Тенденція довготривалого виснаження світових запасів традиційних видів палива актуалізувала для світового співтовариства проблему подальшого вивчення ресурсного потенціалу океанічних гідратів метану та їх застосування для отримання природного газу.

В деяких районах Чорного моря на глибинах 300 - 1000 м виявлено газогідратні поклади метану. У центральній глибоководній частині Чорного моря (в районі Криму) запаси метану в газогідратах оцінюються у 20 - 25 трлн. м3, а в усьому Чорному морі, за оцінками геологів України та Росії, - у 60 - 75 трлн. м3. Щорічну потребу України в газі до 76 млрд. м3 Чорне море може забезпечити на декілька десятиліть.

Газові гідрати - це тверді кристалічні сполуки, які створюються при певних термобаричних умовах з води (водного розчину, льоду, водяної пари) і низько молекулярних газів [1,2]. Молекули води створюють ажурний каркас, в середині якого заходяться молекули газу. Така структура гідратів дозволяє утримувати в одному його об’ємі до 164 об’ємів газу.

Гідрат метану - це супрамолекулярна сполука метану з водою. Нижче наведена модель гідрату метану на молекулярному рівні. Навколо молекули метану утворюються грати молекул води (льоду). Сполука стійка при низькій температурі і підвищеному тиску. Наприклад, гідрат метану стабільний при температурі 0° C і тиску близько 25 атмосфер і вище. Такий тиск має місце на глибині океану близько 250 м.

Газові гідрати – це тверді розчини метану або іншого газу (наприклад, вуглекислоти) у воді. Інколи газові гідрати називають клатратами (від латин. «у клітці»), тому що газ замкнений в кристалічній решітці льоду як в клітці. У великих кількостях газогідрати можуть існувати лише при високих тисках і низьких температурах на дні океанів і в зоні вічної мерзлоти. При пониженні тиску з газогідрату виділяється метан – аналогічно тому, як виділяються бульбашки газу при відкупорюванні пляшки з газованою водою.

Утворення гідратів метану, тобто його сполук з водою, відбувається під впливом високого тиску і низької температури – за умов, сповна типових для океанських глибин. Там, де океанічна плита, зрушуючись, вирушає під континентальну, виникають зони щонайпотужнішого стискування. Вони й видавлюють назовні метан, що утворюється в товщі органічних відкладень. За найобережнішою оцінкою, кількість метану співставна з кількістю кисню, що існує в атмосфері. Якщо гідрат метану нагрівається, або підвищується тиск, сполуки розпадається на воду і природний газ (метан).

Родовища гідратів метану зустрічаються у вигляді розсіяних крупинок або тонких пластів. Постійним супутником і джерелом утворення гідратів метану є так званий «вільний газ» (Free Gas), який знаходиться під їх покладами. Поклади гідратів метану і супутнього їм «вільного газу» утворюються в межах верхніх 1,5 км. відкладень морського дна, при цьому ешелон глибини 200-800 метрів нижче за рівень морського дна розглядається перспективним для їх промислової розробки. [3-6]

Стійкість стану океанічних гідратів метану залежить не лише від величини тиску (глибини залягання) і температури, але також і від рівня концентрації або розчинності метану в морських відкладеннях. В природі гідрат метану зустрічаються в районах вічної мерзлоти і на дні океану. Наприклад, умови континентального шельфу біля східних берегів США забезпечують можливість для існування в природі гідратів метану у верхніх шарах морських відкладень (на глибині декілька сотень метрів) і практично на всіх глибинах, за виключенням прибережних. Проте твердий гідрат не утворюється до тих пір, поки концентрація метану не перевищить концентрацію насичення. Лише у певних ділянках донних відкладень концентрація метану настільки висока, що він починає проникати в порожнечі між частками породи. [7-10]

Можливо припустити, що гідрат метану може бути розташований в областях залягання потужних товщ багаторічно мерзлих порід (вище 300м) і в придонних покладах Світового океану – з глибини води близько 300м в північних широтах і до 600м – в південних.

До цього часу сейсморозвідниками і буровиками виявлено близько сотні місць скупчення природних газових гідратів на суходолі і в морі. Газогідратні скупчення розповсюдженні практично повсюди вздовж прибережжя глибоководних морів і океанів, що робить їх глобальним джерелом енергії. Деякі з цих скупчень являють собою поля гідровмісних порід, що покривають значні (в декілька десятків тисяч квадратних кілометрів) площі морського дна, інші - локальні скупчення навколо каналів проникнення глибинних газів. Загальні об’єми метану в природних гідратах оцінюють до 21х1015 м3, проте в останні роки озвучено більш помірні оцінки – 2-7х1015 м3. [11-13]

Вперше газові гідрати були описані у 1810 році. У 60-ті роки минулого століття радянські вчені виявили перші родовища газових гідратів на півночі СРСР. З того часу газові гідрати стали розглядати як потенційне джерело палива. До вивчення потенціалу гідрату метану як нового джерела енергії приступили на початку 70-х років. Однак, щоб розпочати промисловий видобуток газу, необхідно вирішити низку науково-технічних проблем.

По-перше, необхідно розробити методи пошуку і розвідування найбільших гідратних скупчень, де концентрація газогідратів була б найвищою. Це завдання ускладнюється нестабільністю гідратів при вилучені кернів. Необхідні спеціальні керновідбірники, які дозволили б зберегти температуру та тиск пласту при підйомі керну. Звичайні геофізичні методи пошуку газовмісних пластів поки що не дають прямих вказівок на присутність гідратів в надрах. Найбільш перспективним є сейсмоакустичний метод (наявність так званих псевдодонних відображень (BSR) на стрічках сейсмозапису). Але цю ознаку не можна вважати абсолютно достовірною.

По-друге, розкладення гідратів на газ і воду – процес енергомісткий – приблизно 450 кДж/кг (для порівняння танення льоду потребує 336 кДж/кг). Щоб добути газ з пластових гідратів, потрібно знизити тиск у пласті, уникнути пониження температури нижче 0оС (уникнути самоконсервації) та забезпечити приток газу до забою, уникнувши притоку води з гідратів, що тануть. Тому задача видобутку газу з гідратних скупчень – комплексна і вирішується для кожного окремого з них в індивідуальному порядку.

По-третє, необхідно організувати систему підготовки газу до транспортування, враховуючи віддалення від берега, глибоководне положення шельфових родовищ газогідратів. Такі системи повинні передбачати не тільки дегідратацію та очищення газу, але й альтернативні способи його транспортування. Прокладення трубопроводу чи будівництво заводу із зрідження не завжди є економічно ефективними. Тому необхідно розглядати можливість конверсії добутого газу в інші продукти на місці (синтетичні палива, електроенергію, теплову енергію) або його транспортування у стисненому чи гідратному станах.

На даний момент розглядаються три основні способи видобутку газу з гідратовмісних пластів: депресійний, тепловий, хімічний та їх комбінації.

Найбільш простим та ефективним є депресійний метод. Однак він висуває достатньо високі вимоги до фільтраційно-ємнісних властивостей гідратовмісного пласту: початкова проникність повинна бути на рівні кількох мілідарсі  і вище, а пласт повинен містити вільний газ у контакті з гідратами. Тоді можливе встановлення такого режиму, при якому вода не заб’є призабійну зону і не буде повторного гідратоутворення навколо забою внаслідок зниження температури при відборі газу. Велика площа пласту дозволить компенсувати природним геотермічним теплом холод від гідратів, що тануть.

Довідка ЧБ: Закон Дарсі (Анрі Дарсі, 1856) – закон фільтрації рідин і газів в пористому середовищі.  Закон Дарсі пов'язаний з декількома системами вимірів. Середовище з проникністю 1 Дарсі (Д) дозволяє протікати 1 см3/с рідини або газу з в'язкістю 1 сп (мПа•с) під градієнтом тиску 1 атм/см, що діє на площу 1 см2. 1 мілідарсі (мД) дорівнює 0,001 Дарсі.

Газогідрати вкрай чутливі до зміни температури. Якби вони залягали в товщі відкладень на глибині 250 метрів, то потепління дісталося б до них лише через 8 тисяч років. Але при глибині залягання всього у 60 метрів цей час дуже різко скорочується. В історії Землі вже мали місце катастрофічні викиди метану в атмосферу в результаті глобального потепління. Наприклад, це відбулося в кінці останнього льодовикового періоду.

Вченими широко обговорюється гіпотеза про можливе вивільнення метана гідрату при підвищенні температури через глобальне потепління – так звана гіпотеза «клатратної рушниці». Метан є парниковим газом, і виділення його викличе подальше потепління та, відповідно, ще більше вивільнення метану. Зупинити цей процес буде вже неможливо. Результат – раптове, таке, що розкручує само себе, глобальне потепління протягом терміну меншого, ніж тривалість людського життя. Можливо, таке несподіване танення газогідратів призводило до різких змін океану і атмосфери і в минулому. Найбільш помітне серед цих подій – масове «Пермське вимирання» близько 251 мільйона років тому. Тоді, можливо, всього за декілька років з нашої планети назавжди зникли 96% всіх морських видів, 70% наземних хребетних, 83% видів комах і навіть багато мікроорганізмів.

Недоліки видобутку природного газу з шару гідратів з використанням будь-якого з вищезгаданих методів полягають в тому, що вони матимуть негативні наслідки для самого шару гідратів і для довкілля. У шарі гідратів під морським дном можуть вже бути неоднорідності жорсткості осадових порід, які можуть бути викликані впливом гідратів на нормальне утворення осадових порід і ущільнення місцевих порід. До того ж газ, що скупчився під шаром гідратів, може знаходитися під високим тиском, і це призведе до різкого викиду газу. Такі неоднорідності несуть велику небезпеку для стабільності місцевого морського дна в разі початку видобутку газу з шару гідратів. Некероване розтопленння гідрату від будь-якого струсу може призвести до утворення газового міхура, об’єм якого більш ніж у 160 разів перевищить первинний об’єм гідрату. Саме вивільнення великої кількості газу викликало свого часу руйнування добувних платформ в Каспійському морі. Приклади порушення стабільності вже спостерігалися в районах залягання гідратів природного газу біля берегів Південної Кароліни (США). [11]

Таким чином, існуючі методи попередження техногенного гідратоутворення пов’язані з виникненням нових технологічних небезпек, для успішної боротьби з якими потрібна розробка ефективніших технологій промислової і заводської обробки природних газів. [12] Їх розробка містить в собі чимало небезпек екологічного характеру. Недавній інцидент в Мексиканській затоці свідчить, наскільки непередбачуваними можуть бути наслідки катастроф під час морського видобутку вуглеводнів навіть «традиційним» способом.

Ще одна проблема полягає в тому, що якщо пробурити свердловину, то відбудеться зменшення тиску в пласті кристаллогідрату, і рівновага, яка склалася за багато років, порушиться – почнеться виділення метану. Проте, небезпека починає зростати разом із зростанням об’єму дегазованого кристаллогідрату. Він стає нестійким – метастабільним. Перехід в стабільний стан призводить до виділення енергії, достатньої для значних перетворень в рельєфі місцевості. Окрім псування устаткування і загибелі людей, подібні катастрофи призводять до викидів метану в атмосферу, що збільшує вміст парникових газів в атмосфері. [13]

Екологічні проблеми в процесі освоєння – дисоціація природних газогідратів. При збільшенні глибин буріння, особливо морських свердловин, небезпека утворення техногенних гідратів істотно зростає в умовах можливого змішування газу, що надходить в свердловину, з водним середовищем або водною фазою різних за складом бурових розчинів. У наземних трубопровідних системах для руйнування пробок гідратів в циркуляційних системах створювалися великі перепади тиску. Вихід цих систем з ладу часто призводив до серйозних аварій і навіть до втрати свердловини. Ліквідація таких аварій – небезпечний захід, він вимагає великих матеріальних витрат і, як правило, супроводжується серйозним погіршенням екологічної ситуації на місці проведення робіт. Для попередження утворення техногенних гідратів застосовуються різноманітні хімічні, фізичні і технологічні методи, серед яких найширше використовуються хімічні реагенти, – інгібітори гідратоутворення, серед яких виняткове місце займає метанол. [14]

Таким чином, існуючі методи попередження техногенного гідратоутворення пов’язані з виникненням нових технологічних небезпек, для успішної боротьби з якими потрібна розробка більш ефективних технологій промислової і заводської обробки природних газів.

Буріння розвідувальних і експлуатаційних свердловин на родовищах природних газогідратів, як правило, супроводжується підвищеними газопроявами, викликаними плавленням гідратів (крижаних каркасів) і розпадом твердого газового гідрату на газ і воду. Навіть невеликі зміни тиску і температури ведуть до швидкої фазової трансформації водно-газової суміші, що викликає в замкнутому просторі (навколоствольна зона свердловини) різке підвищення тиску пласта, а в проникних або таких, що вільно переміщуються середовищах – інтенсивний газопрояв і навіть утворення газового міхура, об’єм якого може в десятки разів перевищувати первинний об’єм газових гідратів.

Розкладання гідратів в навколоствольному просторі свердловини істотно знижує міцність гірських порід, і це значною мірою ослабляє її конструкцію та герметичність. Їх запобігання і ліквідація вимагають додаткових витрат коштів і часу, супроводжуються погіршенням умов технічної і екологічної безпеки проведення робіт.

Проходка нафтових і газових свердловин через гідратовмісні шари під морським дном може викликати відтаювання гідратів і деформацію стволів свердловин, що підвищує ризик аварійних ситуацій на платформах. На небезпеку розвитку зсувів значний вплив спричиняють різні геологічні процеси: землетруси, вулканічна діяльність, пониження рівня Світового океану, підвищення температури і, нарешті, діяльність людини. Все це відбувається одночасно з дисоціацією газів при розкладанні скупчення гідратів в морських донних відкладеннях і може спровокувати виникнення і розвиток зсувів в шельфовій зоні. [15]

Експлуатація в районах поширення підводних газогідратних покладів, де є ухил морського дна, багата утвореннями підводних зсувів, які можуть знищити глибоководну добувну платформу. Прикладом наслідків втручання людини в світ природних гідратів слугують найбільші аварії в під час науково-дослідних експедицій. Так, наприклад, у 1989 році компанія “Сага петролеум АС” при бурінні свердловини на півночі Норвезького моря з цієї причини зазнала збитків у розмірі 90 млн. доларів. [16] Саме вивільнення великої кількості газу із скупчення газогідратів в морських донних осіданнях, на думку низки дослідників, призвело свого часу до руйнування добувних платформ в Північному і Каспійському морях. Ціла низка аномальних явищ на кшталт «Бермудського трикутника» також може бути пов’язана з дестабілізацією морських газогідратів. [17]

Природні газогідрати, розташовуючись в приповерхневій геосфері, на відміну від інших ресурсів, вкрай чутливі до змін зовнішніх параметрів середовища, ініціатором яких, окрім всіляких природних чинників, стає діяльність людини. Освоєння газогідратних ресурсів, як і інших складних природних комплексів, вимагає проведення значного обсягу дослідницьких робіт, комплексного підходу до освоюваної. Особливий інтерес представляють ідеї про поховання парникових і токсичних газів у формі газогідратів на дні Світового океану з метою оздоровлення екологічної ситуації на Землі. [18]

Висновки

Питання енергозабезпечення завжди буде гостро стояти перед Україною, і пошук нових енергоносіїв є нагально важливим. Продовження досліджень у сфері розробки технології видобутку газогідратів дасть змогу в майбутньому розраховувати на видобуток цього природного ресурсу як з дна Чорного моря, так і у Світовому океані (згідно Міжнародних конвенцій, країни, що володіють технологіями розробки ресурсів Світового океану, мають першочергове право на їхній видобуток).

У Чорному морі є приблизно 15 місць багатих на газогідрати, на їхню розробку з часом зможе претендувати низка країн Чорноморського регіону (у першу чергу Росія, Туреччина, Румунія). Саме тому Україна вже зараз повинна дбати про свою пріоритетність щодо розробки і впровадження сучасної економічно виваженої технології видобутку метану з газогідратів і правове закріплення за нею обширної економічної зони у Чорному морі.

Фахівці НАН України займаються детальними геофізичними дослідженнями найбільш перспективних ділянок газогідратів. В майбутньому розробка родовищ газогідратів може бути не менш рентабельна, ніж розробка великих родовищ вільного газу. Це вимагатиме будівництва підводних платформ, з яких потім можна буде перекачувати газ по трубах на спеціальні танкери. Собівартість видобутку метану з газогідратів у Чорному морі може становити не більш ніж 54 долари за 1000 м3 палива. Однак необхідна комплексна економіко-екологічна експертиза проекту і неприпустимість застосування технологій, які могли б завдати шкоди екології Чорного моря.

Для подальшого вивчення проблеми і практичної реалізації проекту необхідно:

• надання юридичним і фізичним особам субсидій, дотацій, податкових, кредитних та інших пільг, встановлених відповідними законами України для стимулювання розробок і впровадження новітніх технологій, обладнання, матеріалів у процесі виробництва (видобутку) альтернативних видів палива;
• стимулювання підприємств, які виготовляють машини, механізми, прилади, енергетичні установки, інші технічні засоби та пристрої, необхідні для дослідження та видобутку газогідратів;
• стимулювання інвестиційної діяльності і запровадження новітніх технологій у сфері альтернативних видів палива шляхом створення пільгового режиму інвестиційної та іншої господарської діяльності іноземним інвесторам;
• надання відповідно до Закону спеціальних державних гарантій захисту іноземних інвестицій, спрямованих на розвиток сфери альтернативних видів палива;
• розробка ефективних способів дослідження запасів гідрата метану, які ймовірно знаходяться під морським дном на глибині від 800 до 3000 метрів;
• чітке визначення, де і як ці запаси можна буде видобувати;
• визначення екологічного ризику, пов’язаного із видобутком і споживанням ресурсу;
• розробка технологій транспортування природного газу в стані газогідрату.

Необхідно уточнити реальні запаси метану, створити спеціалізовану державну структуру для його пошуку та видобутку, залучити до вивчення цієї проблеми інститути НАН України, галузеві, наукові установи та вищі навчальні заклади. Для цього потрібні ґрунтовні дослідження природи утворення метаногідратів і можливості видобутку їх із застосуванням екологічно чистих технологій, без порушення біосфери моря. Рано чи пізно Україна змушена буде повернутися до цієї  нагальної проблеми. Однак на той час має бути створений надійний фундамент, закладати який слід уже сьогодні.

Видобуток газогідрату метану є реальним і корисним для людства, оскільки зменшує вірогідність його неконтрольованого природного вивільнення в атмосферу і суттєвого посилення парникового ефекту. Україні необхідно сформувати потужний колектив фахівців різного профілю з відповідним фінансуванням, тоді є надія отримати через 10-15 років необхідну для народного господарства енергетичну сировину.

Джерела інформації:

1. Басниев К.С. Природные газогидратные ресурсы, проблемы, перспективы. - Вып. 28 - М.: Нефть и газ, 2003. - 20 с.
2. Родіонова Т.В., Солдатов Д.В., Дядін Ю.А. Газові гідрати в екосистемі Землі//Хімія на користь стійкого розвитку, 1998, т.6, №1.- С.51-74.
3. Розповсюдження гідрату метану у Світовому океані // ru.wikipedia.org/wiki/Гидрат_метана - 39k
4. Makogon, Y.F., Holditch, S.A., Makogon T.Y. Russian field illustrates gas hydrate production // Oil&Gas Journal, Feb.7, 2005, vol. 103.5, pp. 43-47.
5. Макогон Ю.Ф. Природные гидраты: открытие и перспективы // Газовая промышленность, 2001, № 5.- С.10-16.
6. Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Рос. хим. ж. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2003, т. XLVII, № 3.- С. 70-79.
7. Истомин А.Н., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. - М.: ООО «ИРЦ ГАЗПРОМ», 2004.
8. Соловьов В.А. Газогідратоносність надр Світового океану // Газова промисловість, 2001 р., №12.
9. Істомін В.А., Якушев В.С. Газові гідрати в природних умовах. - М.: Надра, 1992. - 236 с.
10. Гройсман А.Г. Теплофізичні властивості газових гідратів. Новосибірськ: Наука, 1985. - 94 с.
11. Соловьов В.А. Газогідратоносність надр Світового океану // Газова промисловість, 2001 р., №12.
12. Истомин А.Н., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. - М.: ООО «ИРЦ ГАЗПРОМ», 2004.
13. Михайлюк О.Л. Стан і перспективи використання ресурсів гідрату метану зони Чорного моря Збірник матеріалів науково-практичної конференції «Проблеми соц.-економ. розвитку Укр. Причорномор’я в умовах фінан.-економ. кризи, Одеса, 3 березня 2009 р., - С. 151-160.
14. Чистяков В.К. Геотехнологические опасности при поисках, разведке и эксплуатации месторождений природных газовых гидратов // Геология и полезные ископаемые Мирового океана, № 103, 2008.
15. Katsube, T.J. Jonasson, I.R. Uchida, T. and Connell-Madore, S., 2004, Possible seal mechanisms in shallow sediments: and their implication for gas-hydrate accumulation: In Proceedings of AAPG HEDBERG CONFERENCE “Gas Hydrates: Energy Resource Potential and Associated Geologic Hazards” (Ed: T. Collette and A. Johnson), September 12-16, 2004, Vancouver, BC, Canada, 4p.
16. Дядин Ю.А., Гущин А.Л. Газовые гидраты // Соровский образовательный журнал. 1998, № 3.- С. 55-64.
17. Katsube, T.J. Jonasson, I.R. Uchida, T. and Connell-Madore, S., 2004, Possible seal mechanisms in shallow sediments: and their implication for gas-hydrate accumulation: In Proceedings of AAPG HEDBERG CONFERENCE “Gas Hydrates: Energy Resource Potential and Associated Geologic Hazards” (Ed: T. Collette and A. Johnson), September 12-16, 2004, Vancouver, BC, Canada, 4p.
18. Смірнов Л.Ф. Технологічне використання газових гідратів. «Природні і техногенні газові гідрати». Сб. наукових праць. - М.: ВНІЇГАЗ, 1990. - С.127-166.