«Зеркало недели» уже обращало внимание читателей и особенно специалистов ТЭК на необходимость добычи метана из газогидратных залежей Черного моря (см. статью Ю.Балакирова «Газ из царства Нептуна» в выпуске от 20 февраля 1999 года).
За прошедшее с момента публикации время из разных стран поступила информация об открытии залежей с большими (подчас баснословными!) запасами углеводородного газа на дне Мирового океана. Очевидна тенденция, поэтому «ЗН» возвращается к этой теме. Тем более, что, как утверждают авторы нижеследующего материала, метан газогидратных залежей сам рвется к людям, просит «принять его...»
Тенденция продолжающегося истощения мировых запасов традиционных видов топлива актуализировала для мирового сообщества проблему дальнейшего изучения ресурсного потенциала океанических гидратов метана и их использования для получения природного газа.
Гидраты метана могли бы стать надежным и длительным источником природного газа в первую очередь для государств, испытывающих острый недостаток в энергоресурсах. Так, Япония и Индия уже приступили к реализации своих проектов и программ по определению месторождений океанических гидратов метана и их разработке. Достаточный опыт по этой проблеме накоплен в США и Канаде. Управление по вопросам океанических минеральных ресурсов Китая недавно завершило исследования по организации разведки гидратов природного газа на морском шельфе, запасы которых оцениваются в 1,1 трлн. тонн и разработке перспективных технологий их извлечения.
По наиболее оптимистическим оценкам, мировые запасы океанического метана в составе его гидратов составляют от 2 831,69 до 7 645 563,00 трлн. кубометров. Более консервативной оценки придерживаются США — от 76,46 трлн. кубометров до 198 218,30 трлн. кубометров. По результатам проведенных в 1995 году геологических исследований, запасы природного газа в составе его гидратов на территориях, находящихся под юрисдикцией США, оценены в объеме от 3 171,49 до 19 142,22 трлн. кубометров, со средним значением 9 061,41 трлн. кубометров. В 1997 году эта оценка была пересмотрена в сторону уменьшения и принята с вероятностью 65% в значении 5 663,38 трлн. кубометров.
В пользу гидратов метана как перспективного источника энергии свидетельствует следующий пример.
Результаты последних исследований, проведенных США на морском шельфе у побережья штата Каролина, подтвердили содержание в газовом месторождении Black Ridge свыше 14,16 трлн. кубометров метана, заключенного в его гидрате. Принимая во внимание, что сегодня США потребляют менее 0,71 трлн. кубометров природного газа в год, разработка гидратов метана только этого месторождения могла бы обеспечить страну природным газом почти на 20 лет. Точное распределение залежей океанических гидратов метана, представляющих промышленный интерес, из-за отсутствия соответствующих технологий до настоящего времени не установлено.
Физические свойства океанических гидратов метана изучены недостаточно, а описание их носит противоречивый характер, в основном, из-за отсутствия технологий, позволяющих сохранить их для исследования в первоначальном виде после извлечения из гидратной зоны, когда они разлагаются на метан и воду.
По общему мнению экспертов, значительная часть океанического метана имеет биогенетическое происхождение. Метан накапливается в морях и океанах со скоростью 10 килотонн в год. Гидрат метана отличается от известных карбогидратов, содержащихся в продуктах питания, тем, что он входит в молекулярную структуру воды, в пропорции 1:5,75. При разложении одной единицы объема гидрата метана образуется 150 единиц метана и 0,85 единиц воды.
В молекулярной структуре гидрата метан содержится в воде твердых включений (крупинок), поэтому он не может перемещаться и аккумулироваться в виде больших залежей. Этим объясняется то, что месторождения гидратов метана до сих пор встречаются в виде рассеянных крупинок или тонких пластов. Постоянным спутником и источником образования гидратов метана является так называемый «свободный газ» (Free Gas), который находится под их залежами и также имеет биогенетическое происхождение. В редких случаях источником образования гидратов метана могут быть находящиеся на большой глубине раскаленные газы вулканического происхождения.
Залежи гидратов метана и сопутствующего им «свободного газа» образуются в пределах верхних 1,5 км отложений морского дна, при этом эшелон глубины 200—800 метров ниже уровня морского дна рассматривается перспективным для их промышленной разработки.
Установлено, что гидраты метана, как правило, содержат больше углерода, чем традиционные источники углеводородов. Исследования показали, что гидраты метана, находящиеся в первых 600 метрах отложений морского дна, охватывающих геологический период около 10 млн. лет, могут содержать в два раза больше углерода, чем традиционные источники на глубине 6000 м, соответствующей геологическому возрасту более 500 млн. лет.
О возможных масштабах залежей гидратов метана могут свидетельствовать результаты их изучения в месторождении Black Ridge (США). Так, запасы гидратов метана (углерода в его составе), накопившиеся в этом месторождении за 6 млн. лет со скоростью 5 килотонн в год, могут составить около 30 гигатонн (или 23 гигатонны углерода), что больше половины всех разведанных запасов океанических гидратов метана.
Устойчивость состояния океанических гидратов метана зависит не только от величины давления (глубины залегания) и окружающей температуры, но также от уровня концентрации или растворимости метана в морских отложениях.
Сегодня существуют два полярных подхода к этой проблеме. Согласно первому, с увеличением давления растворимость метана в отложениях морского дна (морской воде) возрастает. Специалисты по глубоководным трубопроводам из государственного университета штата Луизиана (США) считают, что степень растворимости метана с увеличением глубины может возрасти примерно в 150 раз, например, от концентрации 0,121 л/л метана (или 0,12 литра газа на литр морской воды) на мелководном шельфе до значений 4,275—17,811 л/л при высоких значениях давления и температуры. По некоторым оценкам концентрация метана в морских отложениях на глубине 5000 м может составить до 8,905л/л. Сторонники этого подхода аргументируют отсутствие значительных месторождений природного газа на больших глубинах именно повышенной растворимостью метана.
Оппоненты вышеуказанной точки зрения считают, что процесс образования гидратов метана сопровождается уменьшением уровня его растворимости в отложениях морского дна, при этом обращаются к примеру, что если при давлении 69,08 уровень растворимости метана составляет 0,013 л/л, то процесс превращения его в гидрат происходит при значении растворимости — 0,003 л/л.
Таким образом, современные оценки степени растворимости метана в морской воде в зависимости от давления и температуры носят полярный характер, а в численном выражении отличаются друг от друга более чем на порядок.
Процесс обнаружения месторождений океанических гидратов и определения их границ предполагает проведение комплексных исследований, в т.ч. геофизических, геохимических и других, а также картографирование морского дна с целью выявления внешних признаков залежей гидратов (трещины, выбоины и т.д.).
Одним из основных и наиболее эффективных методов обнаружения залежей гидратов метана сегодня является акустическое зондирование отложений морского дна с целью выявления образуемого ими сейсмочувствительного пласта (BSR-bottom simulating reflector), который характеризуется повышенными компрессионными скоростями газа. С другой стороны, по некоторым оценкам, концентрация гидрата метана и сопутствующего ему «свободного газа» в единице объема пористой структуры неконсолидированного отложения морского дна составляет около 1%, т.е. в единице объема содержится 1% метана и 99% морской воды, что не позволяет точно определить насыщенность метаном отложений морского дна сейсмоакустическими методами.
Впервые крупномасштабные исследования гидратов метана были проведены в США в рамках программы глубоководного бурения морского дна DSDP (Deep Sea Drilling Program) в период 1963—1985 годов и программы бурения на морском шелфе ODP (Oceanic Drilling Program), начатой в 1985 году. В реализации программы участвовали суда с буровыми установками «Гломар Челленджер» и «Резолюшн». В ходе выполнения программы было обследовано около 360 млн. км2 океанских площадей, большое количество возможных мест залегания гидратометана, пробурено скважины общей протяженностью 250 км, в том числе до глубины 7000 м, из которых 60% были обстоятельно исследованы.
В 1982—1991 годах эти исследования были активно поддержаны министерством энергетики США, что позволило подтвердить наличие месторождений гидратов метана на Аляске, подробно исследовать 15 оффшорных бассейнов, а также вплотную подойти к разработке технологических моделей и оборудования для обеспечения декомпрессионного и детермического методов их извлечения. В ходе исследований были обнаружены месторождения океанических гидратов метана в виде пластов толщиной от 5 до 105 см, что позволило подтвердить предшествующие сведения об их залежах в форме рассеянных твердых включений или тонких пластов.
Настойчивость правительства Японии в конце 1990-х годов в освоении своих месторождений гидратов метана и достигнутые при этом успехи послужили мотивом для правительства США активизировать свои исследования в этой области. Так, 17 ноября 1997 года сенат США своим законопроектом №S1418 утвердил и профинансировал в полном объеме очередную программу по разведке гидратов метана.
В условиях дефицита энергоносителей, правительство Японии вынуждено официально рассматривать свои запасы океанических гидратов метана стратегическими ресурсами страны. Сегодня в Японии производство нефти покрывает только 0,25% (313,36 млн.м3), а природного газа — 3% (0,06 трил.м3) их годового потребления. С 1995 года правительство Японии организовало проведение крупномасштабных исследований в рамках реализации госпрограммы разведки гидратов метана на морском шельфе в месторождении Nankai Trough. Цель программы — обнаружение залежей гидратов метана для промышленного производства, разработка технологий их извлечения и точное определение рентабельности производства природного газа из гидратов метана и сопутствующего «свободного газа». В 1996 году весь комплекс геофизических исследований, включая сейсмические, в месторождении Nankai Trough был завершен. Реализацию проекта возглавила японская национальная нефтяная корпорация JNOC (Japan National Oil Corporation).
Для приобретения практического опыта по проблеме в феврале—марте 1998 года компания JNOC в составе консорциума с японской нефтеразведочной компанией JAPEX (Japan Petroleum Exploration Co. Ltd) и канадской геологической компанией GSC (Geological Survey of Canada) при участии американской геологической компании USAS (US Aerologial Survey) завершила бурение разведочной скважины Mallic 2L—38 на глубине ниже уровня вечной мерзлоты в дельте реки Макензи, на северо-западе Канады. Работы проводились с целью реализации всесторонней научно-исследовательской программы, предусматривающей изучение технологических, географических и других условий накопления арктических газогидратов.
В скважине в пределах эшелона глубины 819—1111 метров от поверхности земли был обнаружен пласт гидратов метана толщиной 110 метров, при этом их концентрация на единицу объема среды составила от 70% до 100%. Таким образом, в скважина Mallic 2L—38 впервые были обнаружены гидраты метана и сопутствующий им «свободный газ» на глубине ниже уровня вечной мерзлоты. В ближайшей перспективе правительство Канады планирует начать промышленную разработку этого месторождения.
По оценке специалистов, запасы в составе его гидратов и сопутствующего им «свободного газа» в месторождении Nankai Trought (общая площадь 35000 км2), составляют 1,6*10 м3 метана и 1,6*10 м3 сопутствующего газа, соответственно. В 1999 году компания JNOC пробурила первую разведочную скважину до глубины 950 м, при этом зона залежей гидратов метана была обнаружена по проявлению BSR на глубине 250—300 м от поверхности морского дна. Скважина расположена на расстоянии около 50 км от промышленного пояса Японии на ее Тихоокеанском побережье.
До начала разведочных работ свойства гидратов метана были обстоятельно изучены в технологическом исследовательском центре компании JNOC, а также (в японских университетах и научно-исследовательских институтах. По оценке японских специалистов, объемы метана, заключенного в его гидрантах и сопутствующем им «свободном газе», на морском шельфе страны превышают примерно в 130 раз объемы ежегодно потребляемого в Японии природного газа.
Получены данные по зависимости термодинамических свойств залежей гидратов метана и процесса их разложения от уровня содержания поваренной соли и глицерина в отложениях морского дна. Исследованы возможные методы выполнения буровых работ, исключающие разрушение гидратной зоны. Изучены и предложены к реализации альтернативные технологии извлечения континентальных и океанических гидратов метана, в т.ч. молекулярный метод, предусматривающий инъекцию в гидратную зону двуокиси углерода и метод бурения охлажденной жидкостью, что позволяет поддерживать в гидратной зоне исходную низкую температуру (метод был успешно применен на скважине Mallix 2L—38 в Канаде).
Между тем, высказываются и абсолютно полярные японским соображения по возможным технологическим решениям извлечения метана из его гидратов, например, путем инжектирования в гидратную зону горячих сольвентов или электромагнитного нагревания гидратов в условиях вечной мерзлоты.
Представители российского ОАО «Газпром» считают целесообразным извлечение океанических гидратов метана в их естественном состоянии.
Активная деятельность японской компании JNOC по изучению гидратов метана и их разведке привлекла повышенный интерес со стороны компании Shall International Exploration and Production, предложившей свою помощь правительству Японии в оценке запасов гидратов метана, проектировании буровых скважин, организации производства и по другим проблемным вопросам в этой области. Из представителей исследовательского и технологического центров компании была создана комплексная группа Shall Gas Hydrate Team для оказания помощи японской компании JNOC.
По мнению специалистов, существуют и другие нетрадиционные источники природного газа, причем более известные и доступные, чем гидраты метана. Так, по оценке американских экспертов, на побережье Мексиканского залива в пустотах земных отложений в условиях высокого давления содержится около 1 415,85 трлн. кубометров природного газа. По оценке российских экспертов, в Каспийском море в растворенном состоянии находится около 991,09 трлн. кубометров природного газа. Такие же объемы природного газа могут находиться в водоемах Западной Сибири. Однако уровень сегодняшних технологий не позволяет решить эти проблемы.
К нашему счастью, и на дне Черного моря содержатся богатейшие залежи метанового газа.
Обратимся к официальным сведениям поисково-разведочных и геологических научно-производственных организаций Украины. В некоторых районах Черного моря на глубинах 300—1000 м обнаружены газогидратные залежи метана мощностью 400—800 м под дном моря. В центральной глубоководной части Черного моря (напротив Крыма) запасы метана в газогидратах оцениваются в 20—25 трлн. кубометров, а во всем Черном море, по оценкам геологов Украины и России, — в 60—75 трлн. кубометров. Ежегодную потребность Украины в газе до 85 млрд. кубометров Черное море может обеспечить на несколько десятилетий.
В 1968 году эти районы «нового Кувейта», по предложению тогдашнего правительства Украины, уже рассматривались правительством бывшего СССР как перспективные к разработке и газодобыче. Однако в то время приоритет был отдан богатой нефтью и газом Западной Сибири. Теперь уже суверенная Украина вынуждена покупать у России и Туркменистана газ за огромные деньги.
Стало быть, текущее состояние дел с обременительными условиями поставок газа из России и Туркменистана ставит перед специалистами первоочередную задачу: извлечь из царства Нептуна метановый газ и обеспечить Украину на несколько десятилетий голубым топливом и сырьем для химической промышленности.
Что сейчас делается в этом направлении специалистами различных научных и производственных организаций Украины? Пока, по существу, ведется «разведка боем», создаются заделы, изучаются условия образования твердого метана на дне моря. Еще 22 ноября 1993 года правительством Украины было принято постановление о выполнении программы «Газогидраты Черного моря». В ней предусмотрен большой объем геологических разведочных работ и работ по созданию технологии и конструкции газодобывающего комплекса для газогидратов Черного моря. Однако бюджетных средств для этого не нашлось.
Но дело оставлять на мертвой точке было нельзя. По инициативе президента Международного научно-технического университета (МНТУ), с привлечением средств тогдашнего «Укргазпрома» и ведущих ученых НАНУ с 1993 года проводятся лабораторные работы и стендовые исследования на молекулярном уровне с имитацией реальных условий образования и отложения гидратов на дне моря (с отбором проб воды, песка и ила со дна Черного моря). Это расширило представление об условиях образования газогидратных залежей на дне моря. После этого требовалось отобрать хотя бы кусочек реального естественного газогидрата со дна Черного моря, чтобы сопоставить его с искусственно полученным «собратом» в лабораторных условиях. Но на это средств уже не хватило.
Хотя эта тема заслуживает полномасштабного и всестороннего изучения.
Какие стоят первоочередные задачи для быстрейшего освоения газогидратных залежей в бассейне Черного моря?
Во-первых, надо уточнить в реальных цифрах запасы метанового газа.
Во-вторых, если действительно найдены газогидратные залежи в Черном море, надо повторить и обновить их поиски для установления размеров газоносной площади, и, естественно, оконтурить их бурением разведочных скважин.
В-третьих, необходимо на базе одного из предприятий НАК «Нафтогаз Украины» создать специализированное управление по поиску и добыче метана из газогидратных залежей.
В-четвертых, научно-исследовательские институты НАН Украины, отраслевые и вузовские НИИ и научные центры должны быть подключены к изучению этой важной проблемы, организовав серьезные исследования в лабораторно-стендовых и реальных (морских) условиях для изучения природы образования гидратов метанового газа и возможности добычи их с применением экологически чистых технологий без нарушения биосферы моря.
Рано или поздно, Украина все равно обратится к этой проблеме с должным вниманием. Однако к тому времени должен быть создан подобающий фундамент, закладывать который нужно уже сегодня.