Нетрадиционные ресурсы природных газов.

 

Газообразные углеводороды и, прежде всего, метан широко распространены в природе не только в виде крупных залежей традиционного природного газа в пористых и трещиноватых осадочных породах или в растворенном виде в нефти. Огромное количество метана рассеяно в осадочных и изверженных горных породах и в илах озер, морей и океанов. Метан содержится в кристаллических сланцах, мраморах, гнейсах, гранитах и других горных породах, причем на каждый килограмм породы приходится до 0,1 м³ метана. В небольших концентрациях метан растворен в пресной и морской воде, входит в состав почвенного воздуха и является одной из важных составляющих земной атмосферы. Много метана растворено в пластовых водах на глубинах 1,5-5 км. К нетрадиционным ресурсам природного газа относятся: метан угленосных толщ, водорастворенные газы подземной гидросферы, природные газовые гидраты.

 

Удельное газосодержание подземных вод относительно невелико (0,3 – 20 м³ газа на 1 м³ воды), что затрудняет добычу газа в промышленных масштабах. Общие ресурсы газа в подземных водах до глубины 4500 м могут достигать 10 000 трлн м³. Однако вследствие низкого газосодержания,

 

 

промышленная добыча возможна лишь в небольших объемах и в местах аномально высокой газонасыщенности подземных вод (например, месторождение Мобара в Японии, где газосодержание подземных вод в хорошо проницаемых породах на глубине 200 – 600 м достигает 25 – 28 м³ на 1 м³ добываемой воды). Поэтому газ подземной гидросферы рассматривается как весьма проблематичный источник природного газа [16].

 

Важным источником практически чистого метана могут служить залежи каменного угля. Большие объемы метана выделяются в угольных пластах при метаморфизме угля, который сопровождается низкотемпературным термохимическим распадом органического вещества. Количество выделяющегося метана на одну тонну угольного вещества увеличивается от 161 м³ при образовании бурого угля до 192 м³ при образовании каменного угля. В процессе метаморфизма происходит изомеризация углеродсодержащих группировок атомов с образованием более устойчивых структурных элементов ароматической графитоподобной решетки. Распад функциональных групп приводит к переходу части органического вещества в газовую фазу в виде молекул СО₂, СО, СН₄ и т.п. Гомогенный твердофазный процесс изомерной перегруппировки атомов протекает самопроизвольно и имеет низкую энергию активации 29-53 кДж/моль [20].

 

Метан скапливается благодаря адсорбции в угле, в вертикальных разломах и трещинах угольных пластов, расслоениях и трещинах между ними. Из одной тонны угля обычно выделяется 6-8 м³ газа. Так как мировые ресурсы угля составляют примерно 10⁴ млрд т, содержание газа в угольных залежах сопоставимо с его содержанием в газовых месторождениях. По разным источникам в угленосных толщах угольных бассейнов мира содержится от 85 до 262 трлн м³ природного газа. Поэтому даже умеренная добыча газа из угольных пластов могла бы внести существенный вклад в обеспечение мира природным газом.

 

 

В объеме газодобычи ряда стран «нетрадиционный» газ уже сейчас занимает заметное место. В США активная добыча угольного метана ведется с 50-х годов, а ее годовой объем в настоящее время превышает 38 млрд м³, что составляет 7% от общей добычи природного газа. Планы добычи шахтного метана разрабатываются также в Австралии, Канаде, Китае, Индии, Индонезии и др. странах.

 

Большинство каменноугольных бассейнов России (Кузнецкий, Печорский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский и др.) являются газоугольными. Метаноносность таких высокометаморфизованных угольных пластов возрастает с увеличением глубины их залегания и достигает 40-50 м³/т. Предварительная дегазация угольных пластов является необходимым условием безопасной работы шахтеров и источником сопутствующего метана. Хотя шахтами отрасли ежегодно выбрасывается в атмосферу свыше 7,5 млрд м³ метана, его утилизация до сих пор практически не осуществляется.

 

Важным источником газообразного углеводородного сырья являются газы нефтеперерабатывающих заводов. В отличие от природных, в нефтезаводских газах содержатся не только насыщенные, но и ненасыщенные углеводороды. Кроме того, в состав этих газов обычно входят водород, сероводород и небольшое количество органических сернистых соединений. Основным источником нефтезаводских газов являются процессы деструктивной переработки нефти, а их состав зависит от конкретных процессов, применяемых на данном производстве.

 

Среди нетрадиционных источников углеводородных газов необходимо также отметить природные и антропогенные источники биогаза, преимущественно метана, образующегося в результате бактериального брожения органического вещества. В ряде стран, бедных энергоресурсами, например Индии, биогаз активно используется в бытовом секторе. Швеция и другие европейские страны реализуют проекты переработки отходов

 

 

сельскохозяйственной продукции и деревообработки в биогаз с последующим производством из него альтернативных моторных топлив. Биогаз может стать серьезным дополнительным источником углеводородного сырья, т.к. ежегодные воспроизводимые ресурсы биомассы в мире оцениваются в 200 млрд т.

 

Газовые гидраты.

 

Важное значение для оценки ресурсов природного газа имеет свойство метана и других газообразных углеводородов при высоком давлении и пониженной температуре образовывать с водой газовые гидраты - твердые кристаллические соединения с общей формулой C_nH_2n+2^.mH₂O, которые при высоких давлениях существуют и при положительных температурах. По структуре газовые гидраты это соединения включения (клатраты), образующиеся при внедрении молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды. Существуют два типа решетки гидратов: структура I, построенная из 46 молекул воды и имеющая 8 полостей, и структура II - 136 молекул воды, 16 малых полостей и 8 больших. Молекулы газа - гидратообразователя находятся в полостях решетки, которая может существовать только при наличии этих молекул [21].

 

Метан, этан, углекислый газ, сероводород и азот образуют гидраты структуры I, при которой формула полностью насыщенного газом гидрата 8M^.46H₂O, где М - молекула гидратообразователя. Пропан и изобутан образуют гидраты структуры II с идеальной формулой 8M^.136H₂O. Углеводороды с размерами молекул, большими, чем у изобутана, гидратов не образуют. Один объем воды при образовании гидрата связывает от 70 до 210 объемов газа, при этом удельный объем воды возрастает на 26-32%. При образовании гидрата метана один объем воды связывает 207 объемов метана, а 1 м³ гидрата метана содержит 164,6 м³ газа при нормальных условиях. При

 

 

этом объем, занимаемый газом в гидрате, не превышает 20%. Таким образом,

 

в гидратном состоянии 164,6 м³ газа занимают объем всего 0,2 м³ [22].

 

В природных условиях гидраты метана широко распространены и образуют крупные залежи метанового газа. Например, на океанском дне даже

 

при температуре +10^оС уже на глубине 700 м давление достаточно для образования газовых гидратов. Мировые ресурсы газа в газогидратных залежах, сосредоточенных на материках, определяются величиной около

 

10¹⁴ м³, а ресурсы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в акватории Мирового океана, в пределах шельфа и материкового склона - в 1,5 10¹⁶ м³ [23], хотя имеются и более высокие оценки. Энергия, высвобождающаяся при разложении газогидратных залежей, столь велика, что этот процесс может инициировать тектономагматические процессы в литосфере Земли.

 

Целый ряд закономерностей в распространении скоплений газогидратов, а также изотопно-геохимический облик газогидратных газов и вод свидетельствует о глубинном генезисе углеводородных газов, вошедших

 

в состав газогидратов. Только в случае признания ведущей роли глубинных углеводородных и углеводородно-водных флюидов в формировании скоплений газогидратов, главные геологические закономерности их распространения получают непротиворечивое объяснение [24]. Водород и углерод являются основными химическими элементами, поднимающимися из земных глубин к поверхности в процессе постоянно идущей дегазации планеты. Водород диффундирует сквозь толщу земных пород в атомарном и

 

молекулярном виде, а углерод – в химически связанном виде, в составе оксидов углерода СО и СО₂. При температуре ниже 600^оС эти газы вступают

 

в реакцию, образуя воду и метан (СО + 3Н₂ → Н₂О + СН₄). Вода входит в кристаллическую решетку гидросиликатов, а метан накапливается в виде газовых включений [25], в т.ч. газогидратов.

Мощнейшие скопления газовых гидратов приурочены в основном к краевым частям океанического дна, где океанообразование продолжается, и

 

 

где в современную нам эпоху происходит массовое поступление глубинного метана. Большая часть газогидратов обнаружена на дне океанов в молодых отложениях – метан продолжает поступать в гигантских объемах. Той же причиной обусловлено образование нефти и газа на континентах. В мезозое-кайнозое сформировались осадочные бассейны, ставшие резервуарами углеводородов, где расположено большинство известных месторождений нефти и газа. Разница лишь в том, что на континентах возникшая по той же причине (в результате десерпентизации низов коры) и в тот же отрезок времени, что и океаны, впадина заполнялась осадками, в которых и накапливался метан, в последствии химическим и биогенным путями преобразованный в нефть и углеводородные газы [25].

 

По некоторым оценкам, залегая в плейстоцен-современных осадках, газогидратный слой содержит не менее 11,3 10¹⁸ м³ или 8,5 10¹⁵ т метанового углерода, тогда как запасы некарбонатного углерода в морской биоте определяются в 3 млрд т; в атмосфере – 3,6; детритном органическом веществе – 60; торфе – 500; биоте суши – 830; органическом веществе, растворенном в воде, - 980; почве – 1400; извлекаемых и неизвлекаемых ископаемых топливах (нефть, природный газ, уголь) – 5000 млрд т, т.е. суммарно, - 8,8 трлн т [26].

 

Другие источники не разделяют столь высоких значений гидратоносности, оценивая их ресурсы в 2 10¹⁶ м³ [27]. Тем не менее, более половины органического углерода в земной коре, видимо, содержится в составе газовых гидратов, что вдвое превышает все разведанные и неразведанные ресурсы нефти, угля и газа вместе взятые (рис. 9). Однако самое важное, что эти гигантские скопления метана содержатся в плейстоцен-современных отложениях, образовавшихся в последние пять миллионов лет. Это значит, что образовавший их метан выделился за время, составляющее одну тысячную всей истории планеты.

 

Рис. 9. Распределение органического углерода на Земле (10¹⁵ г) [27].

 

В настоящее время имеются сведения о более чем 100 выявленных газогидратных залежах, а потенциальные мировые запасы газа в гидратном состоянии, по оценкам специалистов, превышают 16 10¹² toe (tons oil equivalent). Около 98% ресурсов газогидрата сосредоточено в акваториях Мирового океана на глубинах более 200-700 м, в придонных осадках толщиной до 400-800 м и более, и только 2% - в приполярных частях материков. Однако последний факт заслуживает серьезного внимания, поскольку это соответствуют 300 трлн м³ газа, что вдвое превышает мировые разведанные запасы природного газа. Например, при современном уровне потребления выявленные запасы газа в гидратном состоянии в США могут обеспечить потребности страны в природном газе в течение 104 лет.

 

 

Разработка природных газогидратов - единственная промышленно значимая альтернатива разработке традиционных месторождений природного газа. Все большее число стран, включая США, Канаду, Индию, Китай, Японию принимает национальные хорошо финансируемые программы по исследованиям газогидратов и поискам их скоплений. Их оптимизм базируется на том, что уже при небольших масштабах выполненных геофизических и буровых работ, открыты гигантские скопления газогидратов и газогитратные провинции. Удельная плотность метана в гидратоносных акваториях не уступает средней плотности в обычных месторождениях газа. Однако остаются сложности с созданием в обозримом будущем технологий, по которым извлечение метана из газогидратов станет не просто возможным, но и рентабельным [24].