Gas hydrates - big potential with uncertain future

Газогидраты - большой потенциал с неясным будущим

Мессояхское месторождение, залегающее под вечной мерзлотой в Западной Сибири, уже тридцать лет обеспечивает газом Норильск и его многочисленные промышленные предприятия. Это месторождение уникально тем, что при его разработке советские геологи неожиданно добились первого успешного промышленного освоения запасов газовых гидратов, которые многие называют "топливом будущего". В нашем специальном репортаже мы исследуем, что собой представляют газогидраты и почему на них возлагаются такие большие надежды.

По внешнему виду газовые гидраты напоминают прессованный снег или грязный лед. Собственно, так оно почти и есть - ведь это твердые кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и низкомолекулярных газов. Основным структурным элементом гидратов является кристаллическая ячейка из молекул воды, внутри которой размещена молекула газа. Благодаря своей структуре единичный объем газового гидрата может содержать до 160-180 объемов чистого газа, поэтому такой кусок льда вспыхнет пламенем, если к нему поднести зажженную спичку.

Всего несколько лет назад никто не думал о гидратах, как об источнике энергии. Специалистам нефтегазовой отрасли они больше всего известны по их способности формировать пробки, забивающие трубопроводы и НКТ. И если раньше гидраты изучались именно с позиции предотвращения таких технологических проблем, то с момента обнаружения залежей природных гидратов их стали рассматривать как наиболее перспективный источник энергии в будущем.

Энергетический кризис уже не страшен?

Хотя многие газы формируют гидраты в природе, гидрат метана является наиболее распространенным. Исследования последних двух десятилетий показали, что залежи гидрата метана в толще вечной мерзлоты на суше и под океанским дном могут соперничать со всеми обычными месторождениями энергоносителей. По предварительным оценкам, общие объемы метана в природных гидратах оцениваются огромными цифрами - от 3000 до 7000 трлн куб. м. Для сравнения, оценка оставшихся и неоткрытых мировых запасов традиционного природного газа составляет всего около 370 трлн кубометров. При нынешнем уровне потребления газа запасов метана в гидратах хватит примерно на 1000 лет. И даже если им заменить абсолютно все виды ископаемого топлива, его все равно хватит, по крайней мере, на столетие.

Кроме этого, горение метана выделяет значительно меньше СО₂ в атмосферу, чем сжигание угля или нефти. И с увеличивающейся обеспокоенностью, связанной с повышением выбросов углекислого газа (которые в 2008 году, несмотря на экономический спад, увеличились на 2%), эти открытия делают газогидраты потенциальной золотой жилой, которую страны и энергетические компании в настоящее время с нетерпением исследуют.

К сегодняшнему дню сейсморазведочными и буровыми работами обнаружено около двухсот мест скопления природных газовых гидратов на суше и в море. Для их образования необходимы низкие температуры (близкие к 0^оС) и повышенное давление (примерно 50 атмосфер), т.е. условия, встречающиеся в областях залегания мощных толщ многолетнемерзлых пород (свыше 300 м) и в придонных отложениях Мирового океана на континентальном шельфе, где залежей газовых гидратов особенно много (вплоть до 98% запасов сосредоточены как раз на шельфе). Все это делает этот ресурс глобальным источником энергии.

По предварительным оценкам специалистов института "Газпром ВНИИГАЗ", в российских гидратах (в основном на шельфе) содержится порядка 1100 трлн кубометров газа. Перспективными районами для первоочередных работ по поиску и разведке газогидратных залежей на суше являются Ямбургское и Заполярное месторождения (ЯНАО). Большие перспективы обнаружения залежей гидратов связаны и с Восточно-Мессояхским месторождением, а в отношении субаквальных ресурсов - с Охотским и Черным морями. В последнем, по предварительным оценкам, ресурсы гидратного газа достигают примерно 30 трлн куб. м.

Из-за сокращающихся запасов традиционного природного газа газовые гидраты быстро приобретает популярность в качестве ответа на энергетический кризис. Поэтому стремление многих стран (особенно стран-импортеров газа: США, Японии, Китая, Тайваня) освоить этот ресурс вполне объяснимо. Но, несмотря на последние успехи геологоразведочного бурения и экспериментальных исследований гидратов в пористых средах, вопрос об экономически рентабельном и безопасном способе добычи газа из гидратов остается по-прежнему открытым.

Главный вопрос: как его добыть?

Разложение гидратов метана на газ и воду весьма энергоемкий процесс. Чтобы добыть газ из пластовых гидратов, требуется понизить давление в пласте, избежать понижения температуры пласта ниже 0^оС при оттаивании гидратов и обеспечить приток газа к забою, избежав притока воды из оттаивающих гидратов. Поэтому задача добычи газа из гидратных скоплений - комплексная, и должна решаться для каждого скопления в индивидуальном порядке.

Разработка технологий добычи метана из гидратов до последнего времени оставалась прерогативой газовой промышленности и происходила медленно. В настоящее время существуют три основных способа добычи газа из гидратосодержащих пластов:

• Тепловой - нагревание пласта выше температуры стабильности гидратов с помощью закачки горячей воды или пара;
• Химический - закачка ингибитора, такого как метанол или гликоль, что приводит к изменению значения равновесных параметров гидратов, приводя к их разложению и выделению метана;
• Депрессионный - снижение пластового давления ниже уровня равновесия гидратов.

Хотя тепловая стимуляция является технически возможной, экономические затраты, скорее всего, будут непомерно высокими. Аналогичным образом, "затопление" гидратных скоплений ингибиторами является нецелесообразным по экономическим и экологическим причинам. Из этого следует, что наиболее экономически перспективным методом добычи газа из гидратов является депрессионный.

В 2002 году исследователи протестировали тепловой и депрессионный методы в полевых условиях на буровой площадке "Маллик" в канадской Арктике. Оба были успешными, но энергетические расходы на тепловой метод почти перевесили выигрыш от полученной энергии из высвобожденного метана. Потенциал депрессионного метода был подтвержден в марте 2008 года, когда канадские инженеры использовали эту технологию для добычи 20000 кубометров метана в течение шести дней с месторождения, расположенного на глубине 1 км под Малликом.

Аналогичным образом, в 2007 году Южная Корея использовала снижение давления для извлечения метана из гидратов в бассейне Уллеунг в Восточном (Японском) море. Должностные лица считают, что запасы там могут удовлетворить потребности страны в газе на 30 лет, и они планируют начать производство к 2015 году. Тем временем Япония, еще одна страна с ограниченными запасами ископаемого топлива, нашла до 50 трлн куб. м. газогидратов на юго-востоке острова Хонсю во впадине Нанкай - этого достаточно, чтобы снабжать страну природным газом на протяжении столетий. В марте 2008 года японский кабинет министров обязался начать промышленное производство газа из гидратов в 2016 году.

Таким образом, добыча метана из гидратов представляется неизбежной, однако желательно ли это - совсем другой вопрос.

Экологический аспект

Критики утверждают, что мир не должен добывать новый экзотический энергоноситель в то время, как мы обязались построить низкоуглеродную экономику. Метан может и выделяет меньше углекислого газа при сгорании, чем уголь, но переход на метан не поможет странам в достижении амбициозных целей по сокращению выбросов парниковых газов до 80% к 2050 году.

Что еще хуже, метан сам может усугубить глобальное потепление, если он начнет просачиваться из залежей в атмосферу. В глазах климатологов метан - не столько ценный энергоноситель, сколько третий по значимости парниковый газ и один из главных виновников глобального потепления: парниковые свойства метана примерно в 20 раз выше, чем у эквивалентной массы углекислого газа. Гидраты существуют в хрупком равновесии, и есть опасения, что в результате глобального потепления и повышения температуры Мирового океана залегающие на дне гидраты могут буквально "расплавиться" даже без вмешательства проектов по их добыче, вызывая выделение этого мощного парникового газа. В результате может возникнуть неконтролируемая цепная реакция, сопровождаемая резким выбросом газа в атмосферу, способным вызвать оползни и даже цунами. В истории Земли уже имели место катастрофические выбросы метана в атмосферу в результате глобального потепления. Например, это произошло в конце последнего ледникового периода.

Впрочем, некоторые ученые полагают, что утверждения о рискованности добычи метана из гидратов - это не более чем страшилки с мало подтвержденными фактами. Например, в Китае и Индии опасаются, что Запад нарочно хочет помешать их попыткам освоения гидратов.

Одной пулей - двух зайцев

Кроме вышеперечисленных трех методов может быть и более безопасный и экологически правильный способ освоения залежей гидратов, который, в случае успеха, подавит всю критику. Поскольку другие газы также могут формировать гидраты, должно быть возможным закачать один из этих газов в гидратные кристаллы, вытесняя метан. Идеальным кандидатом считается углекислый газ: его гидраты более стабильны, а это означает, что другой парниковый газ будет храниться от греха подальше.

Американская нефтегазовая корпорация ConocoPhillips была выбрана Министерством энергетики США, чтобы выполнить первое полевое испытание этой перспективной технологии замещения, которая позволила бы осуществить добычу метана из газогидратов на Северном склоне Аляски. Разработкой технологии ConocoPhillips занималась с Университетом Бергена (Норвегия) с 2003 года. Наиболее важным наблюдением в лаборатории явилось то, что процесс замещения не предполагает выделение свободной воды в поры. Вместо этого, процесс, похоже, разъединяет и переформировывает гидраты очень быстрыми темпами, не производя проблем, связанных с тепловым эффектом реакции.

Проект с бюджетом $14,7 млн долларов был начат 1 октября 2008 года и осуществляется в 3 фазы в течение 27 месяцев. Начало Фазы 3 как раз планируется на январь 2010 года при условии успешного завершения Фазы 2 и одобрения Министерства энергетики США. Это испытание ответит на два главных вопроса. Во-первых, будет ли доказанный в лабораторных условиях механизм замещения работать в полевых условиях, также обеспечивая минимальное образование воды? Во-вторых, какие темпы и уровень эффективности замещения удастся достигнуть?

При сегодняшнем интересе в технологиях улавливания и хранения СО₂ этот метод представляет интригующую возможность. До сих пор акцент делался на старых нефтяных скважинах, соляных месторождениях и даже старых угольных шахтах. Большой проблемой является то, что дорогостоящая инфраструктура для утилизации СО₂ может быстро сделать использование ископаемых топлив нерентабельным по сравнению с альтернативными источниками энергии, такими как, например, солнечная, ветровая и ядерная. Поэтому вышеописанный способ может быть ответом.

Переворот на рынке энергии

Практически все гидратные месторождения требуют создания новых методов и технологий, поэтому начало их промышленной разработки, по всей вероятности, потребует минимум десятилетия. Однако ученые отмечают, что себестоимость гидратного газа с течением времени будет падать, т.к. залежи расположены на относительно небольших глубинах, а технологии неизменно совершенствуются. Появление на мировом газовом рынке газогидратного газа приведет к коренной реорганизации мирового энергетического рынка. Гидратное "голубое топливо" скорее всего будет конкурировать именно с СПГ, в то время как традиционный трубный газ долгое время будет удерживать позиции хотя бы по той причине, что контракты на его поставку заключаются на двадцать-тридцать лет.

Страны, которые сейчас рассматриваются как перспективные крупные покупатели для традиционных поставщиков газа и на которые нацелены долгосрочные контракты, могут быстро превратиться в энергетически самодостаточные государства. Более того, некоторые из них со временем могут выступить в качестве конкурентов существующим производителям, поставляя газ из газогидратов ближайшим соседям, у которых нет традиционных ресурсов и выхода к морю.

В гонке за новым источником энергии лидерство сейчас принадлежит Японии. Однако в соответствии с объемами инвестиций и количеством реализуемых проектов за Японией плотно пристроились США. Наращивают инвестиции Китай, Индия и Южная Корея. Кроме того, в последнее десятилетие шельфовыми гидратами все интенсивнее интересуются Канада, Норвегия, Германия, Франция, Италия, Украина и Австралия.

В России же ситуация с существующими месторождениями тоже не из лучших - крупнейшие отечественные промыслы вошли в стадию падающей добычи, а некоторые находятся на грани истощения. Разработка газогидратных залежей позволит снова загрузить существующие мощности, а во время глобального передела рынка энергоносителей это поможет России сохранить статус мирового энергетического лидера.

Однако в отличие от США и Японии, которые имеют государственные программы, направленные на развитие газогидратных технологий и финансируемые за счет средств федеральных бюджетов, в России таких программ нет. Если посмотреть на те технологии, которые Министерство образования и науки утвердило в качестве приоритетных, и по которым сейчас готовятся конкурсы для финансирования соответствующих проектов, можно заметить, что совсем исчезло направление, связанное с топливом будущего. В этой ситуации игнорируя освоения газогидратных месторождений Россия, несмотря на большие запасы традиционного природного газа, может в будущем оказаться вытесненной с мирового газового рынка.

Хочется верить в то, что газогидраты, учитывая их потенциал, в конечном итоге получат приоритет в программе развития российской энергетики и принесут людям пользу, перейдя из категории потенциально привлекательных источников топлива будущего в категорию мощного и эффективного энергоресурса настоящего.