Залежи аквальных гидратов метана образуются в пределах верхних 1,5 км отложений морского дна (при этом эшелон глубины 200–800 метров ниже уровня морского дна рассматривается как наиболее перспективный для их промышленной разработки).
Мощность залежи аквальных газогидратов зависит от глубины акватории и температуры ее придонных вод и колеблется от 100 м до 300-350 м (в северных морях на глубинах шельфа около 1000 м).
Арктический шельф Северного Ледовитого океана занимает особое место в ряду других акваторий Земли из-за наличия довольно обширной субмаринной криолитозоны, с которой и связано образование многочисленных залежей газогидратов. На представленном фрагменте карты явно показано, что зоны возможной газогидратоносности российского шельфа весьма обширны и, по-видимому, могут рассматриваться в качестве весьма важных источников углеводородов в будущем (рис. 3).
Термобарические условия существования аквальных газогидратов характерны для большей части дна Мирового океана с глубинами более 300–400 м. На арктическом шельфе зона стабильности газовых гидратов связана с наличием субмаринной криолитозоны и поэтому может существовать при несколько меньшей глубине (если подошва криолитозоны расположена на глубине более 260 м от уровня моря). В частности, низкотемпературные потенциально гидратоносные осадки занимают центральную, северо- и юго-восточную части Баренцева моря, примыкающие к Новой Земле (рис. 3).
В ходе проведенных Россией многочисленных экспедиционных исследований были получены количественные данные и показатели, характеризующие зону стабильности залежей газогидратов на дне Северного Ледовитого океана (таблица).
Результаты подобных исследований в совокупности с их научной интерполяцией и экспертными оценками позволили рассчитать объемы потенциальных ресурсов метана в имеющихся газогидратных залежах основных геоморфологических структур дна Северного Ледовитого океана.
Приведенные цифры не являются окончательными, так как сейчас осуществляется работа по уточнению шельфовых областей (вопрос о современном разделе арктического шельфа рассматривается Комиссией ООН по границам континентального шельфа на основании положений Конвенции ООН по морскому праву) и Россия претендует на территорию Арктики общей площадью 1,2 млн км2, что может привести к дальнейшему росту потенциальных объемов газогидратов.

 

Геоэкологические риски и экономические аспекты газогидратных разработок

Разработка газогидратов на шельфе влечет за собой экологическую угрозу, связанную с глобальным потеплением. В частности, уже сейчас вечная мерзлота в Западной Сибири оттаивает на 4 см в год, а в ближайшие 20 лет ее граница сдвинется на север примерно на 80 км. Похожая ситуация и с таянием льдов в Арктике. Так, если в 1979 году площадь арктических льдов составляла 7,2 млн км2, то уже в 2007 году она сократилась до 4,3 млн км2. К тому же толщина ледяного покрова здесь за этот период уменьшилась примерно вдвое. Заметно теплеет и вода морей и океанов (даже на глубине до 2000 м). А газовые гидраты устойчивы только при низкой температуре и повышенном давлении (рис. 5).
В результате, во-первых, мы можем потерять столь ценный углеводородный природный ресурс, а во-вторых, при разложении аквальных газогидратов за счет повышения температуры даже на несколько градусов выделяемый метан попадет в атмосферу Земли, где его концентрация удвоится и существенно усилит парниковый эффект.
Следует также отметить, что быстротечное разрушение газогидратных залежей может привести к образованию волн-цунами, способных нанести серьезный ущерб прибрежным территориям. Гигантские воронки в Ямало-Ненецком автономном округе в 2012 и 2013 годах образовались из-за выброса газогидратов, вызванного прогревом земной поверхности.
Освоение (разработка) выявленных к настоящему времени значительных объемов природных газогидратов и аквальных залежей, содержащих около 15 000×1012 м3 СН4, сдерживается их довольно неустойчивым состоянием, обусловливающим возможное быстротечное (взрывное) разрушение их массивов. В ходе подобного саморазрушения газогидратов объем возникающего газа увеличивается в 160–180 раз, что существенно осложняет и даже препятствует применению известных промышленных технологий их разработки.
Себестоимость добычи газа из газогидратных залежей зависит от ряда факторов: в первую очередь от геологических условий и применяемой технологии. Необходимо сразу отметить, что ограниченное число как реализованных проектов добычи метана из газогидратных залежей, так и экономических расчетов подобных проектов затрудняет выработку обоснованной оценки их средней себестоимости.
Так, выполненная в 2008 году оценка добычи метана из газогидратной залежи Маллик в канадской Арктике показала, что совокупные капитальные и операционные издержки подобной разработки варьируют в пределах 195–230 долл./тыс. м3 для газогидратов, расположенных над свободным газом, и в пределах 250–365 долл./тыс. м3 — для газогидратов, расположенных над морским дном. Особо была отмечена необходимость наличия соответствующей инфраструктуры для транспортировки добытого газа.
Японские разработчики оценивают себестоимость добычи метана из поддонных газогидратов на уровне 540 долл./тыс. м3, в то время как по оценкам ИНЭИ РАН и Аналитического центра, данная технология становится конкурентоспособной только при затратах на добычу метана менее 390 долл./тыс. м3. По расчетам МЭА, оценочная себестоимость промышленной разработки месторождений газогидратов может составить 175–350 долл./тыс. м3, что всё равно делает их наиболее дорогостоящим из известных способов добычи природного газа.









Сферические наночастицы как агенты активирования газогидратов

В настоящее время существенное снижение себестоимости производимой продукции возможно прежде всего на основе
использования достижений в области нанотехнологий, что объясняется наличием принципиально новых свойств и характеристик у веществ наноуровня. Экспериментально было установлено, что основным структурным элементом газовых гидратов являются кристаллические ячейки — элементы, обладающие наноразмерностью, состоящие из молекул воды, внутри которых и размещены молекулы газа. При этом структура гидратов подобна структуре льда, но отличается от последней тем, что молекулы газа расположены внутри кристаллических решеток, а не между ними.
Очевидно, что для разрушения подобной газогидратной ячейки с целью высвобождения метана более эффективным является использование различных наночастиц, соразмерных с ячейкой.
Необходимо отметить, что длины связей в кристаллических решетках газогидратов и углы между ними практически одинаковы и равны 2,76° и 109,5°.
В соответствии с разработками профессора А.Е. Воробьева первоначально предполагалось подавать и использовать наночастицы практически любой формы. При этом главным фактором являлась их масштабная соразмерность с разрушаемыми ячейками клатратов — газовых гидратов.
В дальнейшем была установлена явно выраженная зависимость эффективности разрушения газогидратов от формы наночастиц: в частности, от наличия у сферических наночастиц различных шипов (рис. 6), размещенных равномерно по всей их поверхности.
Для эффективного обеспечения процесса разрушения ячейки клатрата с включенной в нее молекулой метана важными также представляются оптимальные параметры (длина, расстояние между ними и др.) и форма (прямолинейная, изогнутая, утолщенная и т. д.) шипов сферической наночастицы.
Такие наноструктуры, которые выглядят как природные биологические объекты — морские ежи (рис. 8), довольно легко формируются электрохимическим методом. В настоящее время основным материалом для их строительства является полистирол.
Микросфера полистирола представляет собой основу, на которой оксид цинка образует трехмерную поверхность. В результате получаются полые, сферической формы наноструктуры с торчащими во все стороны шипами. В настоящее время себестоимость производства 10 кг подобных наночастиц составляет 50 долл. США.
При разработке обеспечивается постепенное разрушение верхнего слоя скоплений газовых гидратов гидродинамической струей морской воды, предварительно насыщенной сферическими наночастицами. При перемещении сферической частицы вдоль поверхности кристаллической ячейки газогидратов происходит ее разрушение и высвобождение молекулы метана (рис. 7). Таким образом образуется раствор метана и его гомологов, извлечение которого на поверхность осуществляют вначале принудительно, а затем за счет эффекта газлифта.
Однако в процессе обработки аквальной газогидратной залежи такие частицы могут разлетаться в разные стороны и впоследствии теряться. Для сбора им придают магнитные, т. е. выполняют целиком из магнитных материалов, что существенно удорожает их себестоимость, или помещают в них магнитные материалы.
Кроме того, подачу «магнитизированной» воды в трубы осуществляют также при помощи погружного оборудования. Сбор образующейся водно-газовой смеси осуществляют посредством колокола (рис. 9). Откачку образующейся водно-газовой смеси газовых гидратов осуществляют через систему труб, соединенных с баком-хранилищем, установленным на береговой поверхности, плавучей платформе или судне.
Для этого подают воду, насыщенную сферическими наночастицами, равномерно по поверхности залежи газогидратов, через гидранты-форсунки. В результате во внутреннем пространстве колокола образуются осколки газовых гидратов, газ и раствор метана в воде.
Через систему труб для откачки образующаяся водно-газовая смесь поступает вверх самостоятельно (эффект аэролифта) и направляется в специальный бак-хранилище, откуда по трубопроводу поступает к месту назначения. Магнитные наночастицы собираются посредством электромагнита (на схеме не показан) и снова используются.











Перспективы использования РЗМ в нанотехнологиях освоения газогидратных залежей

Большое будущее в технологиях освоения газогидратов имеют нанокомпозиты, которые содержат смесь наночастиц неодима с наночастицами железа. Результатом взаимодействия таких наноструктурированных фрагментов магнита становится усиление его магнитных свойств по сравнению с обычными магнитными сплавами.
Улучшение магнитных свойств в указанных нанокомпозитах обусловлено свойством, называемым обменной связью (синергетическим взаимодействием). Упрощая сложный физический процесс, можно сказать, что связь между отдельными наночастицами в образуемом композите приводит к появлению магнитных свойств более сильных, чем сумма свойств отдельных его компонентов.
Кроме того, в ходе проведенных нами исследований было установлено несколько довольно существенных аспектов, определяющих эффективность промышленного применения подобных нанотехнологий при разработке залежей газогидратов.
Во-первых, полученная в составе гидродинамической струи потенциальная энергия рабочего инструмента — наночастицы — обеспечивает ее перемещение по поверхности газогидратов только на весьма короткое расстояние, так как зачастую наблюдается ее рикошет, с потерей потенциальной энергии разрушения клатратных связей и изменением траектории перемещения, от поверхности газогидратной залежи. И, следовательно, практически каждая из них осуществляет разрушение довольно небольшого количества ячеек — клатратов, хаотической последовательности.
Поэтому, кроме шарообразных наночастиц, в качестве рабочего инструмента, разрушающего гидратные залежи, более целесообразно применять различные молекулярные шестерни (рис. 11) и соединенные осью колеса. Модели подобных наноустройств были предложены K.E. Drexler и R. Merkle из IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto).
Валами «шестеренок» в подобной «коробке передач» являются углеродные нанотрубки, а «зубцами» служат молекулы бензола. При этом характерные частоты вращения шестеренок составляют несколько десятков гигагерц.
Механизм образования подобных наноколес уже детально обоснован (рис. 12). Так, группой исследователей под руководством А. Мюллера (Achim Müller) из Университета Билефельд (Германия) было обнаружено, что смешение молибдата натрия, воды и восстановителя при низком значении рН приводит к самопроизвольному образованию бубликоподобных наноколес, состоящих из оксида молибдена. Диаметр формирующихся молибденсодержащих колес составляет около 4 нм.
Необходимо отметить, что для разрушения ячеек газогидратов наночастицами может быть использована не только энергия гидродинамического потока. В частности, одним из важных и перспективных направлений применения нанотехнологий в нефтяной и газовой промышленности является создание специальных миниатюрных устройств, оснащенных микропроцессорами и способных выполнять целенаправленные операции с объектами нанометровых масштабов, называемых «нанороботами».
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») — это наномашины, созданные из различных наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, а также исполнения специальных программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров.
Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию — реагировать на различные сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важными представляются их функции репликации — самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, например, по окончании работы. В этом случае роботы должны распадаться на экологически безвредные и быстровыводимые компоненты.
При этом существуют различные подходы к разработке нанороботов: одним из них является создание самоходных микро- и наноразмерных актюаторов (наномоторов). Наномотор представляет собой молекулярное устройство, способное преобразовывать различные виды энергии в движение. В типичном случае он может создавать силу порядка одного пиконьютона.
В качестве энергии движения наномоторов могут выступать различные химические реакции, энергия света, звука (механических колебаний), электромагнитное поле и электрический ток.
Так, в Калифорнийском университете были проведены лабораторные эксперименты по перемещению нанотрубок посредством диэлектрофореза в водных растворах. При этом промежуток между электродами-нанотрубками составлял 10 нм, а подаваемое на них напряжение — 1 В. В результате на концах таких электродов образовывалось довольно сильное неоднородное электростатическое поле, притягивающее подобные частицы.
Нанотрубки-электроды образуют статор, а наночастицы в центре — ротор. Если на электроды подавать переменное напряжение, то наночастица будет вращаться, причем ее положение напрямую зависит от величины напряжения, подводимого к электродам.
Кроме этого, M.P. Hughes из School of Engineering, University of Surrey предложил модель асинхронного электродинамического наномотора, который обладает вращающим моментом благодаря вращающемуся электромагнитному полю.
Подобное взаимодействие «вращающееся поле — электрический диполь (ротор)» значительно стабилизирует положение ротора. Электрическое поле генерируется благодаря прямоугольным импульсам, посылаемым на статор, что дает возможность прямого компьютерного управления таким наномотором. Также возможно прецизионное управление и частотой вращения такого ротора. Разработанный наномотор состоит из ротора длиной 1 мкм и диаметром 100 нм. Такой наномотор развивает момент усилия в 10–15 Н/м.
Подобные нанотехнологии обеспечивают эффективную и последовательную проработку всей поверхности аквальной залежи газогидратов с необходимой скоростью их разрушения и получения запланированных объемов метана.
В перспективе новые технологии получения горючего природного газа из газогидратов повысят мировой спрос на некоторые виды редких и редкоземельных металлов (РЗМ). В силу имеющихся в России запасов и ресурсов РЗМ возможное экономичное производство таких металлов усилит позиции России и ее производителей на мировом рынке. В частности, гольмий —идеальный парамагнетик. И подобные магнитные свойства проявляет большинство редкоземельных элементов. Магнитные свойства ставят гадолиний в один ряд с железом, кобальтом и никелем. В то время как лантан и другие лантаноиды парамагнитны, гадолиний — ферромагнетик, причем даже более сильный, чем никель и кобальт.
Ресурсный потенциал РЗМ в России достаточен для обеспечения как внутренних потребностей промышленного развития в перспективе на 2020–2030 годы и далее, так и организации их экспорта в виде конечной химико-металлургической продукции и изделий. Дело за технологической реализацией этого потенциала путем технической модернизации ОАО «Ловозерский ГОК» и «Соликамский МЗ», промышленного освоения Томторского месторождения как мирового железорудно-алюмофосфатно-редкометального супергиганта, обогащенного иттриевыми ланданидами и скандием, и, наконец, организации разработки наиболее востребованных различных источников иттриевоземельных лантаноидов средне-тяжелой группы и иттрия (эвдиалитовых и др. руд). С этих позиций вышеизложенный материал ориентирует на организацию НИР и НИОКР по применению РЗМ в различных технологических направлениях освоения полезных ископаемых арктического побережья и шельфа, включая нанотехнологию применительно к газогидратным ресурсам. Здесь у нашей страны очевидные перспективы опережения не только «состояния умов», но и высокотехнологичных решений. Академик Н.П. Лаверов считает освоение Арктики более сложным, чем космоса. Следовательно, решение технологических проблем ее освоения требует объединения возможностей академической, вузовской и отраслевой науки при условии необходимой поддержки целевых научных исследований со стороны государства и бизнеса.
Новые задачи встают перед российскими научными организациями и техническими университетами. Так, известный специалист по редкоземельным металлам Л.П. Рихванов, профессор кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ (г. Томск), считает, что «нужна специальная подготовка магистерских программ узкой направленности. Поскольку по геохимии редкие земли и урановые месторождения различаются, то опыта лишь урановых специалистов будет недостаточно». Эта точка зрения находит поддержку, в частности, в столичном МГРИ-РГГРУ, являющимся старейшим в России вузом, готовящим геологов, геофизиков и горных инженеров. При численности этого вуза около пяти тысяч человек в настоящее время в нем учится 120 аспирантов. В числе научных школ МГРИ-РГГРУ — урановая и редкоземельная. Многие годы МГРИ работал по заданиям Минсредмаша СССР. В соответствии с заданием Минобрнауки РФ № 26.2510.2014 К от 17 июля 2014 года, МГРИ-РГГРУ начал работать по трехгодичной НИР «Разработка рекомендаций по развитию минерально-сырьевой и производственной базы редкоземельных полезных ископаемых России с учетом мировых тенденций». Руководитель проекта — Е.А. Козловский, доктор технических наук, профессор, вице-президент РАЕН, бывший министр геологии СССР.
С изложенных позиций своевременность организации и развития поисково-исследовательских работ на газогидраты в России, несмотря на обеспеченность запасами и ресурсами нефти и газа на десятки лет, приобретает перспективное стратегическое значение. Тем более что кроме прибрежной зоны арктических морей определенные перспективы выявления крупных месторождений газогидратов в России связаны на юге с Черным (30–50 трлн т) и на Дальнем Востоке — с Охотским (>17 трлн т) морями. Ресурсы газа в гидратах континентальной и шельфовой части России оцениваются в 100–1000 трлн м3. Следовательно, перспективу получения природного газа из нетрадиционных месторождений газогидратов, так же как из сланцевого углеводородного сырья, необходимо квалифицировать как «прорывную инновационную технологию» в освоении недр Арктики и других регионов газовой промышленностью России.




























Воробьев Александр Егорович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела Российского университета дружбы народов, директор НОЦ «Инновации в горном и нефтегазовом комплексе» при РУДН и НОЦ «Национальной минеральносырьевой безопасности стран Центральной Азии» (КРСУ , г. Бишкек, Кыргызстан), профессор Грозненского государственного нефтяного института, директор аспирантуры РУДН по направлению «Геология, разведка и разработка полезных ископаемых»





А.Е. ВОРОБЬЕВ, В.И. ЛИСОВ, Г.Б. МЕЛЕНТЬЕВ
Российский университет дружбы народов