В одному з попередніх номерів DT.UA (№19 від 1 червня 2013 р.) була опублікована стаття "Сланцевий газ у наших умовах - трішки газу і багато лиха". З використанням нових теоретичних положень автор статті вперше обґрунтував, скажімо так, сумнівність проектів з видобутку так званого сланцевого газу. Стаття викликала неоднозначну реакцію читачів, тому редакція DT.UA надала авторові можливість продовжити цю тему для пояснення особливо суперечливих моментів.
Чому я кажу про приреченість проектів зі сланцевого газу? Тому що:
- метан міститься в сланцях у рідкому стані і запечатаний, законсервований потоком рідини, спрямованим у вузьку частину тріщин, де тиск надзвичайно високий;
- гідророзрив може зруйнувати незначну частку тріщин у міцному сланці і тому вивільняє лише малу частку зв'язаного газу.
Саме ці положення викликали критику певної частини читачів DT.UA. Окрема подяка суворим читачам, які нехай і в грубій формі, але зазначили авторові моменти в попередній статті, що складні для сприйняття. На сторінках наукової періодики за багато років публікації безлічі статей на подібну тему так і не виникло дискусії. Імовірно, через те, що відкрита демонстрація недорозуміння і тим більше нерозуміння або неправильного трактування може бути пов'язана з втратою обличчя вченого опонента. Інша справа Інтернет: анонімність надає сміливості висловлюванням і допомагає опонентові зберегти обличчя.
Одна розумна людина з учених зазначила, що відкриття в науці відбуваються тоді, коли людина подивиться на якесь явище, котре бачили всі, але подумає не так, як усі. Це можна назвати і креативністю мислення.
Перетворення енергії -
і ніякого шахрайства
Візьмімо випадок підйому води в скляному капілярі. У підручниках причину підйому води пояснюють дією сил поверхневого натягу, сил змочування тощо. Ф.Енгельс, великий плутаник у соціальній сфері, у фізиці виявив завидну мудрість, яку сучасні фізики чомусь замовчують. Він закликав не шукати прояву сил, яких можна видумати безліч, а шукати перетворення одного виду енергії в інший.
Крім того, Ф.Енгельс не визнавав поширення дії другого закону термодинаміки (ДЗТ) на весь наш світ.
Щодо розглянутого випадку підйому води в скляному капілярі лише талановитий популяризатор науки В.Ланге зміг сформулювати питання коректно, за Енгельсом: енергія якого виду здійснила роботу з підйому води і перетворилася на капілярний тиск? Більш того, він, на відміну від багатьох докторів фізичних наук, знайшов правильну відповідь: внутрішня енергія води (тобто теплота) перетворюється на механічну енергію.
Отут редактори і цензори видавництва "Просвещение", яке опублікувало для молоді "Занимательную физику", мали б уловити "запах сірки", тому що було запропоноване пояснення, яке суперечить ДЗТ!
Однак нас цікавить ще один аспект капілярного явища - це довільний рух води в капіляр, де тиск значно вищий. Один суворий опонент серед читачів DT.UA, за його зізнанням, перерив увесь Google і не знайшов жодного випадку, щоб рідина рухалася добровільно в область із більшим тиском. Але ж не міг не бачити хоча б у дитинстві підйому води в капілярі! Воістину, хто має очі, хай побачить.
Який вид енергії перетворюється
на осмотичний тиск?
Розглянемо ще одне загальновідоме явище, при якому відбувається рух води від меншого потенціалу тиску у бік більшого. Йтиметься про осмос, за пояснення суті якого Вант-Гоффу було вручено Нобелівську премію. Відомо, що осмос - це довільний рух води через напівпроникну мембрану в посудину з водним розчином, супроводжуваний зростанням тиску в цій посудині.
Поставимо собі запитання у дусі Ф.Енгельса: який вид енергії перетворюється на осмотичний тиск?
Хороший фізик, який чесно одержав в університеті "відмінно" за курс термодинаміки, без сторонньої допомоги, мабуть, відповісти на це запитання не зможе. Точніше, не наважиться. Знаменитий фізик А.Еддінгтон колись строго всіх попередив: "Якщо виявиться, що ваша теорія суперечить ДЗТ, то на вас і вашу теорію чекає безславний кінець". Тому "правовірний" фізик і в думках не наважиться зазіхнути на священну корову сучасної науки (ДЗТ) і жене від себе "крамольні" думки.
Тим часом правильна відповідь відома: тепловий рух молекул води в капілярах мембрани спочатку перетворюється на спрямований (ентропоосмотичний) потік і потім на осмотичний тиск. Зростання тиску посилюється дією позитивного зворотного зв'язку, з одного боку, а розведення розчину в посудині діє як негативний зворотний зв'язок. Коли зворотні зв'язки урівноважують дію один одного, процес перетоку води зупиняється.
Можна усунути дію цього зворотного зв'язку, якщо запобігти збільшенню обсягу рідини в посудині. Тоді осмотичний тиск досягне більшої величини.
Проте усе ще діятиме інший негативний зворотний зв'язок - тепловий хаотичний рух молекул в обсязі розчину, що руйнує структуру води. Його теж можна значною мірою усунути, якщо створити просторові труднощі для руху молекул, наприклад, розбити об'єм на мікрощілини (див. рис.), тобто взяти глинистий сланець і привести його в контакт із водою. Ентропоосмотичний потік води в міжшаровий простір сланцю, підсилюваний позитивним зворотним зв'язком, може викликати збільшення тиску в зразку сланцю до десятків і сотень мегапаскалів.
При цьому рух води в напрямку більшого потенціалу тиску, а також накопичення механічної енергії в тріщинах гірських порід:
- у свердловині - зумовлюють обвалення стінок;
- у гірських виробках апатитових рудників - викликають гірські удари;
- а в свердловині після проведення гідророзриву в міцних гірських породах - призводять до техногенного землетрусу.
…У сиву давнину, коли люди ще не боялися ДЗТ і не вміли користуватися Google, вони цілком свідомо користувалися в тому числі проникаючою здатністю води: якщо їм треба було розколоти кам'яну брилу, забивали в тріщину дерев'яний клин, поливали його водою - і в результаті відбувався природний гідророзрив. Без шкоди для природи.
Опонентам на замітку
На адресу автора цієї статті пролунало обвинувачення в безграмотності від опонента, котрий, озброївшись даними з надійних довідників, повідомляє, що газ метан перетворюється на рідину при температурі -82,30С. При пластовій температурі, скажімо, 500С, на думку "обвинувача", ніякий тиск не забезпечить скраплення метану.
Дослідники тим і відрізняються від просто освічених людей, що здатні бачити те, що вважається невидимим. Наприклад, планету Нептун, яку не могли побачити у ХІХ ст. у телескоп, Дж. Адамс і Левер'є відкрили, що називається, "на кінчику пера" - за її впливом на орбіту Урана.
Проте нам цікавий інший приклад, близький до теми сланцевого газу. В 50-х роках минулого століття німецький учений В.Гімм, оцінюючи результати катастрофічних викидів солі і газу в калійних рудниках, дійшов висновку: газ у калійній солі перебуває в рідкому, а можливо, і в твердому стані.
Поміркуйте самі: за десяток-другий секунд у вироблений простір рудника може потрапити у вигляді дрібного пилу 100 тис. тонн породи і кілька сотень тисяч кубометрів газу. Газ, адсорбований на поверхні тріщин у сольовому шарі, такого зробити не може.
Підкріпити гіпотезу В.Гімма можна тим, що геологи приблизно у 1981 р. виявили на глибині 470 м у шельфових відкладеннях Каспійського моря при температурі пласта 400С кристалогідрати метану. Згідно з табличними даними, цих гідратів там бути не повинно. Однак їх розглядали на долоні, і вони з шипінням руйнувалися.
Чому довести існування рідкого метану в тріщинах гірських порід складніше? Тому що виходить, як із медом у Вінні Пуха: мед якщо є, то його одразу ж немає. І рідкий метан моментально зникає, якщо зруйнувати тріщину в зразку гірської породи, щоб його виявити.
Слід враховувати, що процеси на мікро- і нанорівнях протікають по-іншому. Бріллюен ще в середині минулого століття писав, що на мікрорівні ДЗТ не можна застосовувати. Тому може відбуватися накопичення механічної енергії в порах і тріщинах гірських порід і скраплення газів. Свіжий приклад з ХХІ століття: у нанотрубках при нормальній температурі можна зберігати і потім використовувати як паливо рідкий водень. Усупереч табличним даним.
У науці склався підхід щодо нових теорій:
1. Не придумуй теорій без потреби, не примножуй сутності понад необхідне.
2. Нова теорія має право на життя, тільки якщо здатна пояснити явища, які потрапили в розряд аномальних. (Теорія ентропоосмосу з цим легко впоралася.)
3. Теорію довести не можна. Її приймають як аксіому, на віру.
4. Теорію можна лише спростувати, якщо знайти приклади, коли вона не виконується.
Отже, панове, будемо спростовувати цю теорію? Практикою видобутку газу зі сланців?