CC BY
9УДК 553:(548.562+542.7)
Природные газовые гидраты как потенциальное полезное ископаемое
В. А. Соловьёв
ВАЛЕРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ СОЛОВЬЁВ — кандидат геологических наук, заведующий лабораторией геологии газовых гидратов Всероссийского научно-исследовательского института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана (ВНИИОкеангеология). Область научных интересов: аспекты геологии, геохимии и геофизики газовых гидратов, морская геология, геотермия, криолитология.
190121 Санкт-Петербург, Английский просп., 1, ВНИИОкеангеология, тел. (812)114-16-85, факс (812)114-14-70, E-mail soloviev@gashyd.spb.ru
Введение
Прошло более четверти века с момента первого достоверного обнаружения газовых гидратов в природных условиях — они впервые были вскрыты в Черном море в 1972 году [1] и в Каспийском море в 1979 году [2]. В последнее десятилетие наблюдается активизация исследований природных газовых гидратов, что обусловлено рядом причин: газовые гидраты рассматриваются как потенциальное горючее ископаемое, как возможный источник поступления парникового газа в атмосферу, как фактор, влияющий на природную устойчивость континентальных и островных склонов, как компонент среды, осложняющий хозяйственную деятельность при освоении морских природных ресурсов.
Мировой интерес к природным газовым гидратам как к возможным энергетическим ресурсам, способным восполнить дефицит углеводородного сырья в будущем, стимулирован прежде всего предполагаемыми огромными количествами сосредоточенного в гидратах газа. Согласно имеющимся оценкам, содержание газа в газовых гидратах составляет от 2 • 1014 до 7,6 • 1018 м3. Разброс в оценках свидетельствует о неясности на сегодняшний день самого главного — каковы действительные масштабы газогидратоносности недр и в первую очередь субмаринных. Все остальные вопросы, связанные с проблемой природных газовых гидратов, нам представляются вторичными.
В статье дан обзор фактического материала по наблюдениям субмаринных газовых гидратов и их признаков, критически рассмотрены имеющиеся глобальные и региональные оценки количества газа, сосредоточенного в природных газовых гидратах, обсуждены возможные подходы к добыче газа из скоплений газовых гидратов. Основное внимание уделено рассмотрению газовых гидратов, существующих в акваториях. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, по всем имеющимся оценкам, именно здесь сосредоточены подавляющие запасы газовых гидратов. Так, по мнению Ю.Ф. Макогона [3], до 98% ресурсов газа в гидратах приходится на акватории Мирового океана и только 2% — на арктические территории. Во-вто-
рых, субмаринное гидратообразование обусловливает накопление газа, тогда как в условиях арктической суши, где скопления гидратов могут появиться только за счет трансформации ранее существовавших залежей газа при экзогенном охлаждении недр, гидратообразование, по-видимому, приводит к уменьшению доли извлекаемых запасов газа.
В данной работе широко используется термин «скопление газовых гидратов», который требует пояснения. Под этим термином понимается некоторый объем породы, поровое пространство которой в той или иной степени заполнено газовыми гидратами. На наш взгляд, принципиально важно рассматривать именно скопления газовых гидратов, поскольку маловероятно существование гидратов в природных средах в рассеянном состоянии.
Анализ всех известных газогидратопроявлений показал, что имеются два типа скоплений гидратов: скопления, связанные с очагами разгрузки флюидов на дне морей, которые формируются вблизи дна и контролируются флюидопроводниками (грязевые вулканы, диапиры, разломы), и скопления, прямо не связанные с очагами разгрузки (находящиеся на значительной поддонной глубине), но также контролируемые потоками флюидов. Наличие скоплений второго типа подтверждается результатами глубоководного бурения, выявившего приуроченность таких скоплений к зонам опреснения и к относительно грубозернистым отложениям [4]. Форма и размер скоплений, а также распределение гидратосодержащих пластов в их пределах, определяются потоками газовых флюидов (концентрированными и рассредоточенными) и параметрами диффузионного ореола рассеяния.
Следует отметить также, что природные газовые гидраты должны рассматриваться не сами по себе, а как одна из форм существования природного газа в недрах (наряду со свободным, водорастворенным и сорбированным газами), жестко детерминированная термодинамическими и геологическими условиями. Можно полагать, что газогидратоносность акваторий определяется именно скоплениями газовых гидратов, а не равномерным их распределением в породах. Образование скоплений гидратов и их расположение
контролируются, помимо собственно термобарическими условиями, неоднородностями геологического пространства: температурным полем, определяющим растворимость газа в воде; полем проницаемости, определяющим условия миграции флюидов; соленостью вод, также влияющей на растворимость газа; условиями генерации газа.
Анализ данных наблюдений еубмаринных газовых гидратов
Первое обобщение мировых данных по распространению еубмаринных газовых гидратов, в котором приводится перечень из девяти районов, было опубликовано К. Квенволденом (К. Kvenvolden) и М. МакМенамином (M. McMenamin) в 1980 году [5]. Количество пунктов и площадей в Мировом океане, где наблюдались газовые гидраты или их признаки, к концу 2002 года уже достигло 64 (рис. 1 и табл. 1). В 23 из них (номера Р2, Р4-5, Р7-9, Р15-16, Р18, Р21а, Р22, Р24, Р27, А7-8, А13, А16-19, N6, 01 и ОЗ на рис. 1 и табл. 1) газовые гидраты были вскрыты глубоководным бурением и/или грунтовым пробоотбором и наблюдались визуально. Внешний вид некоторых образцов природных газовых гидратов показан на рис. 2. В 41 районе были выявлены только косвенные признаки газовых гидра-
тов — главным образом, это отражающий сейсмический горизонт Bottom Simulating Reflector, BSR.
Скопления газовых гидратов, расположенные непосредственно вблизи дна и приуроченные к очагам разгрузки флюидов, оказались наиболее многочисленными; они обнаружены в 12 районах Мирового океана и в двух глубоководных озерах (показаны квадратиками на рис. 1). Скопление газовых гидратов такого типа в прибрежье острова Ванкувер [6] наиболее впечатляюще: более тонны гидратов метана было поднято на борт канадского рыболовного судна донным тралом (см. № 17 на рис. 2).
Большинство районов с косвенными признаками газовых гидратов охарактеризовано только по результатам наблюдений сейсмического горизонта BSR. Этот горизонт подавляющим числом исследователей рассматривается как некая фазовая граница, приуроченная к подошве зоны стабильности газовых гидратов. Ниже ее находится свободный газ, а выше — гидраты или предельно газонасыщенная поровая вода. При этом остается совершенно неясным, является ли наблюдение BSR свидетельством сколько-нибудь существенного гидратонасыщения осадочной толщи выше по разрезу и наличия в ней скоплений газовых гидратов. Есть основания полагать, что ответ на этот вопрос скорее всего будет отрицательным.
Рис. 1. Наблюдения еубмаринных (субаквальных) газовых гидратов и их признаков.
■ — скопления газовых гидратов в очагах разгрузки флюидов
Таблица 1
Пункты и площади, где наблюдались газовые гидраты и/или их признаки
№ Номерна Океан рис. 1
Район
Характер наблюдений
Авторы, дата
1 Р-1 Тихий
2 Р-2 Тихий
3 Р-3 Тихий
4 Р-4 Тихий
Южное прибрежье Панамы BSR
5 Р-5
6 Р-6
7 Р-7
8 Р-8
9 Р-9
Тихий
Тихий Тихий
Тихий Тихий
10 Р-10 Тихий
11 Р-11 Тихий
12 Р-12 Тихий
13 Р-13 Тихий
14 Р-14 Тихий
15 Р-15 Тихий
16 Р-16 Тихий
17 Р-17 Тихий
18 Р-18 Тихий
Центральноамериканский жёлоб, прибрежье Коста-Рики
Центральноамериканский жёлоб, прибрежье Никарагуа
Центральноамериканский жёлоб, прибрежье Гватемалы
Центральноамериканский жёлоб, прибрежье Мексики
Калифорнийский залив (бассейн Гуаймас)
Прибрежье Северной Калифорнии
Прибрежье штата Орегон (зона субдукции Каскадиа)
Прибрежье о. Ванкувер
Алеутский жёлоб, восток
Алеутский жёлоб, центральная часть
Берингово море, Алеутская котловина
Берингово море, континентальный склон США
Берингово море, хр. Ширшова
Охотское море, прибрежье о. Парамушир
Японское море, хр. Окусири
Японский жёлоб
Жёлоб Нансей, прибрежье Японии
Гидраты в керне скв.565 (84 рейс DSDP) BSR
Гидраты в керне скв.1041 (170 рейс ODP)
BSR
Гидраты в керне скв. 496498 (67 рейс ОЭОР), скв. 565 и 570 (84 рейс ОЭОР)
вея
Гидраты в керне скв. 490492 (66 рейс ОвОР)
вея вея
вея
Гидраты в грунтовых колонках
вея
Гидраты в керне скв. 892 (146 рейс ОБР) Гидраты в грунтовых колонках
вея
Температура керна —1,4 °С Гидраты в грунтовых колонках
вея
Опреснение поровой воды в скв. 186 (19 рейс ОвОР)
вея
УАРй (амплитудно-скоростные аномалии)
вея
BSR
Гидраты в грунтовых колонках
Гидраты в керне скв. 796 (127 рейс ODP)
Опреснение поровой воды в скв. 438, 439 (57 рейс DSDP)
BSR
Гидраты в керне скв. 808 (131 рейс ODP)
Shipley e. a., 1979 Kvenvolden, McDonald, 1985
Shipley e. a., 1979 Kimura e. a., 1997
Shipley e. a., 1979
Harrison, Curíale, 1982
Kvenvolden, McDonald, 1985
Shipley e. a., 1979 Ladd e. a., 1982 Shipley, Didyk, 1982
Shipley e. a., 1979 Lonsdale, 1985
Field, Kvenvolden, 1985 Brooks e. a., 1991
Moore e. a., 1992 Westbrook e. a., 1994
Sues e. a., 1997
Davis e. a., 1990 Hyndman, Spence, 1992 Westbrook e. a., 1994 Riedel e. a., 2001
Kvenvolden, von Huene, 1985 Hesse, Harrison, 1981
McCarthy e. a., 1984
Scholl, Cooper, 1978; Салтыкова и др., 1987
Carbon, Karl, 1984 Carbon е. a., 1985
Салтыкова и др., 1987
Зоненшайн и др., 1987 Соловьев и др., 1993, 1994
Tamaki е. а., 1990
Hesse, Harrison, 19'
Aoki е. а., 1983 Tamaño е. а., 1984 Taira е. а., 1991
Продолжение таблицы 1
N° Номер на рис. 1 Океан Район Характер наблюдений Авторы, дата
19 Р-19 Тихий Прибрежье Новой Зелан- BSR Katz, 1981, 1982
дии
20 Р-20 Тихий Прибрежье Чили BSR Cande е. а., 1987
21 Р-21 Тихий Перуанский жёлоб BSR Shepard, 1979
(5—7 °ю.ш.)
22 Р-21а Тихий Перуанский жёлоб (южнее BSR von Huene е. а., 1985
° Miller е. а., 1991
Гидраты в керне скв.685, 688 Suess е. а., 1988
(112 рейс ODP) Kvenvolden, Kastner, 1990
23 Р-22 Тихий Охотское море, прибрежье Гидраты в грунтовых колон- Ginsburg е. а., 1993
о. Сахалин (впадина Дерю- ках Соловьев и др., 1993
гина)
24 Р-23 Тихий Прибрежье о. Сулавеси BSR Neben е. а., 1998
25 Р-24 Тихий Желоб Окинава, Восточно- Гидраты СО2 на дне Sakai е. а., 1990
Китайское море
26 Р-25 Тихий Тасманово море BSR Exon, Symonds, 1998
27 Р-26 Тихий Южно-Китайское море, BSR Chow е. а., 2000
прибрежье о. Тайвань
28 Р-27 Тихий Каскадиа, к югу от Гидраты подняты тралом Spence е. а., 2001
о. Ванкувер
29 А-1 Атлантиче- Прибрежье Аргентины BSR Manley, Flood, 1989
ский
30 А-2 Атлантиче- Прибрежье Бразилии BSR Manley, Flood, 1988
ский
31 А-3 Атлантиче- Прибрежье о. Барбадос BSR Ladd e. a., 1982
ский Опреснение поровой воды в Gieskes e. a., 1990
скв. 671, 674 (110 рейс ODP)
32 А-4 Атлантиче- Карибское море, прибре- BSR Ladd e. a., 1984
ский жье Венесуэлы
33 А-5 Атлантиче- Карибское море, прибре- BSR Shipley e. a., 1979
ский жье Панамы и Колумбии Lu, McMillen, 1983
34 А-6 Атлантиче- Мексиканский залив, запад BSR Shipley e. a., 1979
ский Hedberg, 1980
35 А-7 Атлантиче- Мексиканский залив, при- Гидраты в керне скв. 618 Pflaum e. a., 1986
ский брежье США (96 рейс DSDP)
Гидраты в грунтовых колонках Brooks e. a., 1984, 1986
36 А-8 Атлантиче- Прибрежье США, BSR Markl e. a., 1970; Shipley e. a.
ский хр. Блейк Аутер 1979; Sheridan e. a., 1982
Гидраты в керне скв. 533 Kvenvolden, Barnard, 1983
(76 рейс DSDP)
Опреснение поровой воды в Hesse, Harrison, 1981
скв. 104 (11 рейс DSDP)
Гидраты в керне скв. 994— Pauli e. a., 1996
997 (164 рейс ODP)
37 А-9 Атлантиче- Прибрежье США, жёлоб BSR Dillon e. a., 1983
ский Каролины
38 А-10 Атлантиче- Прибрежье США, между BSR Carpenter, 1981
ский каньонами Гудзон и Ва- Tucholke e. a., 1977
шингтон
39 А-11 Атлантиче- Прибрежье Канады к вос- BSR Taylor e. a., 1979
ский току от о. Ньюфаундленд
40 А-12 Атлантиче- Прибрежье Норвегии BSR Bugge e. a., 1987
ский Опреснение поровой воды в Hesse, Harrison, 1981;
скв. 339, 341 (38 рейс DSDP)
Опреснение поровой воды и Kvenvolden
присутствие метана в e. a., 1989
скв. 644 (104 рейс ODP)
Продолжение таблицы 1
Мг Номер на рис. 1 Океан Район Характер наблюдений Авторы, дата
41 А-13 Атлантиче- Черное море, прибрежье Гидраты в грунтовых колон- Ефремова, Жижченко, 1974
ский Крыма ках Гинсбург и др., 1990 Конюхов и др., 1990
42 А-14 Атлантический Черное море, прибрежье Кавказа BSR Номоконов, Ступак, 1988 Горчилин, Лебедев, 1991
43 А-15 Атлантический Конус выноса р. Конго BSR Uenzelman е. а., 1997
44 А-16 Атлантический Прибрежье Нигерии Гидраты в грунтовых колонках BSR Brooks е. а., 1994
45 А-17 Атлантический Барбадосский желоб Гидраты в грунтовых колонках Henry е. а., 1996
46 А-18 Атлантический Восток Средиземного моря Гидраты в грунтовых колонках Woodside е. а., 1996
47 А-19 Атлантический Кадисский залив Гидраты в грунтовых колонках
48 1-1 Индийский Оманский залив BSR White, 1979 White, Louden, 1983
49 1-2 Индийский Прибрежье Юго-Восточной Африки BSR Ben-Avraham е. a., 1998
50 1-3 Индийский Прибрежье Западной Индии, 14° с.ш. BSR Veerayya e. a., 1998
51 1-4 Индийский Прибрежье мыса Кумари, Индия BSR Veerayya e. a., 1998
52 1-5 Индийский Прибрежье Андаманских островов BSR Chopra, 1985
53 N-1 Северный Ледовитый Море Бофорта, континентальный склон, Аляска, США BSR Grantz e. a., 1976 Grantz, May, 1983
54 N-2 Северный Ледовитый Море Бофорта, шельф Канады Каротаж скважин Weaver, Stewart, 1982
55 N-3 Северный Ледовитый Бассейн Свердруп Каротаж скважин Judge, 1982 Goodman, Franklin, 1982
56 N-4 Северный Ледовитый Баренцево море, прибрежье Норвегии Сейсмические аномалии, BSR Andreassen e. a., 1990
57 N-5 Северный Ледовитый Прибрежье Шпицбергена, пролив Фрама BSR Eiken, Hinz, 1989
58 N-6 Северный Ледовитый Норвежское море Гидраты в грунтовых колонках Vogt е. а., 1997 Ginsburg е. а., 1998, 1999
59 S-1 Прибрежье Антарктиды Прибрежье Земли Уилкса, западная часть моря Дюр-виля BSR Kvenvolden е. а., 1987 Eittreim, Smith, 198
60 S-2 Прибрежье Антарктиды Море Росса, западная часть Опреснение поровой воды и присутствие метана в скв. 271-273 (28 рейс DSDP) Mclver, 1975; Mann, Gieskes, 1975
61 S-3 Прибрежье Антарктиды Море Уэдделла, северозападная часть BSR Lonsdale, 1990
62 Ol Впадина Южного Каспия Гидраты в грунтовых колонках Ефремова, Гритчина, 1981 Гинсбург и др., 1988, 1992
63 0-2 Озеро Байкал BSR Hutchinson е. а., 1991
64 о-з Озеро Байкал Гидраты в керне скважин Гидраты в грунтовых колонках Кузьмин и др., 1998; Matveeva е. а., 2000
Примечание. В столбце 2 жирным шрифтом выделены номера районов, где газовые гидраты наблюдались визуально.
Рис. 2. Примеры образцов газовых гидратов, вскрытых глубоководным бурением и грунтовым пробоотбором.
1 — Центральноамериканский жёлоб в прибрежье Гватемалы, станция 570, 84 рейс DSDP, поддонная глубина около 250 м, глубина воды 1698 м; 2 — Центральноамериканский жёлоб в прибрежье Гватемалы, станция 498, 67 рейс DSDP, интервал поддонных глубин 307—316 м, глубина воды 5478 м; 3 — Центральноамериканский жёлоб в прибрежье Гватемалы, станция 568, 84 рейс DSDP, поддонная глубина около 400 м, глубина воды 2010 м; 4 — Перуанский жёлоб, станция 688, 112 рейс ODP, поддонная глубина 141 м, глубина воды 3820 м; 5—6 — Черное море, прогиб Сорокина, поддонная глубина 0,4—2,2 м, глубина воды 2050 м; 7—9 — Охотское море, прибрежье Сахалина, поддонная глубина 0,4—1 м, глубина воды 710 м;
10—12 — озеро Байкал, Южная впадина, поддонная глубина 0,2 м, глубина воды 1380 м; 13 — Мексиканский залив, каньон Миссисипи, поддонная глубина до 8,2 м, глубина воды до 1300 м; 14—15 — Гидратный хребет в прибрежье штата Орегон, гидраты подняты со дна драгированием, глубина воды около 800 м; 16 — Мексиканский залив, выходы газовых гидратов на дне (поле снимка — несколько м2); 17 — Тихий океан к югу от о. Ванкувер, гидраты подняты со дна рыболовецким тралом, глубина воды 700—800 м.
юго-юго-запад 994 995 997 северо-северо-восток
9,6 км
I
Рис. 3. Фрагмент сейсмического профиля через станции глубоководного бурения 994, 995 и 997, вскрывшие газовые гидраты.
Подводный хребет Блейк Аутер, 164 рейс ОБР. По [12]
Во-первых, результаты многочисленных исследований показали, что инверсия полярности отраженного сигнала (а это основной признак гидратообу-словленного сейсмического горизонта BSR) связана, главным образом, с присутствием свободного газа ниже BSR [7—9], а не с гидратонасыщенностью отложений над этим горизонтом.
Причем, для этого появления BSR достаточно, если всего лишь 1% объема порового пространства будет занят свободным газом [10, 11]. Соответственно, содержание гидратов непосредственно над границей BSR, как правило, также будет низким, поскольку должно быть соответствие между содержанием гидратов и газа выше и ниже подошвы зоны стабильности газовых гидратов.
Во-вторых, данные глубоководного бурения свидетельствуют об отсутствии прямой связи между наблюдениями BSR и наличием газовых гидратов в вышележащей осадочной толще. Имеются многочисленные примеры, когда гидратосодержащие отложения вскрывались при отсутствии BSR и наоборот. В этом отношении показательны результаты бурения в 164 рейсе ODP (Ocean Drilling Program — программа глубоководного бурения на хребте Блейк Аутер) [12]. Здесь на всех трех станциях (994, 995 и 997), расположенных на
профиле, проходящим поперек гребня хребта, был вскрыт практически одинаковый гидратосодержащий разрез в интервале поддонных глубин приблизительно от 200 до 450 м. Однако на сейсмическом профиле, проходящем через эти станции, отражающий сейсмический горизонт BSR наблюдался только на станциях 995 и 997 (рис. 3).
Анализ многочисленных наблюдений BSR приводит к следующим выводам. Во-первых, для этого сейсмического горизонта характерна прерывистость. Она проявляется как регионально (BSR наблюдается, как правило, только на отдельных участках сейсмических профилей), так и локально (отмечаются сильные вариации коэффициента отражения в пределах этих участков).
Во-вторых, горизонт BSR всегда связан с присутствием некоторого количества свободного газа, хотя часто и незначительного в поровом пространстве ниже подошвы зоны стабильности газовых гидратов. Поскольку газ в свободной фазе может существовать только в условиях полного насыщения сосуществующей с ним поровой воды, BSR явно свидетельствует о предельном насыщении газом подземных вод в данном районе, а это — одно из необходимых условий нахождения в относительно стабильном состоянии
скоплений газовых гидратов. Таким образом, отражающий горизонт В8Я следует рассматривать скорее как признак потенциально газогидратоносных акваторий, в границах которых могут быть скопления газовых гидратов, а не как признак самих скоплений.
Содержание газа в субмаринных газовых гидратах
Глобальные оценки содержания метана в субмаринных газовых гидратах рассматривались в ряде обзоров [см. 17, 19, 21]. В табл. 2 приведены оценки за период 1997—1999 гг. Их разброс очень велик: крайние оценки различаются более, чем на четыре порядка величины (от 2 • 1014 до 7,6 • 1018 м3). Большинство оценок является произведением нескольких параметров: общей площади потенциально газогидратоносных акваторий, коэффициента гидратонасыщения (степени заполнения гидратами порового пространства), мощности гидратосодержащей толщи, пористости отложений, коэффициента расширения при разложении гидратов метана (при полном заполнении гидратной решетки молекулами метана он равен 164).
Данные, приведенные в табл. 2, отражают четыре разных подхода к оценке содержания метана в газовых гидратах Мирового океана. Оценки [16, 18—20] основаны на допущении, что газовые гидраты распространены в пределах термобарической зоны стабильности только там, где отложения достаточно обогащены органическим веществом (содержание органического вещества составляет более 1%). Расхождения полученных величин в интервале от 2-Ю16 до 1,4 • 1017 м3 обусловлены в основном некоторыми различиями принятых значений площади гидратоносных акваторий (от 1 • 107 до 3,17 • 107 км2) и коэффициента гидра-
Таблица 2
Глобальная оценка количества метана в газовых гидратах Мирового океана
Количество метана, м3 Год Авторы
5- 1015 - 2,5- 1016 1977 Трофимук и др.
7,6- 1018 1981 Добрынин и др.
3,1 • 1015 1981 М elver
4- 1016 1988 Kvenvolden, Claypool
1 • 1016 1988 Makogon
2,1 • 1016 1988 Kvenvolden
2,1 • 1016 1990 McDonald
2,6- 1016 - 1,4- 1017 1994 Görnitz, Fung
2,3- 1016 - 9,1 • 1016 1995 Harvey, Huang
1 • 1015 1995 Гинсбург, Соловьев
7- 1015 1996 Holbrook е. а.
1,5- 1016 1997 Makogon
2- 1015 - 2 - 1016 1997 Dickens е. а.
2- 1014 1999 Соловьев
тонасыщения (от 5 до 10%). Глобальное удельное количество метана в гидратах на единицу площади при таком подходе к оценке должно составить от 2 • 109 до 4,4 • 109 м3/км2.
Второй подход [16] заключается в том, что региональная оценка, сделанная на основе сейсморазведоч-ных данных, распространяется на все потенциально газогидратоносные акватории Мирового океана. Так, по данным о распространении сейсмического горизонта BSR в море Бофорта было предположено, что газовые гидраты занимают около 75% полосы площадью приблизительно 7 • 105 км2, протянувшейся вдоль континентального склона между изобатами от 400 до 2800 м. Было принято, что поровое пространство полностью занято гидратами в пределах нижних 40 метров зоны стабильности при средней пористости отложений 30%. Поскольку протяженность изученной площади в 20 раз меньше, чем суммарная протяженность континентальных окраин, глобальная оценка содержания метана в гидратах была определена как 20-кратная региональная оценка и составила 1,8 "1016 м3. При этом глобальное и региональное удельное содержание газа в гидратах должно быть одинаковым, 1,3 • 109 м3/км2.
Третий подход [19] основан на миграционной модели Р. Хиндмана и Е. Девиса [26], согласно которой гидраты осаждаются в пределах зоны стабильности из восходящего флюидного потока. Предполагается, что площадь потенциально гидратоносных акваторий включает в себя площадь всех аккреционных призм на активных континентальных окраинах, а также все акватории с высокой скоростью кайнозойского осад-конакопления, и равна 2,3 • 107 км2. Гидратонасыщен-ность отложений была принята равной 50% непосредственно у подошвы зоны стабильности и плавно уменьшающейся до нуля в направлении к морскому дну. Последнее допущение основано на уменьшении концентрации хлорид-ионов в поровой воде (которая рассматривается как мера гидратосодержания) с глубиной, что наблюдалось на станциях 496 и 497 DSDP (Deep Sea Drilling Project) [27]. Мощность гидратосодержащей толщи была принята равной мощности зоны стабильности газовых гидратов; среднее значение пористости составляет 46%. В результате глобальное содержание газа в гидратах было оценено величиной 1,1 • 1017 м3. Этой оценке должно соответствовать глобальное удельное содержание газа, равное 5 • 109 м3/км2.
В приведенных оценках обращают на себя внимание не только огромные количества газа в гидратах, но и большие значения его глобальных удельных содержаний, составляющих (1,3—5)" 109 м3/км2. Для сравнения, средняя плотность запасов газа в известных газовых месторождениях [28] существенно меньше — 6,2 • 108 м3/км2. Плотность запасов Уренгойского газового месторождения-гиганта на севере Западной Сибири составляет порядка 2,1 • 109 м3/км2, а его основной сеноманской залежи — 1,1 • 109 м3/км2 [28]. Такие значения соизмеримы с нижними оценками глобального удельного содержания газа в гидратах, что вызывает вполне закономерное сомнение в достоверности последних. Это и понятно, поскольку все приведенные выше оценки количества газа в гидратах были основаны на представлениях о сплошном рас-
Таблица 3
Результаты оценки удельного газосодержания (</) в скоплениях газовых гидратов (по данным наблюдений)
Район Скопление/гидратопроявление q, м3/км2 Примечания
Южный Каспий Грязевой вулкан «Буздаг» 4- 108 Оценка автора
Норвежское море Грязевой вулкан «Хаакон Мосби» 2 • 108 Оценка автора
Средиземное море Грязевой вулкан «Милано» 4- 108 Оценка автора по данным (De Lange, Brumsack, 1998)
Прибрежье Сахалина Очаг разгрузки газа 8- 108 Оценка автора
Перуанский жёлоб Станция 685, 112 рейс ОБР 4- 108 Оценка автора по данным (Suess е. а., 1988)
Центральноамериканский жёлоб Станция 570, 84 рейс ГШ)Р 1,4- 109 Mathews, von Huene, 1985, с поправками автора
Центральноамериканский жёлоб Станция 1041, 170 рейс ОБР 1,2 • 10s Оценка автора по данным (Kimura е. а., 1997)
Прибрежье о. Ванкувер Станция 889, 146 рейс ОБР 4,7 • 108 Collett, 1998
Берингово море УАМРй 7- 108 Scholl, Hant, 1993
Хребет Блейк Аутер В границах В8 К 3,8- 108 Площадь 26000 км2; оценка автора
пространен™ субмаринных газовых гидратов на больших площадях, в широком интервале поддонных глубин, а также значительном гидратосодержании отложений. Такие представления не согласуются с данными геологических наблюдений, анализ которых приводит к неоспоримому выводу о дискретности скоплений газовых гидратов.
В основе четвертого подхода к глобальной оценке количества газа в гидратах, развиваемого во ВНИИ-Океан геология, лежит анализ данных прямых наблюдений [4]. На весьма ограниченном фактическом материале был сделан вывод, что общее количество газа в скоплениях газовых гидратов Мирового океана может быть оценено величиной 1015 м3, а в скоплениях у дна, связанных с очагами разгрузки флюидов, 1014 м3. Последующий анализ по десяти наиболее обеспеченным фактическими данными скоплениям газовых гидратов дал оценки удельного содержания газа в изученных скоплениях газовых гидратов от 2-Ю8 до 1,4• 109 м3/км2 (табл. 3). Среднее удельное содержание газа в отмеченных десяти скоплениях приблизительно равно 6,5-108 м3/км2, что соизмеримо со средней плотностью запасов газа в месторождениях. Вместе с тем эта величина почти на порядок меньше, чем глобальное удельное содержание газа (1,3—5" 109 м3/км2), полученное на основании опубликованных оценок (см. выше), что явно противоречит закону распределения плотности запасов полезных ископаемых.
Количество газа, сосредоточенного в гидратах каждого из изученных скоплений, составляет от 1 • 108— 2,5 • 109 м3 в скоплениях, приуроченных к очагам разгрузки флюидов, до 1 • 1013 м3 в крупнейшем скопле-
нии газовых гидратов на хребте Блейк Аутер (прибрежье США). Согласно известным закономерностям распределения плотностей запасов в газоносных объектах [35], глобальное удельное содержание метана в газовых гидратах, т.е. плотность запасов в пределах всех потенциально газогидратоносных акваторий на Земле, не должно превышать 5 • 106 м3/км2.
По геологическим условиям потенциально газогид-ратоносные акватории должны либо находиться в границах бассейнов с мощным осадочным чехлом в целом, либо быть приуроченными к областям с большими скоростями кайнозойского осадконакопления, либо располагаться в пределах зон субдукции и аккреционных комплексов. Как правило, они ассоциируются с нефтегазоносными регионами. По данным прогнозного картирования в масштабе 1:15000000, выполненного нами, суммарная площадь таких акваторий составляет около 35,7 млн. км2, т.е. приблизительно 10% площади Мирового океана. При этом на долю арктических акваторий приходится 12,3%, на прибрежье Антарктиды — 19,7%, на Атлантический океан — 38,2%, на Тихий океан — 15,4%, на Индийский океан — 14,4%.
Общее количество газа, сосредоточенного в скоплениях газовых гидратов в недрах Мирового океана, было оценено величиной, полученной умножением предполагаемой средней глобальной удельной плотности запасов газа в газовых гидратах (5 • 106 м3/км2) на суммарную площадь потенциально газогидратоносных акваторий (3,57 • 107 км2). Полученная оценка (1,8" 1014 м3, или приблизительно 200 триллионов м3) существенно отличается от ранее опубликованных
оценок и является наименьшей. Поскольку эта оценка основана на анализе фактических данных, а не на общих предположениях, она представляется в методологическом отношении наиболее обоснованной. Вместе с тем ее можно рассматривать и как минимально возможную. Таким образом, согласно оценкам, выполненным во ВНИИОкеангеология, количество газа, сосредоточенного в природных газовых гидратах, составляет величину не более 1000 трлн. м3 и не менее 200 трлн. м3.
Об утилизации газовых гидратов
Известно, что энергия, которую можно получить из газа разложившихся гидратов, более чем в 15 раз превышает чистые (без учета тепловых потерь) энергетические затраты, необходимые для их разложения [36]. Такой благоприятный энергетический баланс дает основания для оптимизма в отношении возможного практического использования субмаринных газовых гидратов.
Имеются три теоретически возможных подхода к извлечению газа из газовых гидратов: повышение (и поддержание) температуры выше равновесной, снижение пластового давления и воздействие ингибиторами, сдвигающими фазовое равновесие. На практике ни один из этих подходов пока не был реализован. Единственные имеющиеся в литературе данные о добыче газа из гидратов Мессояхского месторождения (север Западной Сибири) не могут служить примером разработки субмаринных скоплений газовых гидратов методом снижения давления. Дело в том, что снижение пластового давления в газовой залежи Мессояхского месторождения являлось следствием извлечения газа в ходе ее разработки как газового месторождения, что могло привести к частичному разложению гидратов в пласте. В субмаринных условиях в пределах зоны стабильности газовых гидратов свободного газа не может быть даже теоретически. Газ может находиться только ниже подошвы этой зоны стабильности гидратов. На наш взгляд, перспектив у методов разработки субмаринных газогидратных месторождений, основанных на снижении пластового давления, нет.
Для извлечения газа из скоплений гидратов в субмаринных условиях целесообразными представляются методы, основанные на повышении температуры и на воздействии ингибиторов. Кроме того, определенный интерес могут вызывать механические, включая гидравлические и термогидравлические, методы. Для оценки экономической эффективности таких методов необходимо учитывать многие параметры скоплений — размер, форму, давление, температуру, интервал поддонных глубин, пористость и проницаемость отложений, характер гидратовыделений, концентрацию гидратов и ее распределение в скоплении. Пока же все предлагаемые схемы добычи газа из скоплений гидратов остаются в значительной мере умозрительными.
Заключение
Определение значимости и перспективности природных газовых гидратов как горючего ископаемого представляет несомненный практический интерес. Сегодня ответить с какой-либо определенностью на вопрос о месте газовых гидратов в ряду других горю-
чих ископаемых не представляется возможным, поскольку еще не накоплен достаточный фактический материал и не завершен первый необходимый этап работ — научно-исследовательский.
Но даже минимальные оценки количества газа в субмаринных скоплениях газовых гидратов (от 1,8 • 1014 до 1 • 1015 м3) свидетельствуют о наличии значительных потенциальных ресурсов, соизмеримых с геологическими запасами обычного природного газа. Безусловно, в будущем эти ресурсы так или иначе будут использоваться. Пока лишь сделаны первые шаги в изучении геологии залежей газовых гидратов. Еще предстоит выяснить, какие геологические факторы контролируют формирование скоплений газовых гидратов, что представляют собой конкретные скопления, каковы их размеры и форма, каковы концентрации гидратов и как они распределены по площади и глубине, какое количество газа содержится в гидратах отдельных скоплений.
По геологическим условиям наиболее перспективными, в соответствии с представлениями о ведущей роли в формировании скоплений газовых гидратов процесса фильтрации флюидов, можно считать континентальные склоны активных окраин в границах аккреционных призм, что также подтверждается имеющимися фактическими данными.
Что касается возможности освоения залежей газовых гидратов, то первоочередной интерес, по-видимому, представляют скопления газовых гидратов, связанные с очагами разгрузки флюидных источников. Такие скопления расположены непосредственно вблизи дна водоемов, часто при относительно небольшой глубине воды (от 480 м и более), и характеризуются относительно большим содержанием гидратов в отложениях (максимально до 35% об.). Кроме того, есть основания полагать, что ресурсы газа в гидратах таких скоплений являются возобновляемыми. Поскольку термобарические условия в верхней части разреза определяют, как правило, наибольшее переохлаждение (пересыщение) флюида непосредственно вблизи дна, очаги разгрузки можно рассматривать как своеобразные природные реакторы, в которых газ (растворенный или свободный) стабилизируется в форме гидратов, образуя современные скопления. Само явление глубоководной разгрузки газосодержащих флюидов на дне весьма широко распространено как на континентальных окраинах, так и во внутренних и окраинных морях. В настоящее время в Мировом океане известно не менее 70 районов с признаками разгрузки флюидов на дне. Все эти районы могут рассматриваться как потенциально газогидратоносные источники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефремова А.Г., Жижченко Б.П. Докл. АН СССР, 1974, т. 214, № 5, с. 1179-1181.
2. Ефремова А. Г., Гритчина Н.Д. К вопросу о роли газогидратов в формировании газопроизводящих отложений. Методы оценки нефте- и газоматеринского потенциала седи-ментитов. Москва, МГУ, 1979, с. 72—73.
3. Макогон Ю.Ф. Газ. Пром-сть, 2001, № 5, с. 10—16.
4. Гинсбург Т.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. С-Пб., ВНИИОкеангеология, 1994, с. 200.
5. Kvenvolden K.A., McMenamin M.A. U.S. Geol.Surv.Circ., 1980, v. 825, p. 11.
6. Spence G.D., Chapman N.R., Hyndman R.D., Cleary C. EOS, 2001, v. 82, № 50, p. 621, 627.
7. Miller J.J., Lee M.W., von Huene R. AAPG Bull., 1991, v. 75, № 5, p. 910-924.
8. Rowe M.M., Gettrust J.F. J. Geophys. Res., 1993, v. 98 (Bl), p. 463-473.
9. Minshull T.A., Singh S.C., Westbrook G.K. Ibid., 1994, v. 99 (B3), p. 4715-4734.
10. Domenico S.N. Geophysics, 1974, v. 39, № 6, p. 882-894.
11. Murphy W.F. J. Geophys. Res., 1984, v. 89 (B13), p. 1154911559.
12. Paull C.K., Matsumoto R., Wallance P.J. e. a. Proc. ODP. Init. Repts., 164, College Station, TX (Ocean Drilling Program), 1996.
13. Troflmuk A.A., Cherskiy N.V., Tsarev V.P. The role of continental glaciation and hydrate formation on petroleum occurrences. In: Future supply of nature-made petroleum and gas. Ed. R.F. Meyer. New York: Pergamon Press, 1977, p. 919-926.
14.Dobrynin V.M., Korotajev Yu.P., Plyuschev D.V. Gas hydrates — a possible energy resorces. In: Long-term energy resources. Eds. R.F. Meyer, J.C. Olson. Boston: Pitman, 1981, p. 727-729.
15. Mclver R.D. In: Long-term energy resources. Eds. R.F. Meyer, J.C. Olson. Boston: Pitman, 1981, p. 713-726.
16. Kvenvolden K.A., Claypool G.E. Gas hydrates in oceanic sediment, U.S. Geol. Surv. Open-File Rep., 1988, p. 88—216.
17. Kvenvolden KA. Chem. Geol., 1988, v. 71, p. 41-51.
18. McDonald G.T. Clim. Change, 1990, v. 16, p. 247-281.
19. Gornitz V., Fung I. Global Biogeochem. Cycles, 1994, v. 8, № 3, p. 335-347.
20. Harvey L.D., Huang Z. J. Geophys. Res., 1995, v. 100 (D2), p. 2905-2926.
21. Ginsburg G.D., Soloviev V.A. Submarine gas hydrate estimation: Theoretical and empirical approaches. In: 27th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1995, p. 513—518.
22. Holbrook W., Hoskins //., Wood W. e. a. Science, 1996, v. 273, p. 1840-1843.
23. Makogon Yu.F. Hydrates of hydrocarbons. PenWell Books, 1997.
24. Dickens G.R., Paull C.K, Wallance P., e. a. Nature, 1997, v. 385, p. 426-428.
25. Soloviev V.A. Assessment of methane content in submarine gas hydrates. In: XIII Intern. Conf. on Marine Geology, Moscow, 1999, v. 2, p. 207-208.
26. Hyndman R.D., Davis E.E. J. Geophys. Res., 1992, v. 97 (B5), p. 7025-7041.
27. Auboin J., von Huene R. e. a. Init.Repts. DSDP, Washington,
1982, v. 67.
28. Васильев В.Г., Ермаков В.И., Жабрее И.П. Газовые и газо-конденсатные месторождения. Справочник. М: Недра,
1983.
29. De Lange G.J., Brumsack H.-J. The occurrence of gas hydrates in Eastern Mediterranean mud dome structures as indicated by pore-water composition. In: Relevance to world margin stability and climate change. Geol. Soc. London, Special Publ., 1998, v. 137, p. 167-175.
30. Suess E., von Huene R. e. a. Proc. ODP, Init. Repts. College Station, TX, 1988, v. 131.
31. Mathews M.A., von Huene R. Site 570 methane hydrate zone. In: Init. Repts. DSDP, 1985, v. 84, p. 773-90.
32. Kimura G., Silver E., Blum P. e. a. Proc. ODP, Init. Repts. College Station, TX, 1997, v. 170.
33. Collett T. Personal commun., 1998.
34. Scholl D.W., Hart P.E. Velocity and amplitude structures on seismic-reflection profiles — possible massive gas-hydrate deposits and underlying gas accumulations in the Bering Sea. In: The future of energy gases. U.S. Geol.Surv. Prof.Paper, 1993, v. 1570, p. 331-351.
35. Назаров В.И. Экономические проблемы добычи нефти и газа. М.: Недра, 1989.
36. Sloan E.D. Clathrate hydrates of natural gases. New York, Basel: Marcel Dekker Inc., 1990.
