmin se löysi vahvistuksensa. Ja 60-luvun lopulla yhden talletuksen kehittäminen jopa alkoi.

Myöhemmin tutkijat laskivat: vyöhyke, jolla metaanihydraatit pystyvät pysymään vakaana, kattaa 90 prosenttia koko maapallon meren ja valtameren pohjasta ja plus 20 prosenttia maasta. Osoittautuu, että puhumme mahdollisesti laajalle levinneestä mineraalivarasta.

Ajatus "kiinteän kaasun" poistamisesta näyttää todella houkuttelevalta. Lisäksi yksikkötilavuus hydraattia sisältää noin 170 tilavuutta itse kaasua. Toisin sanoen näyttää siltä, ​​että riittää saada vain muutama kide, jotta saadaan suuri hiilivetyjen saanto. Fysikaalisesta näkökulmasta ne ovat kiinteässä tilassa ja edustavat jotain löysää lunta tai jäätä.

Ongelmana on kuitenkin se, että kaasuhydraatit sijaitsevat yleensä hyvin vaikeapääsyisissä paikoissa. ”Ikiroudan sisäisissä kerrostumissa on vain pieni osa maakaasuhydraatteihin liittyvistä kaasuvaroista. Suurin osa resursseista rajoittuu kaasuhydraatin stabiilisuusvyöhykkeelle - sille syvyysalueelle (yleensä ensimmäiset sadat metrit), jossa esiintyvät termodynaamiset olosuhteet hydraatin muodostumiselle. Länsi-Siperian pohjoisosassa tämä on 250-800 metrin syvyysväli, merissä - pohjapinnasta 300-400 metriin, erityisesti hyllyn syvänmeren alueilla ja mannerrinteessä jopa 500-600 metrin syvyyteen asti. pohja. Juuri näillä aikaväleillä löydettiin suurin osa maakaasuhydraateista”, Wikipedia raportoi. Puhumme siis pääsääntöisesti työskentelystä äärimmäisissä syvänmeren olosuhteissa, korkeassa paineessa.

Kaasuhydraattien uuttaminen voi aiheuttaa muita vaikeuksia. Tällaiset yhdisteet kykenevät esimerkiksi räjähtämään jopa lämpötilassa pieniä aivotärähdyksiä. Ne muuttuvat hyvin nopeasti kaasutilaan, mikä rajoitetussa tilavuudessa voi aiheuttaa äkillisiä painepiikkejä. Erikoistuneiden lähteiden mukaan juuri näistä kaasuhydraattien ominaisuuksista on tullut lähde vakavia ongelmia Kaivoslautoilla Kaspianmerellä.

Lisäksi metaani on yksi kaasuista, jotka voivat aiheuttaa kasvihuoneilmiön. Jos teollinen tuotanto aiheuttaa sen valtavia päästöjä ilmakehään, se voi pahentaa ongelmaa. ilmaston lämpeneminen. Mutta vaikka näin ei tapahdu käytännössä, "vihreiden" tarkka ja epäystävällinen huomio tällaisiin hankkeisiin on käytännössä taattu. Ja heidän asemansa monien valtioiden poliittisessa kirjossa ovat nykyään erittäin, hyvin vahvat.

Kaikki tämä vaikeuttaa hankkeiden äärimmäisen vaikeaa kehittää teknologioita metaanihydraattien uuttamiseksi. Itse asiassa ihan oikeasti teollisia menetelmiä Tällaisia ​​resursseja ei ole vielä kehitetty planeetalla. Asianmukainen kehitys on kuitenkin käynnissä. Tällaisten menetelmien keksijöille on jopa myönnetty patentteja. Niiden kuvaus on joskus niin futuristinen, että se näyttää kopioitulta tieteiskirjasta.

Esimerkiksi "Menetelmä kaasuhydraattihiilivetyjen uuttamiseksi vesialtaiden pohjalta ja laite sen toteuttamiseksi (RF-patentti nro 2431042)", esitetään verkkosivustolla http://www.freepatent.ru/: "The Keksintö liittyy merenpohjassa sijaitsevien mineraalien kaivosalaan. Tekninen tulos on kaasuhydraattihiilivetyjen tuotannon lisääminen. Menetelmä koostuu pohjakerroksen tuhoamisesta altaan pohjaa pitkin liikkuvalle pystykuljettimelle asennettujen kauhojen terävillä reunoilla käyttämällä toukkaliikkuria, johon nähden kuljetinhihna liikkuu pystysuunnassa, jolloin se voi haudata pohjaan. . Tällöin kaasuhydraatti nostetaan kaatun suppilon pinnalla vedestä eristetylle alueelle, jossa se lämmitetään ja vapautunut kaasu kuljetetaan pintaan suppilon yläosaan kiinnitetyn letkun avulla altistaen sen. lisälämmitykseen. Myös menetelmän toteuttamiseen ehdotetaan laitetta." Huomaa: kaiken tämän täytyy tapahtua merivedessä useiden satojen metrien syvyydessä. On vaikea edes kuvitella, kuinka monimutkainen tämä suunnittelutehtävä on ja kuinka paljon tällä tavalla tuotettu metaani voisi maksaa.

On kuitenkin muitakin tapoja. Tässä on kuvaus toisesta menetelmästä: "On tunnettu menetelmä kaasujen (metaani, sen homologit jne.) erottamiseksi kiinteistä kaasuhydraateista merien ja valtamerten pohjasedimentteistä, jossa kaksi putkipylvästä upotetaan kaivoon. porataan tunnistetun kaasuhydraattikerroksen pohjalle - ruiskutus ja poisto. Luonnonlämpöinen tai lämmitetty vesi tulee sisään ruiskutusputken kautta ja hajottaa kaasuhydraatit "kaasu-vesi" -järjestelmäksi, joka kerääntyy kaasuhydraattimuodostelman pohjalle muodostuvaan pallomaiseen loukkuun. Toisen putkikolonnin kautta vapautuvat kaasut pumpataan ulos tästä loukvasta... Tunnetun menetelmän haittana on vedenalaisen porauksen tarve, joka on teknisesti työlästä, kallista ja aiheuttaa joskus korjaamattomia häiriöitä säiliön olemassa olevaan vedenalaiseen ympäristöön.” (http://www.findpatent.ru).

Muita tämän tyyppisiä kuvauksia voidaan antaa. Mutta jo luetellun perusteella on selvää: metaanin teollinen tuotanto kaasuhydraateista on vielä tulevaisuuden kysymys. Se vaatii monimutkaisimpia teknisiä ratkaisuja. Eikä tällaisten hankkeiden taloudellinen merkitys ole vielä selvä.

Työ tähän suuntaan on kuitenkin käynnissä ja melko aktiivisesti. He ovat erityisen kiinnostuneita maista, jotka sijaitsevat maailman nopeimmin kasvavalla alueella, mikä tarkoittaa, että se tarjoaa yhä uutta kaasupolttoaineen kysyntää. Se on noin Tietenkin Kaakkois-Aasiasta. Yksi tähän suuntaan työskentelevistä valtioista on Kiina. Siten People's Daily -lehden mukaan merigeologit suorittivat vuonna 2014 laajamittaisia ​​tutkimuksia yhdestä sen rannikon lähellä sijaitsevasta paikasta. Poraus on osoittanut, että se sisältää erittäin puhtaita kaasuhydraatteja. Kaivoa tehtiin yhteensä 23 kappaletta. Tämä mahdollisti kaasuhydraattien leviämisalueen olevan alueella 55 neliökilometriä. Ja sen varannot ovat kiinalaisten asiantuntijoiden mukaan 100-150 biljoonaa kuutiometriä. Annettu luku on suoraan sanottuna niin suuri, että se pistää miettimään, onko se liian optimistinen ja voidaanko tällaisia ​​resursseja todella saada (yleensä Kiinan tilastot herättävät usein kysymyksiä asiantuntijoiden keskuudessa). Siitä huolimatta on selvää: kiinalaiset tutkijat työskentelevät aktiivisesti tähän suuntaan etsiessään tapoja tarjota nopeasti kasvavalle taloutelleen kipeästi kaivattuja hiilivetyjä.

Japanin tilanne on tietysti hyvin erilainen kuin Kiinassa. Polttoaineen toimittaminen nousevan auringon maahan edes rauhallisempina aikoina ei kuitenkaan ollut vähäpätöinen tehtävä. Loppujen lopuksi Japani on vailla perinteisiä luonnonvaroja. Ja Fukushiman ydinvoimalassa maaliskuussa 2011 tapahtuneen tragedian jälkeen, joka pakotti maan viranomaiset yleisen mielipiteen painostuksesta vähentämään ydinenergiaohjelmia, tämä ongelma paheni lähes äärimmilleen.

Siksi vuonna 2012 yksi japanilaisista yrityksistä aloitti koeporauksen merenpohjan alle vain muutaman kymmenen kilometrin etäisyydellä saarista. Itse kaivojen syvyys on useita satoja metrejä. Plus valtameren syvyys, joka tuossa paikassa on noin kilometri.

On myönnettävä, että vuotta myöhemmin japanilaiset asiantuntijat onnistuivat saamaan ensimmäisen kaasun tästä paikasta. Täydellisestä menestyksestä ei kuitenkaan vielä voida puhua. Teollisuustuotanto tällä alueella voi japanilaisten itsensä mukaan alkaa aikaisintaan vuonna 2018. Ja mikä tärkeintä, on vaikea arvioida polttoaineen lopullista hintaa.

Siitä huolimatta voidaan todeta: ihmiskunta on edelleen hitaasti lähestymässä kaasuhydraattiesiintymiä. Ja on mahdollista, että tulee päivä, jolloin se erottaa niistä metaania todella teollisessa mittakaavassa.