CC BY
390
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕОСФЕР
УДК 551.510.41:504.06:622.272:622.28
МЕТАН В АТМОСФЕРЕ: ДИНАМИКА И ИСТОЧНИКИ
В.В. Снакин, А.В. Доронин, Г. Фрейбергс, И. Щербицкис, И.В. Власова, И.В. Чудовская1
Рассматривается проблема роста концентрации в атмосфере одного из опасных парниковых газов - метана, основного компонента природного газа. Приведены главные природные и антропогенные источники эмиссии метана. Анализируется динамика развития нефтегазовой отрасли и возможные потери природного газа в цепочке: нефтегазоразведка - добыча - транспортировка - подземное хранение. Количественные оценки потерь метана в указанной цепи свидетельствуют о ведущей роли нефтегазовой промышленности в динамике метана в атмосфере Земли за последние полвека. Предлагаются возможные пути снижения эмиссии метана в атмосферу.
Ключевые слова: природный газ, попутный нефтяной газ, метан в атмосфере, источники эмиссии метана, нефтегазовая промышленность, подземное хранение газа, метанотрофы.
METHANE IN THE ATMOSPHERE: DYNAMICS AND SOURCES
V.V. Snakin1,2,3, A.V. Doronin2, G. Freibergs4, I. Sherbitskis4, I.V. Vlasova2, I.V. Chudovskaya2 1 Lomonosov Moscow State University; 2 Energodiagnostika' LLC, Moscow; 3 RAS Institute of fundamental biological problems, Pushchino; 4 Inchukalnskoe UGS AS Conexus Baltic Grid (Latvia)
This article is dedicated to the problem of the atmospheric concentration increase of one of the most dangerous greenhouse gases - methane, the main component of natural gas. The main natural and anthropogenic sources of methane emission are described in the article. The dynamics of oil and gas industry development and possible losses of natural
1 Снакин Валерий Викторович - д.б.н., проф. МГУ имени М.В. Ломоносова, зав. лабораторией ланд-
шафтной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН (г. Пущино), начальник отдела экологии ООО «Энергодиагностика» (Москва), snakin@mail.ru; Доронин Алексей Викторович - начальник экспертно-аналитического отдела ООО «Энергодиагностика», mr.doroninav@bk.ru.ru; Гинтс Фрейбергс -член правления AS Conexus Baltic Grid (Латвия); Иварс Щербицкис - руководитель Инчукалнского ПХГ AS Conexus Baltic Grid (Латвия); Власова Инна Владимировна - начальник юридического отдела; Чудов-ская Ирина Васильевна - начальник информационно-аналитического отдела ООО «Энергодиагностика»,
ichudovskaya@gmail.com.
Жизнь Земли 39(4) 2017 365-380 3 65
gas are analyzed by the authors in the chain: oil and gas exploration - production -transportation - underground storage. Quantitative estimates of methane losses in this chain indicate the leading role of oil and gas industry in the methane increasing dynamics in the Earth's atmosphere over the last 50years. The ways of possible reduction of methane emission into the atmosphere are suggested in the final part of the article.
Keywords: natural gas, associated gas, methane in the atmosphere, methane emission sources, oil and gas industry, underground gas storage, methanotrophs.
Введение. Одной из серьёзных экологических проблем современности является постоянное и существенное увеличение концентрации метана (CH4) в атмосфере, что рассматривается как возможный существенный фактор глобальных изменений климата (метан - второй по значению после углекислого газа парниковый газ Киотского протокола, поскольку аккумулирует энергию инфракрасного излучения в 30 раз эффективнее углекислоты). Этот простейший насыщенный ациклический углеводород (бесцветный и без запаха) - основной компонент природных (77-99 %), попутных нефтяных (31-90 %), рудничного и болотного газов. Нетоксичен; наркотический эффект при больших концентрациях; опасность смеси с воздухом связана со снижением концентрации кислорода. С воздухом образует взрывоопасные смеси.
Для предупреждения роста содержания метана в атмосфере нужно понять источники этого роста. Однако на этот счёт нет единого мнения, учитывая множество природных и антропогенных процессов с участием этого соединения.
Динамика содержания метана в атмосфере. Метан присутствует в атмосфере в невысоких концентрациях (1,58-1,68 ppm2), однако его атмосферное содержание ежегодно возрастает в среднем на 1 % за счёт дисбаланса между продукцией и окислением [13, 15, 26, 29]. До XVII века концентрация метана в атмосфере была практически постоянной, затем стала медленно расти и особенно бурный рост начался с 1950-х гг. С этого времени скорость прироста концентрации метана в атмосфере практически удвоилась.
С начала эпохи промышленного развития концентрация метана в атмосфере возросла с 700 до 1775 ppb [27], существенно меняясь в суточном и сезонном циклах (максимум в ночные часы, а также осенью и зимой). Некоторые исследователи отмечали замедление роста концентрации метана в атмосфере в период 2000-06 гг. [28, 32]. Тем не менее, в работе [22] отмечали продолжение роста концентрации метана в 2008-11 гг. для территории Польши со скоростью 0,4-1, 45 % в год.
Данные, собранные НАСА (рис. 1), подтверждают приведённые колебания динамики содержания метана в атмосфере в период между 1984 и 2014 гг. С 1980-х по 1992 гг. количество метана не возрастало больше чем на 12 ppb в год. Потом, примерно на десятилетие, рост замедлился и составлял не более 3 ppb в год. В период между 2000 и 2007 гг. концентрация метана в атмосфере стабилизировалась. Начиная с 2007 г. она вновь начала расти со скоростью около 6 ppb в год.
Рост концентрации метана в атмосфере при этом однозначно связывается с увеличением численности населения (рис. 2) и хозяйственной деятельностью человека [11]. При этом рост концентрации метана происходит практически вдвое быстрее в сравнении с углекислым газом.
Росту концентрации метана в атмосфере противостоят химические процессы его разложения, но эффективность этого пути невысока [2]. Вымывание метана из атмос-
2 ppm - единица для отражения малых концентраций вещества, одна частица на миллион смеси; ppb -одна частица на миллиард.
Annual Increase in Globally-Averaged Atmospheric Methane (ppb/yr)
Uncertainty
10-t-1-1-1-T-1-1-T-1-1-T-1-1-Г-1-1
Рис. 1. Динамика ежегодного прироста концентрации метана в атмосфере в мире по данным NASA [23].
1800 1850 1900 1950 2000 годы
Рис. 2. Изменение содержания углекислого газа и метана в атмосфере Земли и рост населения во времени [11].
феры происходит медленно из-за его невысокой растворимости в воде. Более существенную роль в разложении метана играют метанокисляющие бактерии (метанотро-фы), «работающие» в верхних аэрируемых слоях почвы.
В научной литературе пока нет однозначного ответа относительно конкретных причин рассмотренного роста содержания метана в атмосфере. Некоторые учёные полагают, что тропики стали более влажным и, соответственно, увеличилось количество газовых выделений; другие подчёркивают влияние изменений в сельском хозяйстве; третьи указывают на бурный рост газодобычи в мире, в т. ч. ректификационный бум природного газа в Северной Америке и его периодические утечки.
Глобальное распределение метана на нашей планете представлено на рис. 3. Концентрация метана выше в Северном полушарии, поскольку и природные, и антропогенные источники метана там более мощные.
Источники поступления метана в атмосферу. Оценки эмиссии метана в атмосферу по данным различных источников значительно различаются. В табл. 1 приведены оценочные данные о размерах поступления метана в атмосферу из некоторых природных и антропогенных источников как биогенного, так и абиогенного происхождения, заимствованные из работы [25].
Рис. 3. Распределение метана в январе 2016 г. в окружающем планету воздушном пространстве на высоте около 6 км, по данным NASA [23].
Таблица 1. Источники атмосферного метана [25]
Источник Годовая эмиссия СН4, млн т
Биогенные источники метана 302-665
Болота 120-200
Термиты 25-150
Океаны 1-20
Тундра 1-5
Рисовые поля 70-120
Животноводство 80-100
Полигоны ТБО 5-70
Абиогенные источники метана 48-155
Метановые газогидраты 2-4
Вулканы 0,5
Угольные разработки 10-35
Утечка природного газа 10-30
Индустриальные потери и утечка из скважин 15-45
Сжигание биомассы 10-40
Автомобили 0,5
Биогенные и абиогенные источники метана 350-820
Основными природными источниками метана в атмосфере являются болотные системы - до 30 % всего объёма поступления. Однако в связи с широкомасштабным осушением болот доля этого источника в общей эмиссии метана снижается и не может быть причиной наблюдающегося роста его концентрации в атмосфере. Так, в настоящее время осушено около 60 % болот полесья России и Беларуси. За последнее столетие площадь болотных систем в Беларуси за счёт перевода в сельскохозяйствен-
ные земли сократилась с 4,13 до 2,3 млн га. В Европе ~ 20 % болот исчезли, а более 50 % не продуцируют торф. В Дании и Нидерландах в естественном состоянии сохранилось менее 1 % болот, а в Финляндии 60 % болот осушено в целях лесоводства [7].
Ещё одним участником системы миграции метана в атмосфере являются газогидраты (метангидраты), огромные не оценённые в полной мере залежи которых имеются на больших глубинах в водоёмах в зоне вечной мерзлоты. С одной стороны, образование газогидратов можно воспринимать как сток метана из атмосферы; с другой стороны, учитывая их нестабильность при повышении температуры, как возможный источник поступления метана в атмосферу. Дискутируется вопрос о возможном резком высвобождении метана из газогидратных залежей при глобальном потеплении климата (т.н. «метановая бомба»); имеются сведения [33] о современных выбросах метана в атмосферу в Северном Ледовитом океане в виде «метановых гейзеров», глобальные масштабы которых предстоит уточнить.
Основными источниками антропогенного поступления метана являются полигоны твёрдых бытовых отходов (ТБО), сельское хозяйство и нефтегазовая промышленность (разработка нефтяных и газовых месторождений, транспортировка, хранение и использование природного газа).
На полигонах твёрдых бытовых отходов образуется широкий спектр газообразных соединений, основным из которых является биогаз, состоящий преимущественно из метана (40-60 %) и СО2 (30-45 %), нескольких процентов азота, а также большого количества микропримесей. Активное газообразование на полигоне ТБО начинается после его закрытия, обычно через несколько лет, когда сформировался сбалансированный метаногенез, продолжающийся на протяжении 20-30 лет, постепенно затухая. По данным 1РСС, эмиссия метана с поверхности полигонов ТБО составляет 35-73 млн т в год, что соответствует 6-12 % общей и 10-20 % антропогенной эмиссии этого газа в атмосферу. В мировой практике на полигонах ТБО используют системы извлечения и сбора образующегося биогаза. В России такие системы не внедряют даже на крупные полигоны, поскольку использование биогаза сдерживается себестоимостью вырабатываемой электроэнергии, которая в 2-2,5 раза выше, чем при сжигании ископаемого топлива или на АЭС [15].
Существенным источником метана в атмосфере является сельскохозяйственное производство. Это прежде всего животноводство, поскольку жизнедеятельность многих животных (ферментация пищи крупным рогатым скотом, овцами, верблюдами, свиньями) сопровождается выделением метана. Так, в желудочно-кишечном тракте одной коровы за сутки может образоваться сотня литров метана. Ещё одним источником метана является рисоводство. В условиях переувлажнения в течение существенной части сезона на рисовых чеках в анаэробных условиях, аналогично болотным системам, образуется болотный газ. По оценкам, приведённым в табл. 1, в сумме эти два процесса вносят примерно 150-220 млн т метана в год.
Ещё один важный антропогенный источник эмиссии метана в атмосферу - бурно развивающаяся в последние десятилетия нефтегазовая промышленность. Добыча природного газа в мире непрерывно растет (рис. 4). С 1950 г. по настоящее время она выросла более чем в 18 раз! Причиной тому является высокая экологичность этого источника энергии: при его сжигании образуется меньше вредных выбросов, чем при сжигании дизельного топлива и бензина - на 75 % и на 50 % соответственно; выхлопные газы метановых двигателей менее вредны для человека и практически не содержат канцерогенных компонентов.
Рис. 4. Динамика мировой добычи природного газа, млрд м3.
В процессах бурения, транспортировки газа и нефти, удаления и неполного сжигания попутных газов, утечек из подземных хранилищ газа (ПХГ), аварийных ситуаций в атмосферу попадает огромное количество природного газа. Согласно табл. 1, суммарно они поставляют в атмосферу 25-75 млн т метана ежегодно (т. е. около 9 % общего поступления). Однако рассмотрим этот источник подробнее.
Метан в атмосфере и развитие нефтегазовой отрасли. По данным ряда авторов [24], в газопроводы поступает около 83 % добытого газа, т. е. до 17 % сырья (или 440 млн т) теряется ежегодно. И это только в начале пути газа потребителю!
Цикл добычи метана начинается с геологоразведочной деятельности, которая порой может привести к выбросам значительного количества природного газа в атмосферу в результате технологических потерь и аварий (рис. 5).
Аварийные ситуации при этом имеют, как правило, разовый характер и, скорее всего, не вносят большой вклад в эмиссию метана в атмосферу. При всей неопределённости этого источника поступления метана можно согласиться с данными табл. 1 о потерях 15-45 млн т в год.
Рис. 5. Скважина Дарваза (диаметр кратера ~ 60 м, глубина ~ 20 м), или «Дверь в преисподнюю» - рукотворная достопримечательность современной Туркмении. Образовалась в 1971 г. в результате провала при неудачном бурении разведочной скважины, и с тех пор подожжённый природный газ непрерывно горит и днём и ночью [8].
На стадии добычи и подготовки нефти выделяется т. н. попутный нефтяной газ (ПНГ), состоящий до 2/3 из метана. В зависимости от района добычи из 1 т нефти получают от 25 до 800 м3 попутного нефтяного газа. При мировой добыче нефти около 4,4 млрд т в год (2015), ориентировочно возможное количество попутного газа составляет до 1,3 млрд т в год. Попутный нефтяной газ отделяют от нефти для соответствия требуемым стандартам и в дальнейшем либо утилизируют, либо сжигают (рис. 6).
По данным Министерства энергетики Российской Федерации (2016), нормативы потерь добываемого в стране ПНГ сокращались с 1,14 % в 2010 г. до 0,33 % в 2016 г. Т.е. минимальные оценки современных потерь метана в составе ПНГ в мире могут составить около 10 млн т метана в год.
По данным Министерства природных ресурсов и экологии РФ (МПР), из 55 млрд м3 (ок. 39 млн т) ежегодно добываемого в России ПНГ лишь 26 % (14 млрд м3) направляется в переработку, 47 % (26 млрд м3) идёт на нужды промыслов либо списывается на технологические потери, и 27 % (15 млрд м3) сжигается в факелах. Сколько из 26 млрд м3 попадает в атмосферу - неизвестно; если принять за основу 50 % указанной величины, то оценка равна 13 млрд м3, или около 10 млн т в год только для России. Важно отметить, что уровень полезного использования ПНГ в последние годы заметно растёт (рис. 7).
86 84 82 80 78 76 74 72
Рис. 7. Уровень полезного использования ПНГ, % общих ресурсов ПНГ в России в динамике за 1911-2014 гг., по данным Минэнерго РФ [16].
При этом необходимо учитывать неполноту сгорания газа в факелах, выделяющих помимо несгоревшего метана целый комплекс опасных загрязняющих веществ (активная сажа, угарный газ и др.). Объём выбросов сажи при сжигании ПНГ оце-
Рис. 6. Типичный факел при сжигании попутного нефтяного газа.
нивается приблизительно в 0,5 млн т в год [18]. По данным органов исполнительной власти, доля факельных установок, оснащённых замерными устройствами сжигания ПНГ, в России составляет около 50 %. При этом оснащённость в отдельных регионах составляет менее 20 % [16].
Следует заметить, что сжигание ПНГ достигло таких размеров, что стало существенным фактором светового загрязнения (рис. 8), как это наблюдается в Западной Сибири.
- 5 '* V V. : : • • --Vi? ■'■v,... — - . v. .-■
■ '• 4. i г
V"'
Рис. 8. Комбинированный космоснимок светового загрязнения Земли в ночное время, по снимкам НАСА, 2012 г. Стрелка показывает световое пятно в Западной Сибири в местах интенсивной нефтедобычи [31].
В недалёкой перспективе дополнительным источником поступления метана в атмосферу станет планируемая добыча газогидратов. Так, в 2013 г. компания Japan Oil, Gas & Metals National Corp. (Jogmec) заявила о начале пробной эксплуатации подводного газогидратного месторождения [20]; при этом полномасштабное освоение месторождения планируется начать в 2018 г. после разработки пригодной для промышленного использования технологии добычи.
Потери природного газа при транспортировке (в трубопроводах). Весьма существенные потери природного газа происходят в процессе эксплуатации оборудования транспортных газовых магистралей. Это - технические затраты газа, возникающие при отладке и проверках газового узла, установке и ремонте аппаратуры, различных аварийных ситуациях. Часть газа теряется из-за несовершенства технологического оборудования или методов, применяемых в газотранспортных узлах. При этом потери и затраты газа условно можно разделить на явные и неявные [24].
Явные потери можно обнаружить по звуковому эффекту, увидеть по проявлению вторичных признаков, непосредственно замерить или рассчитать, зная параметры соответствующего технологического процесса. На линейной части магистрального газопровода основными явными потерями принято считать утечки газа, выходящего через свищи, микротрещины, неплотности запорной арматуры; потери при стравливании газа и продувке труб в процессе подключения отводов, перемычек, импульсных трубок и др. технологических линий; потери при периодической очистке внутренней полости 372
газопроводов; потери аварийные и при ремонтных работах, связанных с опорожнением участков трубопровода.
На компрессорных станциях явными потерями газа в основном являются потери газа при стравливании и продувке обвязки нагнетателей в процессе пусков и остановок газоперекачивающих агрегатов (ГПА); потери при продувке конденсатосборни-ков, пылеуловителей, импульсных трубок контрольно-измерительных приборов и автоматики; потери в системе уплотнений нагнетателей ГПА и др. оборудования.
О количественных соотношениях основных видов потерь при магистральном транспорте газа можно судить по табл. 2, которая показывает, что более половины потерь газа (54-56 %) происходит вследствие нарушения герметичности конструкций, и, следовательно, это именно та часть потерь метана, которая попадает в атмосферу. Суммарно эти потери составляют 894-988 млн м3, или с учётом плотности метана (~0,72) 644-711 млн т в год.
Таблица 2. Основные виды потерь природного газа при его транспортировке по магистральным газопроводам [9].
Основные причины потерь газа Потери, млн м3 % потерь
При ремонте линейной части 7-8 -
При разрывах и разрушениях газопроводов 170-180 18-19
Через неплотности газопровода 80-90 -
Через неплотности в обвязке КС 340-350 35-40
При пусках и остановках ГПА 17-18 -
В пылеуловителях 200-250 22-25
Всего 894-988 100
Неявные (скрытые) потери и затраты газа трудно обнаружить и замерить, а определить их количество можно только косвенным путем: перерасход топливного газа на компрессорных станциях при снижении гидравлической эффективности линейных участков газопроводов; потери при отклонении режимов ГПА от оптимальных; затраты топливного газа при наличии перетоков компримированного газа в обвязках нагнетательных и входных коммуникаций ГПА и компрессорных станциях (КС); потери газа в результате фазовых превращений в газопроводе (образование жидкой фазы и гидратов); утечки из-за образовавшихся в газопроводе конденсата и воды в процессе очистки и разгазирования в утилизаторах; потери при эксплуатации на КС безрегенеративных ГТУ.
Примерно 24-27 % потерь газа имеют место в ходе технологических операций на компрессорных станциях. Самые большие потери газа при транспорте по магистральным газопроводам происходят в виде затрат топливного газа на компримирование (ок. 80 % этого газа на КС сжигается в камерах сгорания - это потери производительные, остальные 20 % - непроизводительные затраты товарного газа). Сокращение данного вида потерь - задача конкретная и требует разработки специальных технологий.
Потери природного газа при подземном хранении. На начало 2016 г. в мире действовало 680 подземных хранилищ газа (ПХГ) суммарной рабочей ёмкостью 413 млрд м3, что соответствует 12 % глобального потребления газа в 2015 г. [5]. Из ПХГ потребляют примерно 15 % природного газа в России, в Германии - 20 %, в Италии -26 %, во Франции - 29 %, в Украине - 40 % [17].
В России на 01.01.2010 количество объектов подземного хранения газа в эксплуатации - 25, с объёмом товарного газа 64,0 млрд м3; потенциальная суточная производительность на начало сезона отбора (2009-2010 гг.) составила 620 млн м3/сут. [1].
В ходе функционирования ПХГ происходит эмиссия метана через негерметичные технологические узлы, через неплотные геологические породы, перекрывающие хранилища, а также в результате нештатных ситуаций.
Так, 23 октября 2015 г. утечка произошла в одной из 115 скважин, связанных с огромным подземным хранилищем природного газа в Калифорнии в каньоне Алисо, пятым по величине в США. Из-за аварии 11 тысяч человек были эвакуированы. В момент максимальной активности выброса газа удвоилась скорость выбросов метана во всём округе Лос-Анджелес. Утечку перекрыли 18 февраля; к этому времени почти 100 тыс. т метана попало в атмосферу [30].
Данные о технологических потерях газа при его подземном хранении противоречивы. Имеются ориентировочные сведения о потерях 1,5-3 % активного объёма хранения [12]. В то же время показано, что геолого-технологическая структура пластовых потерь и затрат газа на ПХГ определяется геолого-промысловым типом хранилища и схемой его эксплуатации. Наиболее значительные пластовые потери характерны для ПХГ, созданных в водоносном пласте в пологозалегающей залежи, которые могут составлять порядка 50 % общего объёма газа. Для хранилищ, созданных в водоносных пластах в антиклинальных ловушках, потери могут составить до 30 % общего объёма газа [14]. При этом погрешность расчётов объёма газа в пласте балансовыми и объёмными методами, в зависимости от конкретных характеристик объекта, может достигать 20 % общего объёма газа.
В литературе приводятся данные о том, что на одном из газохранилищ за 30-летний период его эксплуатации потери природного газа достигли 1,5 млрд м3 [4]. Т. е. 0,036 млн т метана в год только для одного ПХГ! При таких масштабах для всех 680 ПХГ в мире это уже составит потерю около 24 млн т в год. И, по всей вероятности, это минимальная оценка.
Однако учёт этих потерь связан с большими трудностями, так как невозможно с достаточной степенью точности определить объём газа, находящегося в хранилище. Общая сумма потерь газа в системе хранения может быть не выявлена в течение ряда лет до тех пор, пока это не станет заметным.
При просачивании метана через покрывающие породы непосредственно в атмосферу поступает не весь этот объём газа, поскольку некоторая его часть окисляется метанотрофными бактериями в почвенном горизонте. Подсчёты утечек метана из искусственных газовых залежей показывают, что почвенный покров задерживает от 6 до 10 % метана из недр [3].
Активность бактериального окисления метана почвами динамична во времени: весной окисления не происходит, летом оно максимально, в осенний период снижается. Величина эмиссии метана зависит от гидротермических условий и меняется по сезонам, а также в сухие и влажные годы. По данным [10], оценки поглощения метана почвами имеют весьма большие погрешности, что явно свидетельствует о плохой изученности проблемы поглощения почвенного метана. Тем не менее, представляется, что в качестве значения годичного поглощения метана почвами РФ, наиболее близкого к оценкам различных авторов, можно принять 3,6 Мт/год.
О реальности эмиссии метана через перекрывающие ПХГ породы свидетельствуют результаты изотопного исследования углерода в газах, выделенных из проб воды, 374
отобранных из водозаборных скважин близ Инчукалнского подземного газохранилища (Латвия). Расчёты показали наличие в разных пробах от 40 до 75 % техногенного метана, т. е. именно того метана, что был закачан в ПХГ [19].
Суммируя итоги проведённого анализа можно примерно оценить возможные размеры поступления метана (природного газа) в атмосферу в результате деятельности нефтегазовой промышленности (исключая аварийные ситуации). Данные табл. 3 показывают, что эмиссия метана (природного газа) в атмосферу в результате потерь нефтегазового комплекса планеты может составить 693-790 млн т в год, что намного превышает оценки, показанные в табл. 1. И это без учёта постоянно происходящих в разных странах нештатных (аварийных) ситуаций!
Таблица 3. Оценка эмиссии метана (природного газа) в атмосферу в результате деятельности нефтегазовой промышленности
Основные причины потерь Потери, млн т в год
Геолого-разведочные работы 15-45
Потери попутного нефтяного газа 10
Потери природного газа в ходе транспортировки (трубопроводы) 644-711
Потери природного газа при подземном хранении 24
Суммарные потери 693-790
Приведённые в табл. 3 оценки возможного поступления метана в атмосферу от нефтегазовой промышленности показывают, что мы имеем дело с самым мощным фактором пополнения атмосферного метана, намного превосходящим все биогенные природные источники вместе взятые.
Пути предотвращения роста концентрации метана в атмосфере. Непроизводительные потери метана при транспортировке можно уменьшить, применяя современное оборудование и специальные технологии: сведя к минимуму аварийные потери газа на линейной части магистральных газопроводов (МГ) и компрессорных станций (КС); применив современные технологии утилизации газовых выбросов из системы магистральных газопроводов; понизив расход топливного газа на нерасчётных режимах путем оптимизации параметров оборудования КС; исключив перерасход топливного газа вследствие физического износа оборудования путём реконструкции КС и модернизации ГПА; совершенствуя количественный учёт газа, применяя надёжные способы замера производительности МГ.
Поэтому первоочередной задачей является сокращение больших потерь газа через неплотности как в обвязке компрессорных станций, так и на линейных участках газопроводов. Для этого необходимо совершенствовать конструкции узлов с целью повышения герметичности, а также изыскивать методы и разрабатывать специальные приборы для определения мест утечек газа и их последующего устранения.
Важным моментом сокращения потерь природного газа является максимально возможное использование нефтяного попутного газа, что на территории России в значительной степени связано с активной деятельностью холдинга «СИБУР» - крупнейшего производителя в области нефтегазохимии. Активизации этого процесса способствует принятое Правительством РФ постановление № 7 от 08.01.2009, в котором заложено требование по доведению уровня утилизации попутного газа до 95 %. В США, Канаде, Франции и других странах приняты законы, запрещающие добычу и подготовку нефти без утилизации попутного нефтяного газа.
При подземном хранении газа важным фактором снижения риска потерь является подбор мест размещения ПХГ для минимизации пластовых потерь, предотвращение нарушения герметичности трубопроводов и технологических узлов хранилища.
Для предупреждения риска загрязнения метаном в результате функционирования ПХГ специалистами ООО «Энергодиагностика» предложено использование ме-танотрофов - бактерий, питающихся метаном [6, 21]. Разработанное предложение (патент К.и 2591118 С 2 от 06.03.2014) заключается в дистанционном мониторинге содержания метана в приземной атмосфере и в зонах технологических узлов, по результатам которого в зонах с повышенной концентрацией метана в приземной атмосфере грунт обрабатывают суспензией метанотрофных бактерий в солевом растворе, а в критических зонах технологических узлов дополнительно создают грунтовые «воротники», в которые циклически закачивают при определённых давлении и температуре суспензии метанотрофных бактерий в солевом растворе. Этот приём позволяет снизить концентрацию метана и тем самым уменьшить не только риск возгорания, но и загрязнение атмосферы одним из самых действенных парниковых газов. Дальнейшая разработка этого предложения сможет стать существенным дополнением в реальное обеспечение одобренного 12 декабря 2015 г. в Париже 195 странами проекта Всемирного пакта о борьбе с глобальным потеплением.
При этом основной задачей становится увеличение эффективности деятельности метанотрофных бактерий путём активизации имеющихся в природных условиях видов метанотрофов, а также изменения соотношения в их видовом составе в пользу метанотрофов, эффективно «работающих» при низких температурах.
Как показали наши предварительные эксперименты с естественными (природными) метанотрофами, выделенными из почвы вблизи Инчукалнского подземного хранилища газа (Латвия), потенциальная метанокисляющая способность почвенного слоя ~0,5 м составляет около 150 т/га метана в год. Анализ метанокисляющей способности почв показал возможность увеличения активности природных метанотрофов, что, несомненно, может привести к существенному улучшению экологической ситуации на ПХГ за счёт предотвращения попадания метана в атмосферу.
Заключение. Исследование динамики содержания метана в атмосфере Земли показывает неуклонный рост его концентрации, особенно в последние полвека, что ведёт к неоправданно высокому содержанию одного из опаснейших парниковых газов.
Среди природных источников поступления метана в атмосферу (болота, вулканы, дикие животные) отсутствуют факторы, которые могли бы быть ответственными за наблюдаемый рост содержания метана в атмосфере. Более того, роль этих факторов в метанообразовании неуклонно сокращается.
В то же время динамика концентрации метана в атмосфере очевидно совпадает с возрастающей активностью деятельности человека. Среди антропогенных источников метана главными являются сельскохозяйственная активность (животноводство и рисоводство) и нефтегазовая промышленность.
Проведённый в данной работе анализ потерь метана (основного компонента природного газа) на разных стадиях деятельности нефтегазового комплекса показал, что суммарные потери природного газа, связанные с возможностью попадания метана в атмосферу, составляют величину около 700 млн т в год (без учёта аварийных ситуаций), что намного превышает все остальные источники эмиссии метана в атмосферу. Источником дополнительной эмиссии метана в атмосферу может также стать планируемая добыча метаногидратов.
Вполне естественно, что речь идёт о приблизительной величине оценки, учитывая многозначность факторов потерь и порой невозможность их точного подсчёта. Но эта оценка связывает наблюдаемый в последние 50-70 лет рост концентрации метана в атмосфере именно с неуклонно растущей добычей природного газа.
Наблюдаемое в начале текущего века снижение интенсивности роста концентрации метана в атмосфере вполне объясняется несколькими причинами, среди них рост использования попутного нефтяного газа, упорядочение работы трубопроводного транспорта, а также некоторое снижение темпов роста газодобычи.
Тем не менее, предстоит ещё большая работа по уменьшению экологического риска, связанного с ростом метана в атмосфере, что в значительной мере связано с необходимостью ужесточения контроля потерь природного газа в магистральных трубопроводах и технологических узлах, а также с перспективами использования метано-кисляющих бактерий (метанотрофов) в местах неуправляемой эмиссии природного газа, особенно при подземном хранении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аксютин О.Е. 50 лет подземному хранению газа в России (http://www.gazprom.rU/f/ posts/27/233865/50-years-underground-gas-storage-russia-ru.pdf).
2. Бажин Н.М. Метан в атмосфере // Соровский образовательный журнал. 2000. № 3. С. 52-57.
3. Бухгалтер Э.Б., Будников Б.О., Можарова Н.В. Герметичность объектов подземного хранения природного газа по данным почвенно-экологического мониторинга (http://www. ooomzm.ru/articles/38/).
4. Бухгалтер Э.Б., Дедиков Е.В., Бухгалтер Л.Б., Хабаров А.В., Будников Б.О. Экология подземного хранения газа. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. 431 с.
5. Виноградова О. Индустрия хранения газа // Нефтегазовая Вертикаль. 2016. № 19 (http:// www.ngv.ru/magazines/article/industriya-khraneniya-gaza/?sphrase_id=6361587).
6. Власов С.В., Снакин В.В., Власова И.В., Чудовская И.В. Способ обеспечения экологической безопасности подземного хранилища газа // Изобретения. Полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 2015. № 26. С. 43.
7. Вомперский С.Э. Болото // Большая российская энциклопедия. Т. 3. М.: Большая Российская энциклопедия, 2005. С. 733-736.
8. Газовый кратер Дарваза, Туркменистан (http://www.advantour.com/rus/turkmenistan/ darvaza-gas-crater.htm).
9. Гаррис Н.А. Ресурсосберегающие технологии при эксплуатации оборудования насосных и компрессорных станций. 2015 (http://studopedia.org/11-36556.html).
10. Глаголев М.В., Филиппов И.В. Инвентаризация поглощения метана почвами // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2011. Т. 2, № 2(4). 20 с.
11. Глобальное потепление климата Земли и парниковый эффект (http://www.poteplenie.
ru/).
12. Елизарова Г.С. Концепция ресурсосберегающей стратегии развития подземного хранения природного газа // Проблемы современной экономики. 2011. № 4 (40) (http://www.m-economy.ru/art.php?nArtId=3850).
13. Заварзин Г.А., Кларк У. Биосфера и климат глазами биологов // Природа. 1987. № 6. С. 65-77.
14. Исхаков А.Я. Контроль пластовых потерь и герметичности подземных хранилищ газа на основе геофизических методов и геолого-технологического моделирования. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: ВНИИГАЗ, 2013. 120 c.
15. Каллистова А.Ю. Аэробное окисление метана в покрывающей почве полигона твёрдых бытовых отходов. Дисс. на соиск. уч. ст. к.б.н. М., 2007. 141 с.
16. Книжников А.Ю., Тетельмин В.В., Бунина Ю.П. Аналитический доклад по проблеме рационального использования попутного нефтяного газа в России. М.: WWF России, 2015. 62 с.
17. Полохало В. О подземных хранилищах газа на территории страны (http://www.stoletie. ru/politika/kolonialnoe_nasledie_ukraini_2009-03-02.htm).
18. Попутные нефтяные газы. 2010 (https://ria.ru/economy/20100201/206673791.html).
19. Прасолов Е.М., Сергеев С.А. О происхождении метана в пробах воды из скважин вблизи Инчукалнского газохранилища. Заключение по данным изучения изотопного состава углерода. С.-Пб., 2005. 2 с.
20. Cмирнов С. Япония встала на путь «гидратной революции» // Ведомости, 12.03.2013 (http://www.vedomosti.ru/technology/articles/2013/03/12/yaponskaya_jogmec_vpervye_v_mire_ dobyla_gaz_iz_gidrata).
21. Снакин В.В., Власов С.В., Чудовская И.В., Власова И.В., Черничкин Р.В. Использование метанотрофов при подземном хранении природного газа с целью снижения экологического риска // Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов. Сб. материалов Всерос. симпозиума. М., 2014. С. 210.
22. Степневска С., Степневский В. Нестабильность атмосферной концентрации метана и её последствия // Глобальные экологические процессы: Материалы междунар. науч. конф. / Под ред. В.В. Снакина. М.: Academia, 2012. C. 92-100.
23. Странное поведение метана в атмосфере Земли. 2016 (http://www.planet-nwes.ru/ strannoe-povedenie-metana-v-atmosfere-zemli/)
24. Шишко Г.Г. Потери природного газа при эксплуатации систем газоснабжения. Киев: ИПК Госжилкомхоза Украины, 1991. 112 с.
25. BarberR.D. and Ferry J.G. Methanogenesis // Encyclopedia of life science. Nature Publishing Group, 2001 (www.els.net).
26. Blake D.R. and Rowland F.S. Continuing worldwide increase in tropospheric methane, 1978 to 1987 // Science. 1988. V. 239 (4844). P. 1129-1131.
27. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. IPCC Working Group I Contribution to AR5. Bern (Switzerland), 2016. P. 465-570.
28. Dlugokencky E. J., Arlene M. Fiore, Larry W. Horowitz and West J. Jason. Impact ofmeteorology and emissions on methane trends, 1990-2004 // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. 4 pp.
29. GalchenkoV.F., Lein A., Ivanov M. Biological Sinks of methane // Exchange of trace gases between terrestrial ecosystems and the atmosphere / M.O. Andreae and D.S. Schimel (Eds.). John Wiley & Sons Ltd. 1989. P. 59-71.
30. GISMETEO. Новости 27.02.2016 б (https://www.gismeteo.ru/news/proisshestviya/18138-utechka-metana-v-kalifornii-byla-krupneyshey-za-istoriyu-ssha/).
31. Nighttime lights of the world. 2014 (http://genby.livejournal.com/306801.html)
32. Rigby M., Prinn R.G., Fraser P.J., Simmonds P.G., Langenfelds R.L., Huang J., Cunnold D.M., Steele L.P., Krummel P.B., Weiss R.F., O'Doherty S, Salameh P.K., Wang H.J., Harth C.M., Mühle J., and Porter L.W. Renewed growth of atmospheric methane // Geophysical Research Letters. 2008. V. 35. 6 pp.
33. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Kosmach D. and Bel'cheva N. Methane release on the Arctic East Siberian shelf // Geophysical Research Abstracts. 2007. 9, 01071.
REFERENCES
1. Aksyutin O.E. 50 years of underground gas storage in Russia (http://www.gazprom.ru/f/ posts/27/233865/50-years-underground-gas-storage-russia-ru.pdf) (in Russian).
2. Bazhin N.M. Methane in the atmosphere. Soros Educational Journal. 3, 52-57 (2000) (in Russian).
3. Buhgalter E.B., Budnikov B.O., Mozharova N.V. The tightness of underground gas storage facilities based on soil-ecological monitoring data (http://www.ooomzm.ru/articles/38/) (in Russian).
4. Buhgalter E.B., Dedikov E.V., Buhgalter L.B., Khabarov A.V., Budnikov B.O. Ecology of underground gas storage. 431 p. (Moscow: MAIK «Nauka / Interperiodica», 2002) (in Russian).
5. Vinogradova O. The gas storage industry. Neftegazovaya vertical'. 19 (2016) (http://www.ngv. ru/magazines/article/industriya-khraneniya-gaza/?sphrase_id=6361587) (in Russian).
6. Vlasov S.V., Snakin V.V., Vlasova I.V., Chudovskaya I.V. The way to ensure ecological safety of underground gas storage. Izobreteniya. Poleznye modeli. Official Bulletin of the Federal Service for Intellectual Property, Patents and Trademarks. 26, 43 (2015) (in Russian).
7. Vompersky S.E. Marsh. The Great Russian Encyclopedia. 3, 733-736 (Moscow: Bol'shaya Rossijskaya Enciklopedia, 2005) (in Russian).
8. Darvaz Gas Crater, Turkmenistan (http://www.advantour.com/rus/turkmenistan/darvaza-gas-crater.htm) (in Russian).
9. Harris N.A. Resource-saving technologies in the operation of equipment of pumping and compressor stations. 2015 (http://studopedia.org/11-36556.html) (in Russian).
10. Glagolev M.V., Filippov I.V. Inventory of Methane Absorption by Soils. Dynamics of the Environment and Global Climate Change. 2 (2), 20 (2011) (in Russian).
11. Global warming of the Earth's climate and the greenhouse effect (http://www.poteplenie.ru/) (in Russian).
12. Elizarova G.S. The concept of a resource-saving strategy for the development of underground storage of natural gas. Problemy sovremennoj economiki. 4 (40) (2011) (http://www.m-economy.ru/art. php?nArtId=3850) (in Russian).
13. Zavarzin G.A., Clark W. Biosphere and climate in the eyes of biologists. Priroda. 6, 65-77 (1987) (in Russian).
14. Iskhakov A.Ya. Control of reservoir losses and tightness of underground gas storage facilities on the basis of geophysical methods and geological and technological modeling. PhD dissertational work. 120 p. (Moscow: VNIIGAZ, 2013) (in Russian).
15. Kallistova A.Yu. Aerobic oxidation of methane in the covering soil of the landfill for solid household waste. PhD dissertational work. 141 p. (Moscow, 2007) (in Russian).
16. Knizhnikov A.Yu., Tetel'min V.V., Bunina Yu.P. Analytical report on the problem of rational use of associated petroleum gas in Russia. 62 p. (Moscow: WWF of Russia, 2015) (in Russian).
17. Polokhalo V. On underground gas storage facilities in the country (http://www.stoletie.ru/ politika/kolonialnoe_nasledie_ukraini_2009-03-02.htm) (in Russian).
18. Associated petroleum gases. 2010 (https://ria.ru/economy/20100201/206673791.html) (in Russian).
19. Prasolov E.M., Sergeev S.A. On the origin of methane in water samples from wells near the Incukalns gas storage facility. Conclusion from the study of the isotope composition of carbon. 2 pp. (S.-Petersburg, 2005) (in Russian).
20. Smirnov S. Japan took the path of the «hydrate revolution». Vedomosti, 12.03.2013 (http:// www.vedomosti.ru/technology/articles/2013/03/12/yaponskaya_jogmec_vpervye_v_mire_dobyla_ gaz_iz_gidrata) (in Russian).
21. Snakin V.V., Vlasov S.V., Chudovskaya I.V., Vlasova I.V., Chernichkin R.V. Use of metanotrophs in the underground storage of natural gas to reduce environmental risk. Modern problems of physiology, ecology and biotechnology of microorganisms. Materials of the All-Russian Symposium. P. 210 (Moscow, 2014) (in Russian).
22. St^pniewska Z., St^pniewski W. Variability of atmospheric methane and its Consequences. Global environmental processes. Materials of the international scientific conference. Ed. by V.V. Snakin. P. 92-96 (Moscow: Academia, 2012).
23. Strange behavior of methane in the Earth's atmosphere. 2016 (http://www.planet-nwes.ru/ strannoe-povedenie-metana-v-atmosfere-zemli/) (in Russian).
24. Shishko G.G. Loss of natural gas in the operation of gas supply systems. 112 p. (Kiev: IPK Goszhilkomkhoza Ukrainy, 1991) (in Russian).
25. Barber R.D. and Ferry J.G. Methanogenesis. Encyclopedia of life science (Nature Publishing Group, 2001) (www.els.net).
26. Blake D.R. and Rowland F.S. Continuing worldwide increase in tropospheric methane, 1978 to 1987. Science. 239 (4844), 1129-1131 (1988).
27. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. IPCC Working Group I Contribution to AR5. P. 465-570 (Bern, Switzerland, 2016).
28. Dlugokencky E. J., Arlene M. Fiore, Larry W. Horowitz and West J. Jason. Impact of meteorology and emissions on methane trends, 1990-2004. Geophysical Research Letters. 33, 4 pp. (2006).
29. GalchenkoV.F., Lein A., Ivanov M. Biological Sinks of methane. Exchange of trace gases between terrestrial ecosystems and the atmosphere. Ed. by M.O. Andreae and D.S. Schimel. P. 59-71. (John Wiley & Sons Ltd., 1989).
30. GISMETEO. News 27.02.2016 (https://www.gismeteo.ru/news/proisshestviya/18138-utechka-metana-v-kalifornii-byla-krupneyshey-za-istoriyu-ssha/) (in Russian).
31. Nighttime lights of the world. 2014 (http://genby.livejournal.com/306801.html).
32. Rigby M., Prinn R.G., Fraser P.J., Simmonds P.G., Langenfelds R.L., Huang J., Cunnold D.M., Steele L.P., Krummel P.B., Weiss R.F., O'Doherty S., Salameh P.K., Wang H.J., Harth C.M., Mühle J., and Porter L.W. Renewed growth of atmospheric methane. Geophysical Research Letters. 2008. 35, 6 pp.
33. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Kosmach D. and Bel'cheva N. Methane release on the Arctic East Siberian shelf. Geophysical Research Abstracts. 9, 01071 (2007).
