CC BY
69
УДК 504
В.Б. Сажин, В.В. Козляков, ДМ. Кочетов, М.П. Тюрин, Е.В. Матушкина, Д.Л. Раков, В.Н. Саранцев, И. Селдинас, А.Б. Половников, О.В. Козлякова, О. Селдинас, М.Б. Сажина, A.C. Белоусов, И.А. Попов, А.Н. Степашкина
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина. Москва, Россия Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, Москва, Россия Высшая школа нетрадиционной медицины, Нью-Йорк, США
Балто-Скандинавская медицинская сеть "Селдин-Центр", Юрбаркас, Литовская Республика Российский заочный институт текстильной и лёгкой промышленности Московского государственного университета технологий и управления им. В.К. Разумовского, Москва, Россия
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КОНЦЕПЦИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ
Explored alternative energy sources: tar sands, shale gas, hydrogen, biofuels (ethanol) and helium-3. By fractional analyzed characteristics of shale gas in the U.S. example, and research on gas hydrates in Russia.
Рассмотрены альтернативные источники энергии: битуминозных песков, сланцевого газа, водорода, биотоплива (этилового спирта) и гелия-3. Подробно проанализированы особенности добычи сланцевого газа на примере США, а также исследования газовых гидратов в России.
Единого мнения о происхождении нефти и газа нет: углеводороды могут быть синтезированы и из неорганических, и из органических веществ. Согласно биогенной теории, материалом для нефти и газа служит органика — остатки растений и животных, преобразованные под действием давления и температуры. Минеральная (глубинная) концепция рассматривает формирование углеводородных месторождений как одно из проявлений дегазации Земли. Эта теория опирается на то, что более 99% углерода планеты содержится не в осадочной оболочке, кроме того, в недрах достаточно энергии для синтеза и выталкивания к поверхности больших масс углеводородов.
Эксперты уверенно прогнозируют полное истощение запасов традиционного углеводородного сырья. Хотя, с точки зрения эксперта В. Кондакова, прогнозы истощения углеводородных запасов становятся все более оптимистичными.
С начала 70-х годов прошлого века Международное энергетическое агентство (ГЕА) публикует данные о соотношении разведанных и подтвержденных запасов углеводородов к нынешним темпам их потребления. Полученный коэффициент позволяет предположить, на какое время человечеству хватит нефтегазовых ресурсов. Исходя из первоначальных данных, углеводородные ресурсы планеты должны были иссякнуть примерно к 2000 году. Через несколько лет, после очередной переоценки, оказалось, что углеводороды закончатся только в 2005 году. Еще через несколько лет выяснилось, что углеводородов нам хватит до 2010 года и т. д. Сейчас считается, что газ закончится не ранее 2070 года, то есть объем доказанных углеводо-
родных запасов растет быстрее, чем темпы их прогнозируемого потребления. Во многом это происходит благодаря новым технологиям, которые делают рентабельными ресурсы, всего несколькими годами раньше считавшиеся неперспективными.
По экспертной оценке А. Лексакова, потребности мирового энергопотребления в условиях исчерпании традиционных запасов могут быть покрыты за счет использования битуминозных песков, сланцевого газа, водорода, биотоплива (этилового спирта) и гелия-3.
Рис. 1. Добыча нефти крупнейшими нефтедобывающими странами мира в июне 2010 года (млн. барр./сутки) по отношению к маю 2010 года (в скобках) (по данным OPEC, ИДУ ТЭК и Norwegiam Petroleum Directorate)
Новым источником нефти, современные темпы добычи которой делают проблему полного её исчерпания лишь вопросом времени (рис. 1), могут стать битуминозные пески, которые являются смесью сырой нефти, кварцевого песка, глинозема и воды. Первую попытку освоить эту «тяжелую нефть» предприняла в 1967 году компания Great Canadian Oil Sands: она начала разрабатывать канадское месторождение Атабаска, но из-за больших издержек проект заморозила. В 1973 году к разработкам присоединился англоканадский нефтяной консорциум Suncrude, на сегодняшний день добывающий 350 тысяч баррелей нефти в день. Второе крупнейшее месторожде-
ние битуминозной нефти расположено в бассейне реки Ориноко в Венесуэле. Их суммарные запасы оцениваются в 3,7 трлн. баррелей нефти, в то время как мировые запасы обычной нефти не превышают 1,1 трлн. баррелей.
Еще одним нетрадиционным источником энергии может стать сланцевый газ. В микротрещинах сланца природный газ содержится в гораздо меньших количествах, чем в традиционных месторождениях, и ранее его добыча считалась неэффективной. Первая скважина на сланцевом месторождении была пробурена еще в 1821 году в США, однако настоящий бум начался лишь в 2000-х, с развитием добывающих технологий. Благодаря разработке новых месторождений, США в 2009 году стали мировым лидером по добыче газа, обогнав Россию (рис. 2). Сегодня перспективные запасы сланцевого газа в мире оцениваются в 200 трлн. кубометров, а традиционных месторождений - в 170-190 трлн. кубометров (рис. 3).
Рис. 2. Добыча газа крупнейшими газодобывающими странами мира в 2009 году (млрд. куб. м) по отношению к предыдущему году (в скобках) (по данным ВР)
Эксперт В. Кондаков констатирует, что нефтегазовая отрасль считается одной из самых капиталоемких. Высокая конкуренция вынуждает активных игроков на рынке вкладывать огромные суммы в исследовательскую работу, а крупные инвестиционные компании — содержать штат аналитиков, специализирующихся на прогнозах, связанных с нефтью и газом. Тем
не менее, никто из аналитиков не сумел предсказать резкий рост добычи сланцевого газа в Америке — настоящий экономико-технологический феномен, который в 2009-м году вывел США в лидеры по объемам добываемого газа, кардинально изменил политику газоснабжения США, превратил внутренний рынок газа из дефицитного в самодостаточный и может самым серьезным образом повлиять на расстановку сил в мировой энергетике (рис.
4).
По некоторым оценкам, только в Северной Америке можно добыть 1000 триллионов кубических футов газа - достаточно, чтобы обеспечить потребности страны на 45 лет вперед.
Интересно, что феномен промышленной добычи сланцевого газа лишь с очень большой натяжкой можно назвать технологической революцией или научным прорывом: ученые знают о залежах газа в сланцах с начала XIX века, первая коммерческая скважина в сланцевых пластах была пробурена в США в 1821 году, задолго до первого в мире нефтяного бурения, а применяющиеся сегодня технологии обкатываются специалистами уже несколько десятилетий. Однако до недавнего времени промышленная разработка гигантских запасов сланцевого газа считалась экономически нецелесообразной.
| Бывший
Советский Союз
Европа
НШктериковая Азия и Китай
Запад наши Восточная Европ.Щ
Ближний Восток и Северная Африка
Страны Африки расположенные ниже Сахары
'Щщпско-Тихоокеанский регион
Центральн Восточная
Северная Америка
Латинская Америка
Рис. 3. Запасы сланцевого газа в мире (трлн. кубометров) (по данным исследования компании 8сЫптЬе^ег)
По информации учёного В. Кондакова, главное отличие и главная сложность при добыче сланцевого газа — это низкая проницаемость газосодержащих сланцевых пластов (измельченного песка, превратившегося в окаменевшую глину): углеводород практически не просачивается сквозь
плотную и очень твердую породу, поэтому дебет традиционной вертикальной скважины оказывается очень небольшим и разработка месторождения становится экономически невыгодной (рис. 5). В 70-е годы прошлого века геологоразведка выявила на территории США четыре огромные сланцевые структуры, содержащие громадные запасы газа (Barnett, Haynesville, Fayetteville и Marcellus), но промышленная добыча была признана нерентабельной, а изыскания в области создания соответствующих технологий прервались после падения цен на нефть в 80-х.
У СЛ Бакстер-Льюис-Маури (Вайоминг)
Нью-Олбани (Иллинойс)
Девонийский (Виргиния,Западная Виргиния, Кентукки)
Барнетт и
Барнетт (Техас) I
Хейнсвилл (Луизиана)
Маопелл
(Западная Вигиния,
Пенсильвания,
Нью-Йорк)
Вудфор
(Техас)
Рис. 4. Крупнейшие залежи сланцевого газа в США (трлн. кубометров), (по данным Федеральной комиссии по регулированию энергетического рынка)
Сланцевый газ — природный газ, состоящий преимущественно из метана, простейшего углеводорода с химической формулой СН4, залегающий в сланцевых пластах — горной породе с характерным слоистым расположением входящих в ее состав минералов. Сланцы, способные при пиролизе (термическом разложении без доступа воздуха) выделять большое количество смолы, близкой по составу к нефти, называются горючими сланцами. Они сформировались около 450 миллионов лет назад на океанском дне из растительных и животных останков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, кварц, пирит) и органических частей (кероген). Органическая часть, составляющая от 10 до 70% массы породы, — это био- и геохимически преобразованные простейшие во доросли, поэтому сланцы содержат значительное количество микроэлементов, которые растения накопили в результате жизнедеятельности. Характерной особенностью месторождений газа в сланцах является то, что,
в отличие от традиционных углеводородных ловушек (порода-коллектор в форме линзы, покрытая породой-изолятором), сланцевый пласт одновременно является и коллектором и изолятором, то есть газ довольно равномерно распределяется по всему пласту.
а
Рис. 5. Схема добычи разработки сланцевого газа
Как и нефть, газ обычно накапливается в пластах пористых и проницаемых геологических пород (известняков, доломитов, песчаников), прикрытых относительно непроницаемыми породами, которые предотвращают утечку углеводородов к земной поверхности.
Любопытная особенность природного газа — многообразие форм его залегания в земных недрах: газообразном, жидком и твердом состоянии. В (газообразном состоянии он может накапливаться в газовых залежах или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений. В природных условиях газ также встречается в растворенном состоянии в нефти или воде, а при пониженных температурах и специфическом давлении — в твердой форме в виде естественных газогидратов.
Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо н растворенном состоянии в нефти или воде (рис. 6).
К идее извлечения газа из сланцевых пластов в США вернулись только в 90-х годах на фоне роста потребления газа и растущих цен на энергоносители.
В 2008 году добыча природного газа в США увеличилась на 7,5%, показав самые высокие темпы роста за четверть века (рис. 7). Большую
часть этой прибавки дал именно газ, добытый из сланцевых пластов (рис. 8).
В 2010 году доля сланцевого газа в общем объеме добычи (по данным министерства энергетики) составляла уже 14-15%. В то время, как по итогам 2008 года этот показатель был равен 7%.
К 2020 году, по прогнозу Международного энергетического агентства (IEA), доля сланцевого газа в общей добыче Соединенных Штатов может достигнуть 33-35%, а к 2035 году - 45%.
По оценке информационно-консалтинговой компании IHSCERA, к 2018 году мировая добыча сланцевого газа может составить 180 млрд. кубометров в год.
Рис.6. Схема месторождения природного газа в сечении.
Вместо многочисленных малорентабельных вертикальных скважин исследователи применили так называемое горизонтальное бурение: на подходе к газоносному пласту бур отклоняется от вертикали на 90 градусов и проходит сотни метров вдоль пласта, увеличивая зону контакта с породой. Чаще всего искривление ствола скважины достигается применением гибкой бурильной колонны или специальных компоновок, обеспечивающих отклоняющую силу на долоте и асимметричное разрушение забоя.
Для повышения продуктивности скважины используется технология множественных гидроразрывов пласта: в горизонтальную скважину под
большим (до 700 атмосфер) давлением закачивается смесь воды, песка и химических реактивов, которая разрывает пласт, разрушает плотную породу и перегородки газовых карманов и объединяет запасы газа. Давление воды вызывает появление трещин, а песчинки, которые загоняет в эти трещины поток жидкости, мешают «схлопы-ванию» породы и делают сланцевый пласт проницаемым для газа.
Рис. 7. Рост добычи природного газа в США за счет сланцевого газа
По данным В. Кондакова, промышленная разработка сланцевого газа в США стала рентабельной благодаря нескольким дополнительным факторам. Первый — это наличие сверхсовременного оборудования, материалов с высочайшей износостойкостью и технологии, позволяющих очень точно позиционировать стволы и трещины гидроразрывов. Такие технологии стали доступны даже мелким и средним газодобывающим компаниям после инновационного бума, связанного с ростом цен на энергоносители и повышению спроса (и, следовательно, цен) на оборудование для нефтегазовой промышленности.
Второй фактор — малонаселенность территорий, прилегающих к месторождениям сланцевого газа: добытчики могут бурить многочисленные скважины без непрерывных согласований с властями близлежащих населенных пунктов.
Третий, самый важный фактор — открытый доступ к развитой газопроводной системе США. Этот доступ регламентируется законодательством, и даже мелкие и средние компании, добывшие газ, на прозрачных условиях могут получить доступ к трубе и довести газ до конечного потребителя по разумной цене.
Рентабельность промышленной добычи сланцевого газа имеет ярко
выраженную привязку к экономике того региона, где он добывается. Месторождения сланцевого газа обнаружены не только в Северной Америке, но и в Европе (в том числе и Восточной), Австралии, Индии, Китае. Однако промышленная разработка этих месторождений может оказаться затруднена из-за густонаселенности (Индия, Китай), отсутствия транспортной инфраструктуры (Австралия) и строгих норм экологической безопасности (Европа). Есть разведанные месторождения сланцев и в России, самым крупным из которых является Ленинградское — часть масштабного Прибалтийского бассейна, но себестоимость газовых разработок заметно превышает стоимость добычи «традиционного» газа.
Бывший
Европа
Материковая Азия и Китай
Западная» Восточная Европа®!
Ближний Восток и Северная Африка
Страны Африки, расположенные ниже Сахары
Азиатско-Тихоокеанский регион
Восточная
Северная Америка г
Латинска Америк!
Рис. 8. Запасы сланцевого газа в мире (трлн кубометров) (по данным исследования компании 8сЫитЬе^ег)
Эксперт В. Кондаков уверенно констатирует: «говорить, что бум промышленной добычи сланцевого газа может перекинуться из Северной Америки в Европу или Азию, пока не приходится». Несопоставимы даже прогнозируемые запасы: поданным европейского Центра энергетической безопасности (ЕиСЕЯ8), в Северной Америке 22,2% разведанных запасов сланцевого газа, в Центральной Азии и Китае — 14,5%,в Восточной Европе и СНГ — 7% и в Западной Европе — всего 3,7%. Не стоит сбрасывать со счетов и экологический аспект: недавно Франция стала первой европейской страной, официально запретившей применение технологии гидроразрыва пласта при добыче углеводородов из-за потенциальных экологических проблем. Хотя газ — экологически чистое топливо, его добыча может нанести вред окружающей среде. Технология гидроразрыва подразумевает закачку под землю воды, смешанной с песком и агрессивными химикатами. Это формальдегид, хлорид аммония, уксусный ангидрид, метиловый и про-
паргиловый спирты, соляная кислота и другие. Отработанная смесь подлежит обязательной очистке. Однако анализы воды из колодцев вблизи месторождений показывают, что часть химикатов просачивается на уровень водоносного горизонта.
Эксперты отмечают, что наиболее взвешенную позицию в отношении перспектив добычи сланцевого газа продемонстрировал главный геолог Польши, заместитель министра по делам окружающей среды доктор Хен-рик-Яцек Езерский, заявивший, по данным новостного портала \¥1МР, в 2010 году на заседании комиссии по делам экономики польского сената: «Если кто-то сейчас меня спросит, сколько в Польше сланцевого газа, я отвечу — ноль. Пока не будут предоставлена геологическая документация, подтверждающая количество сланцевого газа, можно считать, что такого ресурса в Польше нет».
Учёный В. Кондаков считает не критичным вопрос угрозы для экономической безопасности России массовой промышленной добычи сланцевого газа в США. Да, ажиотаж вокруг сланцевого газа изменил соотношение сил на газовом рынке, но, в основном, это касается спотовых, то есть биржевых, сиюминутных цен на газ. Основные игроки на этом рынке — производители и поставщики сжиженного газа, в то время как крупные российские производители тяготеют к рынку долгосрочных контрактов, который в ближайшее время не должен потерять стабильность.
По экспертной оценке вице-президента по науке технологической компании БсЫитЬещег Д. Писаренко, «природный газ, в отличие от нефти, гораздо сильнее привязан к существующим транспортным системам, способам его доставки к потребителю. Это либо инфраструктура трубопроводов, либо система сжижения газа и его последующей транспортировки и регази-фикации. Именно поэтому показатели рентабельности добычи газа так отличаются в разных регионах мира. Нельзя нарисовать усредненную мировую картину рентабельности добычи природного газа — она будет неточной. Чтобы скорректировать эту неточность, для конкретного региона следует учитывать множество факторов: близость и доступность крупных потребителей газа — США, Китая, Западной Европы, Японии, объемы доказанных резервов газа, их географическое местоположение, геологию залегания и, конечно, наличие транспортных систем».
Эксперт В. Кондаков уверен: пока налаженная и надежная система так называемого «трубопроводного ценообразования», по которой работает Газпром (гигантские резервы традиционного газа —транспортная система — крупный потребитель) для Западной Европы предпочтительнее, чем рискованная и недешевая разработка собственных месторождений сланцевого газа. Но именно себестоимость добычи сланцевого газа в Европе (его запасы оцениваются в 12-15 триллионов кубометров) и будет определять европейские цены на газ в ближайшие 10-15 лет.
Эксперт Е. Кудрявцева уверена, что газовые гидраты - топливо будущего: их энергии (за счет метана, «впаянного» в ледяные кристаллы) всему миру может хватить на 1000-2000 лет. По мнению специалистов, «газо-гидратный бум» в мире начнется через 20-30 лет, когда легкодоступные за-
пасы нефти и газа будут исчерпаны. В этой новой энергетической гонке вперед вырвутся те страны, которые к тому времени научатся добывать газовые гидраты со дна морей экономичным способом. Задача - трудная. К примеру, на дне озера Байкал (Россия) газогидраты находятся во всех возможных состояниях: часть рассеяна по дну и покрыта тонким слоем осадков, часть впаяна в глиняные стены, часть располагается в склонах грязевых вулканов. Единственная проблема в том, что добывать промышленным способом газогидраты в Байкале нельзя.
Исследования экологов показали, что, несмотря на техногенное воздействие промышленного гиганта - Байкальского целлюлозно-бумажного комбината - вода Байкала - чистая. Особенно в ядре озера, которое начинается на глубине около 300 метров. Оказалось, что верхний слой воды в Байкале регулярно опускается на дно, практически минуя средний. Круговорот этих слоев занимает 10-11 лет, а в это время срединная вода оказывается почти не тронутой, однако биоочистка этого слоя осуществляется популяцией рачков эпишура, каждая особь которого (размером в 1,5 мм) в течение суток способна очистить до 200 мл воды. Очевидно, если в этой уникальной экосистеме начнется добыча полезных ископаемых, она будет разрушена. Поэтому принято решение, что озеро Байкал — это природная лаборатория, а не промышленный бассейн и здесь можно проводить только пилотные эксперименты.
4 М£тр0<
ас
ЕР $11Ж8НО¥ ШТ1Т11ТЕ {
1 -3 БАЙКАЛ
# Ж МЕТРОПОЛЬ
Рис. 9. Глубоководный аппарат Экспедиции «„Миры" на Байкале» Фонда содействия сохранению озера Байкал.
В России, в районе села Большое Голоустное (которое в 2008 году было объявлено зоной развития туристического бизнеса), где речка Голо-устная впадает в Байкал, обнаружены одни из крупнейших в мире залежей газогидратов. Начиная с лета 2010 года, когда созданная Фондом содействия сохранению озера Байкал база, начала исследования при помощи глубоководных обитаемых аппаратов «Мир-1» и «Мир-2» (рис. 9). Тогда одной из
основных целей погружения было исследование залежей газогидратов, обнаруженные по результатам проведенной эхолокации.
По словам руководителя лаборатории геологии Байкала Лимнологического института Сибирского отделения РАН О. Хлыстова (участника первого погружения), в глиняной породе разлома, в который спускался аппарат, на глубине 40 метров и были обнаружены прозрачно-белые прожилки газового гидрата. Собственно первые образцы байкальских газогидратов удалось получить ещё в 2000 году российско-бельгийской экспедиции, которая работала без глубоководных аппаратов: пробы брали, опуская на дно специальные трубки, в которые набивался донный осадок. Ученые изучали особые подводные структуры — грязевые подводные вулканы. Эти объекты высотой 20-30 метров и диаметром до километра образуются за счет того, что высокое давление выталкивает на поверхность древние породы, образуя под водой 25-метровые грязевые фонтаны. Именно тогда при исследовании грунта пробоотборника были обнаружены крупные кристаллы газогидратов размером 7 сантиметров.
Было установлено, что ранее обнаруженные при космической и аэрофотосъемке округлые образования на льду Байкала, являются косвенным признаком наличия в воде метана (рис. 10).
Рис. 10. Внешние признаки наличия метана в Байкале (данные космической съемки)
По мнению директора Лимнологического института (ЛИ) СО РАН академика М. Грачева, феномен появления в определенных местах на льду озера Байкал совершенно четких темных круговых структур диаметром в десятки километров имеет четкое объяснение. Дело в том, что в Северном полушарии правый берег у рек всегда подмывается сильнее, чем левый. На земле при истечении в отверстие вода, за счет силы Кориолиса, отстает от вращения Земли и всегда закручивается против часовой стрелки. Со дна
Байкала поднимаются достаточно большие объемы метана. По пути наверх из-за разницы в давлении почти в 200 атмосфер пузыри газа сильно расширяются, увлекая за собой большие массы теплой воды. Естественное вращение Земли закручивает этот поток. Именно поэтому лед протаивает таким странным образом. Феномен кольцевых структур в геологии известен: именно в них часто сосредотачиваются залежи полезных ископаемых за счет того, что слои породы, которые поднимаются наверх из недр Земли, проходят определенный путь термического преобразования и перекристаллизации, обогащаясь в определенных зонах полезными ископаемыми. Причем, «круги» на Байкале — это лишь одна из интересных меток. Сами газовые гидраты на Байкале открыл Институт геохимии в 1997 году, но этому предшествовала теоретическая работа в начале 1990-х годов. Тогда совместная российско-американская экспедиция исследовала озеро геофизическими методами, напоминающими УЗИ: с борта научного судна ученые обстреливали дно из воздушной пушки, а потом смотрели характер отражений звуковых волн. Во время этих исследований нашли особого рода отражатели, которые вели себя не так, как обычные осадки. Проанализировав данные, ученые установили, что, скорее всего, на дне Байкала имеются большие залежи газовых гидратов.
Рис. 11. Газовые гидраты
По мнению эксперта Е. Кудрявцевой, основная трудность, с которой столкнулись в 2010 году исследователи состояла в том, что при подъеме с глубины газовые гидраты, по виду похожие на лёд или на соль - крупные грязновато-белые кристаллы, быстро распадаются (рис. 11). Газогидраты представляют собой конгломерат воды и газа, чаще всего метана. При этом молекулы газа оказываются как бы «впаянными» в молекулы воды: это напоминает лед, только лед необычный — способный гореть на ладони и
при этом не обжигать. Еще в середине XIX века исследователи из Императорского географического общества отмечали, что если найти подо льдом Байкала большой пузырь воздуха (на самом деле газа), сделать небольшое отверстие и поджечь — получится легкое, почти не дымящее пламя. Но официально газогидраты открыли только в конце 1970-х годов советские ученые: тогда в Западной Сибири нашли 30 залежей газогидратов промышленного значения. Это открытие — крупнейшее в геологии XX века. Сегодня доказано: мировые запасы газогидратов содержат больше углеводорода, чем все разведанные на сегодня запасы нефти и газа. Причем особенно привлекательна их возобновляемость. Что касается природы этого энергоносителя, то газогидраты образуются в условиях высокого давления и низких температур. Это происходит, если на большой глубине газ выходит на поверхность. Кстати, именно кристаллы газовых гидратов, образующиеся в месте выхода природного газа (он сопутствует нефти), мешали в 2010 году специалистам фирмы ВР перекрыть скважину в Мексиканском заливе.
Нефтяные пятна
Бактериальный ковер вокруг газовых гидратов
Газовый гидрат
Растворенный метан
Рис. 12. Схема образования кристаллов газовых гидратов (пояснения в тексте)
Метан в больших количествах залегает в донных осадках, если в месте его выхода складываются условия низкой температура воды и высокого давления, то происходит образование кристаллов газовых гидратов, как показано в представленной на рисунке 12 схеме: 1. Метан появляется в глубо-
ководных осадках земной коры как результат разложения органических остатков. 2. Метан скапливается в осадочных породах, образуя полости, наполненные газом. С ростом давления он просачивается наружу. 3. Залежи твердого метана представляют собой кристаллы, похожие на лед. Они образуются при низкой температуре и высоком давлении в толще донных осадков. 4. Пузыри газа обычно лопаются на поверхности воды, а остатки метана постепенно поглощают бактерии. 5. Иногда метан выходит на поверхность в виде пузырей и радужных пятен, подобных нефтяным пленкам. По ним ученые ищут месторождения полезных ископаемых. 6 Метан просачивается через трещины в грунте. Вокруг этих источников тепла образуются колонии простейших, не нуждающихся в кислороде. 7 Скопившийся под толщей осадков газ иногда взрывается, образуя грязевые вулканы. На континентальных склонах подобные явления могут вызывать донные лавины и цунами.
По заключению академика М. Грачёва, в настоящее время нет рентабельных технологий промышленной добычи газогидратов, но через 20 лет это будет не просто выгодно, но и неизбежно. Поэтому изучать газовые гидраты нужно уже сегодня. В Лимнологическом институте СО РАН предложена технология добычи газогидратов в промышленных целях. На дно помещается специальный «колокол» с брандспойтом, который подает воду под большим давлением. Струя воды внутри «колокола» разрушает породу, заставляя освободившиеся куски газогидратов подниматься по гибкому шлангу наверх. Вместе с ними идет и поток воды, представляющий собой насыщенный раствор метана, из которого относительно легко извлекается газ. Помимо развитых стран этой проблемой очень активно занимается Индия, где существует огромный дефицит горючих углеводородов. Но им изучать подобные соединения очень тяжело: глубина океана 4 километра и очень теплая вода практически не позволяют поднять образцы на поверхность — газогидраты превращаются в лужицы и пузырьки газа.
По информации Е. Кудрявцевой, Байкал оказался замечательной природной лабораторией для исследования газовых гидратов. Здесь проще достать образцы для изучения, проще благодаря низкой температуре воды, меньшей глубине и тому удобному обстоятельству, что зимой он весь покрывается льдом. То есть геологи могут в течение всей зимы брать пробы из одной и той же точки, что очень важно для исследования динамики процес-
Заведующий лабораторией гидрологии и гидрофизики ЛИ СО РАН Н. Гранин уверенно констатирует, что «объемы залежей газогидратов в Байкале ученые оценивают наравне с запасами Ковыктинского месторождения в Иркутской области, то есть 1 трлн. кубометров метана».
По данным специалистов, в настоящее время в мире выявлено более 220 месторождений газогидратов, которые распределены вполне равномерно и могут быть доступны для разработки большинству стран. По расчетам, разработка только 10% разведенных запасов газогидратов способна обеспечить мировые потребности в углеводородном сырье течение 200 лет. Ниже приведены данные по наиболее крупным месторождениям (рис. 13).
Рис. 13. Распределение наиболее крупных месторождений газогидратов мира
1. ГЛУБОКОВОДНЫЕ ЗАЛЕЖИ:
1.01. глубоководная впадина близ побережья Коста-Рики - одно из крупнейших месторождений в мире. Правда, метановый лед на дне Тихого океана плотно спаян с вулканическим пеплом. Глубина залегания - 3100-3400 м.
1.02. центрально-американский глубоководный желоб (Гватемала). Тихий океан. Глубина залегания гидратов - 2100-2700 м.
1.03. Мексиканский район центрально-американского глубоководного желоба. Тихий океан. Здесь сразу три месторождения: Mexico-1 (глубина -1950 м), Mexico-2 (3100 м) и Mexico-3 (2200 м).
1.04. Калифорнийский разлом (США). Тихий океан. Обнаружены богатейшие залежи газогидратов, которые образуются при помощи глубоководных «асфальтовых вулканов», которые извергают в воду не только нефть, но и метан.
1.05. Тихоокеанская впадина, Орегон (США). Тихий океан. Глубина залегания - 2400 м.
1.06. шельф Сахалина, Охотское море (Россия). В районе восточного побережья острова - в глубинных разломах - сосредоточены самые большие разведанные запасы газогидратов - более 50 месторождений.
1.07. Курильская гряда, Охотское море (Россия). Здесь были проведены первые в СССР поиски гидратосодержащих отложений. К настоящему времени ресурсы газогидратов в этом районе Охотского моря оцениваются в 87 трлн. кубометров. Глубина залегания -3500 м.
1.08. Побережье Японии. Здесь газогидратами начали заниматься в 1995 году, когда была принята национальная программа по исследованию
и освоению этих месторождений. К 2004 году геофизики у побережья Японских островов нашли более 18 месторождений.
1.09. желоб Нанкай в Японском море - одно из самых первых разведанных месторождений газогидратов в мире, расположенное на глубине свыше 600 м. Промышленную разработку месторождения предполагается начать в 2017 году. Прогнозируемые запасы газа в гидратах могут составлять от 4 до 20 трлн. кубометров.
1.10. глубоководная Перуанская впадина, Тихий океан. Здесь газогидраты расположены на глубине свыше 6000 м, протяженность месторождения превышает 1500 км.
2. ШЕЛЬФОВЫЕ ЗАЛЕЖИ:
2.01. Мексиканский залив, побережье штатов Техас и Луизиана (США). Атлантический океан. Разведаны запасы газогидратов в нефтеносных районах Грин-каньон, Миссисипском подводном каньоне (именно здесь произошла утечка нефти с буровой платформы Deepwater Horizon) и национальном парке Флауэр Гарден Бэнкс -это уникальная цепочка рифов.
2.02. подводное плато Блейк, Атлантический океан. Одно из крупнейших месторождений в Атлантике. Глубина залегания -400 м, толщина газоносного слоя-200 м.
2.03. грязевой подводный вулкан Хакон Мосби (Норвегия). Северный Ледовитый океан.Газогидраты, обнаруженные еще в 1990 году, залегают на глубине 250-1000 м.
2.04. шельф дельты Нигера (Нигерия) в Атлантическом океане -самый богатый нефтью регион
в Африке. Его еще называют страной нефтяных рек.
3. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ЗАЛЕЖИ:
3.01 Черное море (Россия). На дне Черного моря есть около 15 месторождений газогидратов. Прогнозируемый объем - 20-25 трлн. кубометров. 3.02. Каспийское море (Россия). Здесь месторождения газогидратов обнаружены на наименьшей глубине в 300-480 м.
3. 03. Озеро Байкал (Россия). О существовании газовых гидратов на дне Байкала на основе косвенных данных было известно еще с 1990-х годов. В 2001 году во время реализации международного проекта «Байкал-бурение» газовые гидраты были впервые обнаружены в поверхностном слое донных отложений, а в 2009 году были найдены крупнейшие газогидратные поля в районе подводного грязевого вулкана Санкт-Петербург.
3.04. подводные горы Анаксимандра. Средиземное море. Газовые гидраты залегают на глубине 0,3-1,5 км. Как установили ученые, залежи напоминают «слоеный пирог» из гидратов и осадков пепла вулканического происхождения, что затрудняет разработку месторождения.
3.05. побережье района Кула (Турция). Средиземное море. Здесь газогидраты формируются при участии многочисленных грязевых вулканов. Объем газогидратов уточняется.
4. АРКТИЧЕСКИЕ ЗАЛЕЖИ: 4.01 район у дельты Маккензи (Канада). Северный Ледовитый океан. Самое северное из всех разведанных месторождений. Объем газогидратов уточняется.
По информации эксперта А. Лексакова, прототип двигателя внутреннего сгорания на водороде был создан швейцарским инженером Франсуа Исааком де Ривазом еще в 1806 году. Он не выбрасывает вредных веществ в атмосферу, но проигрывает бензиновому двигателю по цене. Кроме того, водород взрывоопасен. С середины XX века водородные двигатели использовались в космических аппаратах, а в 1994 году компания Daimler Benz предложила первый массовый автомобиль на водороде. Основными минусами по-прежнему остаются высокая стоимость топлива, машины (от 100 тысяч долларов) и невысокий КПД.
В 1893 году немецкий изобретатель Рудольф Дизель построил мотор, работавший на арахисовом масле. Инженер был уверен, что биотопливо получит широкое распространение, однако впоследствии дизельный двигатель был переделан под более дешевую нефть. Сегодня наиболее известным видом биотоплива является этиловый спирт, получаемый при переработке кукурузы, злаков и сахарного тростника и используемый в качестве горючего в смесях с бензином. При сгорании спирта выделяется на 34 процента меньше энергии, чем при сгорании бензина, зато в атмосферу попадает меньше парниковых газов. Наибольшей популярностью биотопливо пользуется в Бразилии и США, которые производят 89 процентов мирового этанола.
0 возможности использования гелия-3 ученые заговорили в конце 80-х годов XX века. При использовании одной тонны этого изотопа во время термоядерной реакции высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн. тонн нефти. Главным препятствием для использования гелия в энергетике является то, что температура в зоне реакции должна превышать 1 млрд. градусов Цельсия. Это в 100 раз больше температуры ядра Солнца. Гелий-3 почти не встречается на Земле, зато на Луне его запасы, по некоторым оценкам, достигают 500 млн. тонн. Ещё в 2006 году глава РКК «Энергия» Николай Севастьянов сообщил о подготовке программы освоения лунных месторождений изотопа.
