Газы, способные к образованию газогидратной формы в литосфере Земли

Содержание.

Аннотация……………………………………………………………………………4

Введение ………………………………………………..5

История изучения гидратов газов…………………………………………………6

Газы, способные к образованию газогидратной формы в литосфере Земли… ……………………………………………….9

Условия образования гидратов газов…... ………………………………………..10

Новые методы наблюдения за образованием гидратов…………………………11

География распространения газов-гидратов……………………………………12

Районы современной разведки на гидраты…........................................................14

Проблема промышленного освоения газогидратной формы скопления углеводородов ………………………………………………15

10.Методы добычи метана из гидратов……………………………………………17

11 .Другие возможности использования гидратов газов…………………………18

12.Заключение ………………………………………………20

13.Терминологический словарь

14.Список используемой литературы

Аннотация

В своей работе я раскрываю понятие о газогидратах, даю их краткую характеристику, привожу факторы о росте активности исследований, а так же рассматриваю характеристику распространения газогидратов на суше и на дне морей и океанов, и особенностей их транспортировки и хранения.

В своей работе я постарался обобщить научные труды таких выдающихся ученых, как: Х.Дэви, Фарадей, Розебум, Гаммершмидт, Дж. Пристли, Б.Пелетье, и В.Карстен.

Введение.

Углеводороды представляют собой особые соединения широко распространенных элементов — водорода и углерода. Эти природные соединения добывают и используют уже тысячи лет: при строительстве дорог и зданий в качестве связую­щего материала, при строительстве и изготовлении водонепроницаемых корабельных корпусов и корзин, в живописи, для создания мозаичных полотен, для приготовления пищи и освещения. Сначала их добывали из редких выходов на поверхность, а затем из скважин. За последние два столетия добыча нефти и газа достигла беспрецедентных масштабов. Сейчас нефть и газ являются источниками энергии для почти всех видов человеческой деятельности.

Гидраты природных газов являются особым сочетанием двух широко распространенных веществ, воды и природного газа. Если эти вещества вступают в контакт при высоком давлении и низкой температуре, то происходит формирование твердой массы, похожей на лед. Огромные объемы отложений в придонных слоях океанического дна и в полярных регионах они находятся в термобарических условиях, допускающих образование гидратов.

Синонимами термина гидраты являются газовые гидраты, метановые гидраты или клатраты( от греческого « каркас»). Основным структурным элементом гидратов является кристаллическая ячейка из молекул воды, внутри которой размещена молекула газа. Ячейки образуют плотную кристаллическую решетку. Структура гидратов подобна структуре льда, но отличается от последней тем, что молекулы газа расположены внутри кристаллических ячеек, а не между ними. Внешне гидраты похожи на лед, хотя увидеть их можно не часто. Однако они ведут себя совсем не так, как лед. Если поднести к ним спичку, они загораются.

Когда-нибудь, возможно уже в 21 веке, традиционные запасы углеводородов не смогут обеспечивать энергией растущую экономику и население. Тогда их место смогут занять так называемые нетрадиционные запасы углеводородов в виде газовых гидратов.

История изучения гидратов газов.

Первая публикация, связанная с гидратами газов, относится к 1811 г., когда английский химик X. Дэви, пропуская хлор через, воду при атмосферном давлении и температурах, близких к 0° С получил в стеклянной колбе желтоватый осадок — гидрат хлора. Нестабильность полученного соединения и уровень инструментальных исследований тех лет не позволили ему детально изучить его свойства.

В 1823 г. Фарадеем были выполнены первые анализы состава гидрата хлора, а в 1884 г. Розебум предложил формулу состава гидрата хлора 8Н20-С12. В период между двадцатыми и восьмидесятыми годами прошлого века исследований гидратов газов почти не проводилось. Газогидратные соединения были забыты на долгие десятилетия, и лишь в восьмидесятых годах прошлого столетия начинается второй этап изучения гидратов газов .В течение пяти десятилетий были получены гидраты большинства индивидуальных газов и некоторых смесей. За этот период исследовались зависимости образования гидратов от давления и температуры, был определен приближенно состав гидратов, построены фазовые диаграммы. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с учетом достижений термодинамики того времени. Однако все исследования гидратов газов, выполненные в течение 120 лет — вплоть до начала тридцатых годов XX в., носили чисто академический характер. Гидраты газов не использовались в промышленности, они не мешали технологическим процессам того времени и не находили практического применения. В тридцатых годах бурно развивающаяся газодобывающая промышленность поставила перед исследователями задачу серьезного изучения гидратов газов, в первую очередь с целью разработки методов предупреждения их

образования и скопления в трубопроводах и аппаратах при добыче и транспорте газа.

В этот период была опубликована работа Гаммершмидта, в которой было показано, что осложнения в газопроводах в холодное время года связаны не с замерзанием воды, как это предполагалось, а с образованием гидратов транспортируемых газов.

Начался третий этап исследований гидратов газов. Период прикладного изучения гидратов газов длился более 20 лет. За этот период были разработаны практически все известные методы борьбы с гидратами. В последние десятилетия ведутся исследования некоторых свойств гидратов газов с привлечением современных инструментальных методов, развиваются серьезные теоретические исследования, в результате которых не только совершенствуются методы борьбы с гидратами, но и разрабатываются методы их практического использования в различных технологических процессах.

Особое место в изучении гидратов занимают исследования, связанные с открытием газогидратных залежей в осадочном чехле земной коры, сделанного группой ученых: В. Г. Васильевым, Ю. Ф. Макогоном, Ф. А. Требиным, А. А. Трофимуком и Н. В. Черским .

В изучение проблемы гидратов газов значительный вклад внесли советские ученые, в числе которых можно назвать Б. А. Никитина, И. Н. Стрижева, И. Б. Ходановича, М. X. Шахназарова, Г. А. Саркисьянца, П. А. Теснера, Ф. А. Требина, Ю. П. Коротаева, Н. В. Черского, Ф. К. Андрющенко, В. А. Хорошилова, С. Ш. Быка, В. И. Фомину, В. П. Царева, В. П. Васильченко, В. И. Шагайденко, А. М. Кулиева, Р. М. Мусаева, А. Джавадова, А. Алиева и др.

Термобарические условия существования газов-гидратов.

Рис. 3.1 Условия образования гидратов индивидуальными

компонентами компонентами природных газов (Бык, Фомина, 1970)

На рисунке 3.1 видно, что наибольшую критическую температуру имеет сероводород, который может образовывать гидраты при температуре 29,5°С и давлении 21 атм. С увеличением содержания в газе, так называемых, не гидратообразующих компонентов (N2, H2 Не2) давление образования гидратов повышается и при наличии их в смеси более 50% образование гидратов данной смеси становится невозможным.

Газы, способные к образованию гидратной формы в литосфере Земли.

Еще в 1811 году английский химик Х.Дэви, пропуская хлор через воду при атмосферном давлении и температурах, близких к 273К, получил в стеклянной колбе желтоватый осадок - гидрат хлора. Как оказалось это далеко не единственный газ, способный образовывать соединения с водой. Все низшие гомологи метана, углекислый газ, азот, сероводород и др. образуют гидраты, которые образуются при определенных термобарических условиях.

Благоприятные условия для образования гидратов природных газов существуют как на суше(преимущественно в областях распространения многолетнемерзлых пород), так и практически на всей площади Мирового океана, что обусловлено благоприятным для их образования сочетанием температур и давлений.

В большинстве случаев, природные газогидраты представлены гидратами метана и диоксида углерода.

Новые методы наблюдения за образованием гидратов газов.

Газовые гидраты можно получить в лаборатории из газа и воды, но это сложный процесс. Гидраты образуются очень медленно, даже если температура и давление в аппарате вполне соответствуют термодинамическим условиям устойчивости гидратов. Процесс оказывается в значительной мере саморегулируемым: по мере увеличения давления и снижения температуры на поверхности контакта газа и воды и образуется твердый слой гидратов,если он не подвергается внешнему воздействию, эффективно препятствует дальнейшему гидратообразованию. Этот гидратный барьер можно разрушить активным перемешиванием, и потому многие исследователи размещают в аппаратах дробилки для ускорения кристаллизации. И даже при таком подходе требуется несколько дней для заполнения небольшого аппарата.

Вначале 1996 г. группа исследователей под руководством Питера Брюера из исследовательского института в заливе Монтерей (MBARH), Калифорния, предложила новый способ изучения гидратообразования. Эти ученые установили, что у морского дна существуют не только давление и температура, необходимые для гидратообразования, но и дополнительные условия, при которых возможен непрерывный процесс образования природных гидратов.

В ходе эксперимента на морское дно доставляли с помощью подводного аппарата с дистанционным управлением (ПАДУ) прозрачные пластиковые трубки, заполненные морской водой или смесью осадков и морской воды. На соответству­ющей глубине в отверстия в днище каждой трубки подавали метан из емкости. Исследователи опасались, что за 3- 4 часа, имеющиеся в их распоряжении, реакция может не произойти. Однако, к их удивлению, уже через несколько минут образовалась полупрозрачная гидратная масса.

ПАДУ, которые использовали в этих исследованиях, были оснащены термометрами, манометрами, датчиками проводимости и навигационными приборами. Однако основным инструментом исследования была видеокамера, установленная на ПАДУ.Для наблюдения за образованием гидратов. В результате были получены великолепные графические материалы, но никакой количественной информации. Планируются дальнейшие эксперименты для изучения пространственной структуры и распределения гидратов в осадках.

География распространения газов - гидратов.

Большая часть гидратов сосредоточена, по-видимому, на материковых окраинах, где глубина вод составляет примерно 500 м. В этих зонах вода выносит органический материал и содержит питательные вещества для бактерий, в результате жизнедеятельности которых выделяется метан (рис. 1). Обычная глубина залегания СПГГ — 100—500 м ниже морского дна, хотя иногда их обнаруживали и на морском дне. В районах с развитой многолетней мерзлотой они могут присутствовать и на меньших глубинах, так как температура на поверхности ниже. Крупные СПГГ были обнаружены на шельфе Японии, в районе Блейк Ридж к востоку от морской границы США, на материковой окраине района Каскадных гор около Ванкувера [Британская Колумбия, Канада] и на шельфе Новой Зеландии. Свидетельств об СПГГ, полученных путем прямого отбора образцов, во всем мире немного. Большая часть данных о нахождении гидратов получена косвенны­ми путями: посредством сейсмических исследований, ГИС, по результатам измерений во время бурения, по изменению минерализации поровой воды.

Пока известен только один пример добычи газа из СПГГ — на Мессояхском газовом месторождении в Сибири. Это месторождение, открытое в 1968 г., стало первым месторождением в северной части Западно-Сибирского бассейна, из которого был получен газ. К середине 80-х годов в бассейне было открыто более 60 других месторождений. Суммарные запасы этих месторождений составляли 22 трлн. М3 или одну треть мировых запасав газа. Согласно оценке, сделанной до начала добычи, запасы Мессояхского месторождения были равны 79 млн. м3 газа, из которых одна треть содержалась в гидратах, перекрывающих зону свободного газа .

Если не считать Мессояхского месторождения, наиболее изученными являются СПГГ в районе Прудо Бей — Кипарук Ривер на Аляске. В 1972 г. на разведочной скважине ARC0 и Exxon 2 Норт-Уэст Эйлин на Северном склоне Аляски были подняты гидратосодержащие образцы в герметизированных керноотборниках.По градиентам давления и температуры в регионе можно рассчитать толщину зоны устойчивого состояния или стабильности гидратов в районе Прудо Бей — Кипарук Ривер. Согласно оценкам, гидраты должны быть сосредоточены в интервале 210— 950 м.

Районы современной разведки на гидраты.

Специалисты Геологической службы Канады (GCSJ, Японской национальной нефтяной корпорации (JN0CI, Японской нефтяной разведочной компании (JAPEX1, Геологической службы США, Министерства энергетики США и нескольких компаний, в том числе Шлюмберже, провели исследование газогидратной залежи (ГТЗ) в дельте р. Маккензи (Северо-Западные территории, Канада) в рамках совместного проекта. В 1998 г. рядом со скважиной кампании Imperial Oil Ltd., вскрывшей скопление гидратов, была пробурена новая исследовательская скважина Маллик 2L-38. Цель этой работы заключалась в том, чтобы оценить свойства гидратов в естественном залегании и оценить возможность определения этих свойств с помощью скважинных приборов, спускаемых на кабеле.

Опыт, приобретенный в ходе исследований на скв. Маллик, оказался очень полезным для изучения свойств природных гидратов. JAPEX и связанные с ней группы решили начать новый проект бурения на гидраты во впадине Нанкай на шельфе Японии. Около десятка площадей были оценены как перспективные на гидраты по признаку наличия BSR( подобно- донные отражающие границы).

Проблема промышленного освоения газогидратной формы скопления углеводородов.

Устойчивость морского дна. Разложение гидратов может привести к нарушению устойчивости придонных отложений на континентальных склонах. Подошва ЗГТ может быть местом резкого снижения прочности толщи осадочных пород. Присутствие гидратов может препятствовать нормальному уплотнению и консолидации отложений. Поэтому свободный газ, удерживаемый ниже ЗГТ, может оказаться под повышенным давлением. Таким образом, любая из технологий разработки месторождений гидратов может оказаться успешной только в том случае, если будет исключено дополнительное снижение устойчивости пород. Пример осложнений, возникающих при разложении гидратов, можно найти у Атлантического побережья США. Здесь уклон морского дна составляет 5°, и при таком уклоне дно должна быть устойчиво. Однако наблюдается много подводных оползневых уступов. Глубина этих уступов близка к предельной глубине зоны стабильности гидратов. В районах, где происходили оползни, BSR менее отчетливы. Это может служить признаком того, что в настоящее время гидратов уже нет, так как они переместились. Существует гипотеза, согласно которой при снижении давления в СПТТ, как это должно было произойти при снижении уровня моря в ледниковый период, могло начаться разложение гидратов на глубине и, как следствие, сползание отложений, насыщенных гидратами

Такие районы были обнаружены у побережья Сев. Каролины, США. В зоне огромного подводного оползня шириной 66 км сейсмическими исследованиями было установлено наличие массивного СПТТ по обе стороны от оползневого уступа. Однако под самим уступом гидратов нет.

Подводные оползни, обусловленные наличием гидратов, могут повлиять на устойчивость морских платформ и трубопроводов. Нефтегазовые компании,

Многие специалисты считают, что часто упоминаемые оценки количества метана в гидратах преувеличены. И даже если эти оценки верны, гидраты могут быть рассеяны в осадочных породах, а не сконцентрированы в виде крупных скоплений. В таком случае добывать их может быть сложно, экономически не выгодно и опасно для окружающей среды.

Методы добычи метана из гидратов.

Газовые гидраты относят к группе нетрадиционных источников углеводородов, в которую входят метан из угольных пластов, углеводороды, содержащиеся в битуминозных песчаниках, и черные сланцы. Некоторые из этих источников (к числу которых не относятся гидраты) уже используются в промышленном масштабе. В большинстве случаев переход неиспользуемого нетрадиционного источника в разряд используемых зависит от размера инвестиций и уровня развития технологии.

Разработка технологий добычи метана из гидратов до последнего времени оставалась прерогативой газовой промышленности и происходила медленно. Сейчас рассматриваются три метода: это - снижение давления, нагрев и закачка ингибиторов гидратообразования. Первый метод предусматривает снижение давления до уровня, достаточного для разложения гидратов. Этот метод можно применить только там, где можно отбирать свободный газ из зоны, прилегающей к 3ГГ. При этом снижается пластовое давление в ЗГГ, как это происходило на Мессояхском месторождении.

Если под ЗГГ нет свободного газа, то подходящим решением может быть нагрев до температуры, при которой происходит разложение гидратов. Примерам реализации этого способа может быть закачка относительна теплой морской воды в газогидратный пласт на шельфе.

Закачка ингибиторов, таких как метанол, приводит к изменению значения равновесных параметров гидратов (повышение давления диссоциации, снижение температуры диссоциации). В результате гидраты разлагаются и выделяется метан.

Наиболее приемлемым методом с практической точки зрения является закачка теплой воды. Однако газовые гидраты могут считаться потенциальным источником

углеводородов только в том случае, когда можно доказать, что полученная в результате энергия превосходит энергию, необходимую для выделения метана.

Другие возможности использования гидратов газов.

Независимо от того, станут ли природные гидраты еще одним мировым источником топлива, накопленные знания о гидратах открывают другие возможности их использования. Исследователи Норвежского научно-технологического университета (NTNU1 в Тронхайме изучают возможность хранения и транспортирования природного газа в виде гидратов при атмосферном давлении. Проведенные в университете эксперименты показали, что образовавшиеся гидраты не разлагаются при атмосферном давлении, если они находятся при температуре -15градусов С или ниже. Этот факт позволяет наметить следующие технологии:

• Попутный газ с нефтяных месторождений можно перевести в гидратное состояние
и транспортировать танкерами. Можно также смешивать измельченные гидраты с
охлажденной нефтью и транспортировать в виде пульпы танкерами или по
трубопроводам.

■Если нельзя использовать трубопроводы то можно транспортировать замороженные гидраты на большие расстояния таким же образом, как сжиженный природный газ (СПГГ)

• Если требуется хранить газ, его можно перевести в гидратное состояние и хранить
охлажденным при атмосферном давлении.

•Азот, углекислый газ и сероводород могут быть отделены от метана путем перевода его в гидратное состояние.

• Процесс гидратообразования можно использовать для опреснения воды и
выделения из нее биологических материалов.

•Углекислый газ может быть извлечен из атмосферного воздуха и переведен в гидратное состояние для хранения и последующего захоронения в глубоководных зонах.

Чем больше стран будут отказываться от сжигания газа в факелах и чем больше добывающих компаний захотят найти альтернативу строительству трубопроводов, тем скорее будет развиваться технология перевода газа в гидратное состояние для транспортирования или захоронения.

Заключение.

К природным газогидратам нефтяные компании пока интереса не проявляют. В то же время на рынке технологий в скором времени появится новый продукт, основанный на свойстве природного газа в определенных условиях образовывать твердые соединения (кстати, до сих пор это свойство приносило одни хлопоты и расходы, так как благодаря ему в газопроводах в зимнее время нередко возникают газогидратные пробки). К разработке этого продукта причастны сразу несколько крупных компаний, включая Shell, Total, Arco, Phillips и другие. Речь идет о преобразовании природного газа в газогидраты, что обеспечивает его транспортировку без использования трубопровода и хранение в наземных хранилищах при нормальном давлении. Разработка этой технологии явилась побочным продуктом десятилетних исследований природных газогидратов в норвежских научных лабораториях. В последние два года эти исследования приняли форму коммерческого проекта, поддерживаемого совместно Научно-исследовательским Советом Норвегии и транснациональными нефтяными компаниями.

Рассмотрение газовых гидратов в качестве источника энергии, безусловно, очень важное достижение для энергетической отрасли. С ежегодным ростом потребления углеводородного сырья будет повышаться и интерес к нетрадиционным источникам топлива. И нас ждет огромное количество открытий, связанных с газовыми гидратами

Терминологический словарь.

Термины:

Гидраты-представляют собой твердые кристаллические вещества

образующиеся при взаимодействии газов и летучих жидкостей с водой.

Природные газовые гидраты-представляют собой метастабильный минерал, образование и разложение которого зависит от температуры, давления, химического состава газа и воды, свойств пористой среды.

Гидраты газов- кристаллические соединения-включения(клатраты), характеризующиеся структурой для различных газов.

Нефть, газ и природнные продукты­-представляют собой сложную систему растворенных друг в друге органических компонентов, включающих сотни индивидуальных соединений.

Неосвоенные запасы-извлекаемые запасы залежей, на которых еще не проводилось бурение эксплуатационных скважин.

Источники:

Большой геологический словарь

Высоцкий И.В Геология природного газа. - М.: Недра, 1977

Макогон Ю.Ф Гидраты природных газов. - М.: Недра, 1977

Макогон Ю.Ф. «Гидраты природных газов», Недра, 1974

Баженова О.К., Бурлин Ю.К. «Геология и геохимия нефти и газа», МГУ 2004

Черников К.А. и др. Словарь по геологии нефти и газа, Недра, 1988

Collet TS and Kuushraa VA: «Hydrates Сontain Vast Store of World Gas Resources», Oil Gas Journal 96, № 19 (May 11, 1998): 90-95.

Трофимчук А.А., Черский Н.В., Царев В.П. Гидраты – новый источник углеводородов// Природа – 1979. №1.

Была использована информация с сайта: geo.web.ru