CC BY
96
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
if
УДК 550.4:553.98:550.84
ГАЗОГИДРАТЫ КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫМ ИСТОЧНИК УГЛЕВОДОРОДОВ
А.И. ОБЖИРОВ, д.г.-м.н., проф., зав. лаб. газогеохимии
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева (ТОИ) ДВО РАН
(Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, д. 43). E-mail: [email protected]
В работе рассматриваются углеводороды, которые при высоком давлении и низкой температуре образуют газогидраты. Считается, что в газогидратах в осадках Мирового океана в условиях термодинамической стабильности сохранения газогидратов в них содержится около 10-100 млрд м3 метана. Газогидраты можно рассматривать как альтернативный вид залежей углеводородов. Рассмотрены условия формирования газогидратов, источники углеводородов, которые образуют газогидраты, возможность добычи метана из газогидратов и их место в традиционных и альтернативных источниках углеводородов. Изучение этих процессов помогает понять источники углеводородов, закономерности их формирования, методы поиска и добычи из них углеводородов, которые можно использовать в качестве как энергетического, так и химического сырья.
Ключевые слова: газогидраты, альтернативный источник углеводородов, метод поиска и извлечения углеводородов.
Важно отметить, что разграничение на традиционные и нетрадиционные (альтернативные) углеводородные ресурсы является искусственным. Надо разобраться, какие источники углеводородов создают традиционные и альтернативные залежи углеводородов. Детальное рассмотрение геологических закономерностей формирования скоплений углеводородов показывает, что понимание этих процессов помогает в вопросах поисков углеводородов, оценки количества УВ в них и методов извлечения углеводородов.
Газогидраты - твердые вещества, похожие на лед, образуются при внедрении углеводородов в пространство между молекулами воды при высоком давлении и низкой температуре. 1 м3 газогидрата содержит около 160 м3 метана. Газогидрат играет очень важную роль в геологической истории земли и формировании залежей нефти и газа. Газогидрат консервирует углеводороды, которые мигрируют к поверхности из нефтегазовых залежей, мантии и других источников. Важность изучения газогидратов состоит в том, что в них сохраняются миллиарды кубометров углеводородов, которые можно добывать как альтернативные залежи.
История открытия потоков метана и газогидратов на восточном склоне Охотского моря
Изучение распределения метана в водной толще и колонках осадков Охотского моря проводится лабораторией газогеохимии с 1984 года. Отбирались пробы воды на различных горизонтах и в донных осадках. Из проб извлекался газ, который анализировался на газовом хроматографе. Определялись метан, тяжелые углеводороды (С2-С4), СО2, О2, Не, Н2. В результате было обнаружено, что лучшим индикатором наличия углеводородов в структуре, выделенной сейсмической съемкой МОВ ОГТ, являются поля аномальных концентраций метана и тяжелых углеводородов в придонной воде над структурами [1-3].
В 1988 году в процессе гидроакустических исследований на сахалинском северо-восточном склоне нами был обнаружен впервые в этом регионе выход пузырей метана из донных осадков в воду [1], который представлял собой вертикальное конусообразное тело, на глубине 700 м. Вы-
сота потока составляла около 300-400 м, диаметр в придонном слое 50-100 м, причем основной поток сопровождался некоторыми более мелкими выходами пузырей, преимущественно метана (рис.1). В районе обнаруженного потока метана донные осадки были насыщены метаном и керн распадался на кусочки. В 1991 году в другой экспедиции в районе этого потока метана в донных осадках были обнаружены газогидраты. Газогидрат образуется при наличии достаточного количества метана, который в осадке при наличии воды, высоком давлении и низкой температуре внедряется между молекулами воды и образует твердое тело, похожее на лед или уплотненный снег (рис. 2). В 1 см3 газогидрата содержится около 160 см3 метана. При повышении температуры и (или) уменьшении давления газогидрат разрушается с выделением большого количества метана. В Охотском море газогидрат образуется в донных осадках на минимальной глубине моря около 400 м, так как температура придонной воды составляет +2,4 °С. При температуре 0 °С зона стабильности газогидрата и его образование в донных осадках устанавливается при давлении 30 атм., то есть минимальной глубины моря 300 м.
После 1988 года на восточном шельфе Сахалина в придонной воде концентрации метана резко увеличились фоновые его концентрации повысились до 70-80 нл/л, а аномальные возросли (рис. 3). Эти резкие изменения концентраций метана в водных колонках связаны с сейсмотектонической активизацией присахалинской зоны Охот-
Поток пузырей метана из донных отложений в воду на сахалинском склоне Охотского моря. Впервые он был открыт в экспедиции 1988 года и позже назван факел «Обжиров». Высота потока пузырей метана превышает 400 м. (Гидроакустическая запись впервые сделана В.А. Казанским [1], а затем А.С. Саломатиным)
Слой газогидрата (белый цвет) мощностью 35 см. Сахалинский северо-восточный склон Охотского моря (рейс LV36, станция LV39H, 2005 г.). Отбором осадков и газогидратов руководил А.Н. Деркачев
Рис. 1
Рис. 2
4 • 2016
НефтеГазоХимия 59
-о1
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
Распределение метана в водных колонках сахалинского северо-восточного склона в районе одной структуры (факел «Обжиров»), где были обнаружены впервые слои газогидратов. Разными значками показаны результаты измерений метана в различных экспедициях с 1998 по 2005 год. Концентрации метана в придонной воде превышают фон в 10-100 раз. Этот параметр является одним из поисковых признаков наличия полей газогидратов и нефтегазовых залежей
Methane, nl/l
0 500 1000 1500 2000
Е 300
Q 400
ского моря, раскрытием зон разломов и потоками метана по ним из нефтегазсодержащих слоев глубоких горизонтов осадочных пород. На графике отражена аномалия метана в промежуточном слое на горизонте 150 м. Этот показатель характеризует наличие выхода метана на шельфе из нефтегазовой залежи. Слой более холодной воды с высоким содержанием метана с шельфа внедряется в колонку воды на склоне. Изменения концентраций метана в колонках воды в разрезе от шельфа к склону в этом районе сахалинского северо-восточного шельфа и склона Охотского моря представлены на рис. 4.
В результате сейсмотектонической активизации на северо-восточном сахалинском склоне Охотского моря с 1988 года по настоящее время [3, 4] было обнаружено более 500 потоков метана и 17 площадей, где отобраны газогидраты. В результате исследований была установлена важная закономерность - прослежена взаимосвязь между нефтегазовыми залежами и газогидратами. Газогидраты консервируют углеводородный поток в верхних слоях донных осадков и препятствуют миграции углеводородов в воду
Распределение метана в водных колонках по профилю станций 33-39 в районе сахалинского северо-восточного шельфа и склона Охотского моря. Рейс № 56, 2011 г. (разрез составлен О.Ф. Верещагиной)
0 -100 -200 -300 -400 -500 -600
и атмосферу, являясь хорошей покрышкой. В фоновых полях концентрация метана в донных осадках Охотского моря обычно не превышает 0,001-0,002 мл/л в верхнем горизонте 0-200 см ниже поверхности дна. С увеличением глубины интервала осадка (200 см и глубже, -400 см) концентрация метана постепенно увеличивается в 10 раз. Этот процесс образования метана связан с деятельностью метанобра-зующих бактерий. Но если существует подток метана из нижних метансодержащих горизонтов в районе залежей углеводородов, то эта закономерность нарушается. Независимо от интервала поддонной глубины донного осадка концентрация метана может достигать 100-500 мл/л, и в осадке образуется газогидрат в зоне его стабильности, то есть при высоком давлении и низкой температуре (см. рис. 2). В районе выходов пузырей метана из донных отложений в воду в осадках образуются карбонатные конкреции и накапливаются раковины бентосных организмов, живущих за счет хемосинтеза метана.
Возможный вариант устройства извлечения метана из газогидратов
В настоящее время многие страны прилагают усилия по добыче метана из газогидратов. На суше этот процесс уже хорошо изучен на Месояхском месторождении газогидратов, расположенном на севере Красноярского края. Газогидраты были впервые открыты на этом месторождении. На море газогидраты залегают на больших глубинах - 400 м и глубже. Они распределены в донных отложениях островными площадями в районе потоков пузырей метана, поэтому извлекать метан из газогидратов сложно и коммерчески неэффективно. Существуют некоторые предложения по сбору газогидратов на дне по типу разработки углей открытым способом, но этого нельзя делать из-за загрязнения, замутнения воды и нарушения экологии окружающей среды. Предлагаются способы закачки теплой воды в скважины, пробуренные в газогидратсодержащей толще, однако этот метод считается экономически неэффективным.
Нами был предложен способ добычи метана без нарушения донных осадков. Метан отбирается из потока пузырей в воде. Под куполом пузыри метана на такой глубине моря снова образуют газогидрат, который всплывает к поверхности [5-7]. На поверхности он превращается в газ и отбирается через шланг судном-(газосборщиком [6] (рис. 5 а, б).
Пузыри метана попадают сначала в сферу, затем в коллектор, где на глубине образуется газогидрат. Коллектор с газогидратам поднимается вверх и, достигая глубины 200 м, внедряется в замок. Газогидрат переходит в газ (метан), который по шлангу переходит в емкость. Таких ловушек устанавливается много в районе потоков пузырей метана, и баржа объезжает их, собирая газ из емкостей
Для изготовления и проверки такой схемы требуется финансирование и экономическая необходимость. Интересно, что в Японии пришли к выводу полезности использования газогидратов наоборот. То есть, когда имеются небольшие источники метана (например, попутный газ нефтяных скважин), из них делается газогидрат с помощью установки с высоким давлением. В нее впрыскивается вода, напускается метан, после чего образуются шарообразные кусочки газогидратов. Они загружаются в рефрижератор и раз-
I:
11000 10000 9000 - 8000
- 7000
- 6000
- 5000
- 4000
- 3000
- 2000 - 1000
500
J0
CH4, nl/l
Рис. 3
з
100
200
500
600
700
Рис. 4
143750
143950
144050
144150
144350
60 НефтеГазоХимия
4•2016
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ -#
а - принципиальная схема отбора газа (метана) из потоков метана и газогидратов; б - горение метана, выделяющегося из газогидратов в атмосферных условиях
возятся потребителям. Кроме экономической выгоды этот метод способствует очищению окружающей среды.
Таким образом, существуют многочисленные природные источники метана, углекислого газа. Эти и другие газы поступают в донные осадки, приземную часть атмосферы и оказывают влияние на глобальные процессы изменения (потепления-похолодания) климата. Наши предки не имели фабрик и заводов, но и во время их жизни происходили процессы потепления и похолодания. Это говорит о том, что в первую очередь природные изменения влияют на глобальные процессы потепления-похолодания. Антропогенные нагрузки современной техники и производства несут загрязнения, которые негативно влияют на здоровье людей в приземной части атмосферы.
Заключение
Природные газогидраты приобрели широкую известность в настоящее время в связи с их некоторыми особенностями:
1) они являются мощными аккумуляторами газа (метана);
2) слои газогидратов играют роль хорошего экрана (покрышки), который задерживает миграцию метана к поверхности;
3) при разрушении газогидрата выделяется большое количество метана;
4) в районе газогидрата нарушается поверхность морского дна;
5) в районе распространения газогидратов в донных осадках морей формируются оазисы биологической жизни с ростом бентоса, появлением крабов и рыбы;
6) процессы формирования и разрушения газогидрата, возможно, участвуют в циклах глобального потепления и похолодания климата;
7) обнаружена важная закономерность: процессы формирования газогидратов и нефтегазовых залежей взаимосвязаны. То есть газогидраты участвуют в накоплении углеводородов и за определенное геологическое время создают условия образования залежей нефти и газа;
8) метан газогидрата можно использовать как энергетическое или химическое сырье.
Изучение геологических условий и закономерностей формирования потоков метана и газогидратов имеет важное научное и прикладное значение и продолжается нами в настоящее время. НГХ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обжиров А.И., Казанский Б.А., Мельниченко Ю.И. Эффект звукорассеи-вания придонной воды в краевых частях Охотского моря // Тихоокеанская геология. 1989. № 2. С. 119-121.
2. Обжиров А.И. Газогеохимические поля придонного слоя морей и океанов. М.: Наука, 1993. 139 с.
3. Обжиров А.И., Соснин В.А., Салюк А.Н. и др. Мониторинг метана в Охотском море. Владивосток: Дальнаука, 2002. 250 с
4. A. Obzhirov, R. Shakirov, A. Salyuk, E. Suess, N. Biebow and A. Salomatin. Relations between methane venting, geological structure and seismo-tectonics in the Okhotsk Sea // Geo-Marine Letters. 2004. V. 24, N. 3. P. 135-139.
. Обжиров А.И., Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газогидроакустический комплекс для оценки сейсмоакустической активизации. Патент RU 78333 U1. 2008. Бюл. № 32.
. Обжиров А.И., Тагильцев А.А. Технологический комплекс для разработки газогидратных залежей в Охотском море. Патент № RU 2386015 C1. 2010. Бюл. № 10.
. Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project 2009. R/V "Akademik M.A. Lavrentyev", Cruise 47, H. Shoji, Y.K. Jin, A. Obzhirov and B. Baranov, 2010, 123 ps.
Рис. 5
GAS HYDRATES AS AN ALTERNATIVE SOURCE OF HYDROCARBONS
Obzhirov A.I., Dr. Sci. (Geol.-Min.), Prof., Head of the Laboratory of Gas and Geochemistry
V.I. Il ichev Pacific Oceanological Institute (43, Baltiyskaya St., Vladivostok, 690041, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The paper deals with the hydrocarbons that are under high pressure and with low temperature form gas hydrates. It is believed that gas hydrates contain around 10-100 billion m3 of methane in the sediments of the World ocean in the conditions of thermodynamic stability of preservation of gas hydrates. Gas hydrates can be considered as an alternative form of hydrocarbon deposits. We consider the conditions of formation of gas hydrates, sources of hydrocarbons, which form gas hydrates, the possibility of extracting methane of gas hydrates and their place in traditional and alternative sources of hydrocarbons. Understanding these processes helps to understand the sources of hydrocarbons, regularities of their formation, methods of exploration and extraction of hydrocarbons, which can be used as energy and chemical raw materials.
Keywords: gas hydrates, an alternative source of hydrocarbons, the method of finding and extracting hydrocarbons.
REFERENCES
1. Obzhirov A.I. Kazanskiy B.A., Mel'nichenko YU.I. Effect of sound-scattering bottom water in the marginal parts of the Sea of Okhotsk. Tikhookeanskaya geologiya, 1989, no. 2, pp.119-121 (In Russian).
2. Obzhirov A.I. Gazogeokhimicheskiye polya pridonnogo sloya morey i okeanov [Geochemical fields of bottom layer of seas and oceans]. Moscow, Nauka Publ., 1993. 139 p.
3. Obzhirov A.I., Sosnin V.A., Salyuk A.N. Monitoringmetana v Okhotskom more [Monitoring of methane in the Sea of Okhotsk]. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 2002. 250 p.
4. Obzhirov A., Shakirov R., Salyuk A., Suess E., Biebow N., Salomatin A. Relations between methane venting, geological structure and seismo-tectonics in the
Okhotsk Sea. Geo-Marine Letters, 2004, vol. 24, no. 3, pp. 135 - 139.
5. Obzhirov A.I., Salomatin A.S., Yusupov V.I. Gazogidroakusticheskiy kompleks dlya otsenki seysmoakusticheskoy aktivizatsii [Gas sonar system to assess the seismic acoustic activation]. Patent RF, no. 78333 U1, 2008.
6. Obzhirov A.I., Tagil'tsev A.A. Tekhnologicheskiy kompleks dlya razrabotki gazogidratnykh zalezhey v Okhotskom more [Technological complex for the development of gas hydrate deposits in the Sea of Okhotsk]. Patent RF, no. 2386015 C1, 2010.
7. Shoji H., Jin Y.K., Obzhirov A., Baranov B. Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project 2009. R/V"Akademik MA. LavrentyeV', Cruise 47. 2010. 123 p.
4•2016
НефтеГазоХимия 61
