2.2.8. Газовые гидраты

Газовыми гидратами называют твердые растворы, которые большинство газов (за исключением гелия, водорода и Н-Бутана) при определенном давлении и температуре образуют с водой. При формировании газогидратов, молекулы воды создают с помощью водородной связи кристаллические решетки, в полости которых внедряются молекулы только одного определенного газа, где они удерживаются слабыми ван-дер- ваальсовыми силами.

Иногда такие твердые растворы газа в воде называют клатратами, что означает по латыни «защищенные решеткой» или кристаллогидратами.
Впервые гидраты газов (сернистого газа и хлора) наблюдали еще в конце XVIII века Дж. Пристли, Б. Пелетье и В. Карстен. В 1810 г. газовые гидраты были описаны Г. Дэви. К 1888 году П. Виллар получил гидраты CH4, C2H6, C2H4, C2H2, и N2O.
В 1940-е годы советские ученые высказывают гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты.
В 1960-е годы были обнаружены первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальные источник топлива.
Внешний вид этих кристаллических веществ напоминает снег или фирн (рыхлый лед). Попадание молекул метана в «ловушку» из молекул воды и смерзание их в твердое вещество возможно только при относительно высоком давлении и низких температурах. Такие условия складываются в морях и океанах на глубине 250-600 м. Они часто имеют характерный запах природного газа, и могут гореть. Благодаря своей клатратной структуре единичный объем газового гидрата может содержать до 160-180 объемов чистого газа. Они легко распадаются на воду и газ при повышении температуры.
При извлечении из воды «подводный снег» начинает быстро распадаться на воду и метан. По оценкам экспертов, общее количество метана, содержащегося в газогидратах, на порядок превышает запасы углеводородов в традиционных месторождениях газа.
Газогидраты обнаружены во многих нефтегазоносных провинциях России, там, где существуют зона многолетнемерзлых пород и в придонных слоях морской воды - до глубины нескольких метров ниже дна. Им соответствуют до 23 % площади континентов, особенно Евразии и 90 % площади Мирового океана. Ресурсы газа на этих площадях сопоставимы с запасами свободного газа в залежах. В России газогидраты могут занимать около половины территории суши, которая промерзает на глубину от 500 до 1000 м. Они обнаружены и в придонных осадках Балтийского, Черного и Каспийского морей, в придонных отложениях озера Байкал. Впервые единая газогидратная и газовая залежь была выявлена на северо-востоке Западной Сибири на Мессояхском месторождении в сеноманских песчаниках. Залежь расположена на глубине около 800 м, где в газогидратном состоянии находится 75 % газа. Пластовая температура в залежи меняется от 8,4 до 12,5 °С, а давление - от 7,5 до 8,5 МПа [57].
Общая формула газовых гидратов М-пН2О, где М - молекула газа. Значения n меняются от 5,75 до 17, в зависимости от состава газа и условий образования гидратов. В реальных условиях n может быть больше, вследствие неполного заполнения полости решетки гидрата молекулами газа - гидратообразователя. Состав некоторых гидратов при температуре 0 °С и равновесном давлении следующий: СН4 • 5,9Н2О; СО2 • 6,0Н2О; N2 • 6,0H2O, H2S • 6,1H2O, C2H6 • 8,2H2O, C3H8 • 17H2O, C4H10 • 17H2O.
Формирование газовых гидратов происходит с выделением тепла и определяется составом газа, температурой и давлением.

Обычно они образуются при температуре ниже 30 °С и повышенном давлении. При 0 °С гидрат метана образуется при давлении 3 МПа, гидрат этана при 0,5 МПа, гидрат пропана при 0,15 МПа, гидрат диоксида углерода при 1 МПа, гидрат азота при 15 МПа. При температуре 25 °С гидрат метана образуется уже при давлении 40 МПа. Плотность газогидратов лежит в пределах от 0,9 до 1,1 г/см3.
При добыче газа гидраты могут образовываться в стволах скважин, промысловых коммуникациях и магистральных газопроводах. Отлагаясь на стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность.
Для борьбы с образованием гидратов на газовых промыслах вводят в скважины и трубопроводы ингибиторы (метиловый спирт, гликоли, 30 %-ный раствор CaCl2), а также поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляцией трубопроводов и подбором режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективной является газоосушка - очистка газа от паров воды.
Разложение газогидратов на газ и воду связано с повышением температуры или снижением давления. При образовании газогидратов один объем воды связывает от 70 до 220 объемов газа, поэтому при данных термобарических условиях в одном и том же объеме в газогидратах может содержаться углеводородных газов в несколько раз больше, чем в свободном газе. Газогидраты не образуются в воде, потому что концентрация растворенного газа там во много раз меньше концентрации, равновесной с газогидратом (исследования В.П. Царева, Ю.Ф. Макогона и др.).
Газогидраты образуются из свободного газа на разделе газ - вода, а из растворенного газа - на разделе горная порода - вода, так как на поверхности минеральных частиц имеется слой адсорбированных молекул газа.
Природные газовые гидраты, залежи которых содержатся в океанических осадках и в арктической вечной мерзлоте, содержат значительные количества природного газа, в основном метана. Из кубометра газогидратов можно получить около 160 кубометров метана. Запасы газогидратов огромны, предположительно они превышают все разведанные на текущий момент запасы природного газа [14; 38].
Громадный резерв топлива в виде газовых гидратов сосредоточен по всему миру, как в недрах Земли, так и на дне Мирового океана (рис. 2.9) [15; 41].В ряде стран (США, Япония, Индия) разработаны национальные программы исследования природных газовых гидратов (их использование в качестве перспективного источника энергии, индикация сопутствующих нефтяных и газовых месторождений). Индийская национальная программа нацелена на широкомасштабное исследование месторождений природных газовых гидратов, находящихся в пределах континентального склона вокруг полуострова Индостан. Индийское правительство выделило значительные средства для реализации этой программы.

Рис. 2.9. Разведанные месторождения природных газовых гидратов на Земле (по Дядину Ю.А., Гущину А.Л., 1998)
В соответствии с ней к 2010 году Индия намеривается начать промышленную добычу природного газа из газовых гидратов.

<< | >>

↑

Источник: Чернова О.С.. Основы геологии нефти и газа: учебное пособие. 2008

Еще по теме 2.2.8. Газовые гидраты:

- Историческая геология, палеонтология - Геодезия - Геология -