«Горящий лед»: что такое газовые гидраты и как они могут изменить наше будущее

В конце лета в поселке Листвянка у озера Байкал состоялась первая Всероссийская газогидратная конференция. Одна из целей мероприятия — объединить специалистов различных областей науки, исследующих газовые гидраты. Так называют кристаллические соединения воды и газа. В чем их особенность, каково их практическое применение и почему они заинтересовали ученых — разбираемся в нашем материале.

Твердый газ

Горючий газ в природных условиях может находиться в свободном состоянии, быть растворенным в воде, сорбированным или даже твердым — в виде газогидрата. Это относительно новый, но весьма ресурсоемкий и перспективный источник природного газа. Газовые гидраты представляют собой соединения, в которых молекулы газа, главным образом метана, «упакованы» в ячейки кристаллической решетки, состоящие из молекул воды, идентичных по структуре с обычным льдом.

В природе их можно встретить в зонах вечной мерзлоты на суше и шельфе арктических морей, а также в глубоководных осадках морей и океанов у подводных континентальных склонов.
Внешне эти необычные структуры напоминают лед или спрессованный снег, который можно поджечь, наблюдая эффектное горение газогидрата. Из-за этого их называют «горящим льдом». Особенность газогидратов в том, что они содержат огромные объемы газа, а также значительное количество воды. В одном кубическом метре гидрата может содержаться до 164 кубометров метана.

По мнению экспертов, эти ресурсы как минимум в два раза превышают объем газа в традиционных морских месторождениях.

Топливо будущего или источник опасностей

Одно из основных преимуществ газовых гидратов — их компактная форма. Поскольку они содержат большие объемы метана в твердом состоянии, эти структуры могут быть использованы в народном хозяйстве как источник горючего газа. Это одна из причин, по которой газовые гидраты рассматриваются как топливо будущего, рассказывает кандидат геолого-минералогических наук, ученый секретарь Всероссийского научно-исследовательского института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика И. С. Грамберга Татьяна Матвеева. Оценки ресурсов «горящего льда» разнятся. На сегодня в Мировом океане известны сотни скоплений газогидратов, включая прибрежные воды США, Канады, Гватемалы, Мексики, Японии, Южной Кореи, Индии и Китая. Известны такие скопления и в арктической мерзлоте, отмечает эксперт.

В российских морях выявлено более 200 скоплений газогидратов. Они обнаружены почти во всех внутренних и окраинных морях России (за исключением мелководных Балтийского и Азовского морей). Крупнейшие из них находятся в Охотском, Черном и Беринговом морях, а также на шельфе моря Лаптевых.

В 2000 году скопления газогидратов были обнаружены на Байкале. Это единственный в мире пресноводный водоем, в отложениях которого образуются эти соединения. На данный момент известно о 63 районах озера, где можно встретить газогидраты. По расчетам ученых, они должны присутствовать также на суше, в зоне вечной мерзлоты в Западной Сибири, и в подводной мерзлоте Восточной Арктики.

Еще одно преимущество газовых гидратов — их доступность. Крупные скопления обычно располагаются на глубинах 100–1000 метров под морским дном. То есть они находятся гораздо ближе к поверхности, чем традиционные нефтегазовые месторождения, для добычи которых требуется бурение скважин глубиной более четырех километров. С одной стороны, это облегчает поиск и разработку «горящего льда». С другой — для массовой добычи необходимо решить ряд технологических проблем, считает Татьяна Матвеева.

Трудности освоения

Какие же здесь могут возникнуть трудности? Во-первых, это довольно неустойчивые соединения. Гидрат метана при атмосферном давлении может быть стабильным только при сильном морозе и быстро разлагается на газ и воду даже при нулевой температуре. Поэтому, чтобы изучить, например, физические свойства природных газогидратов, нужны особые технологии, позволяющие сохранить их в первоначальном виде после извлечения из недр.

Отсюда вытекает другая задача, связанная с оборудованием для отбора проб. Такие устройства уникальны, а для их производства требуются современные технологии. Чтобы развивать это направление, необходимо наладить разработку специализированной техники для предприятий и исследователей, занимающихся изучением этих соединений.

Проблема с газогидратами есть и на суше. Такие соединения могут образовываться при перекачке другого природного газа, закупоривая трубопроводы и мешая его добыче. Решить ее можно с помощью специальных добавок — ингибиторов, которые препятствуют формированию техногенных газогидратов. Однако для этих целей чаще всего используют метиловый спирт, который расходуется в больших количествах и наносит вред окружающей среде. Поэтому ученые продолжают искать альтернативные подходы.

Это не единственный экологический вызов. Самыми распространенными в природе считаются метановые гидраты. Наряду с углекислым газом метан входит в число наиболее активных парниковых газов. Неконтролируемые выбросы метана при нарушении стабильности скоплений глубоководных газовых гидратов могут усилить парниковый эффект. Кроме того, разработка подводных месторождений традиционного газа может осложняться выбросами газа из газогидратов, которые обычно располагаются над такими залежами. Разложение гидратов на газ и воду может привести к изменению рельефа морского дна, оползням, выбросам газа и воды, а иногда даже взрывам.

«С другой стороны, феномен газовых гидратов может помочь решить технологические вопросы, важные для „зеленой“ повестки, в том числе захоронение углекислого газа в природных метановых залежах. Существуют зарубежные проекты по захоронению или, иначе говоря, секвестрации CO₂, который также может образовывать гидраты, замещая метановые гидраты. В целом, исследование этих веществ и понимание, где и в каких условиях они образуются, позволит избежать рисков и антропогенных угроз», — добавляет Татьяна Матвеева.

Объединяя специалистов

Сегодня изучением природных и синтетических газогидратов занимаются порядка 40 научных организаций, в том числе ФГБУ «ВНИИОкеангеология», Лимнологический институт СО РАН, Сколтех, Якутский научный центр СО РАН. По словам Татьяны Матвеевой, прошедшая недавно Первая Всероссийская газогидратная конференция позволила объединить специалистов со всей страны.

«География институтов, изучающих газовые гидраты, довольно широка, поэтому нам редко удается встретиться и поделиться опытом с коллегами. Подобные мероприятия помогают наладить коммуникацию и выработать общие подходы», — говорит эксперт.

Несмотря на завершение конференции, в ближайшем будущем, вероятно, мы услышим о новых исследованиях в этой области. Направление будет развиваться благодаря создаваемому Российскому газогидратному обществу. В него войдут ученые, профильные специалисты, представители добывающих компаний и государственных структур. Помимо обсуждения актуальных проблем и поиска решений, участники займутся разработкой предложений для формирования национальной программы по газовым гидратам.

«Это будет объединение со своим уставом и инициативной группой. Мы приложим все усилия, чтобы в будущем рационально использовать так называемое топливо третьего тысячелетия. Кроме того, необходимо учесть все антропогенные и природные угрозы при дестабилизации газовых гидратов и выделении большого количества газа в атмосферу и гидросферу», — подчеркивает эксперт.

Требуются геологи-гидратчики

Еще одна задача, которую поставили перед собой участники сообщества, связана с популяризацией и подготовкой научных кадров. Несмотря на вышеперечисленные перспективы, это направление пока не столь известно, что замедляет его развитие в геологической и других отраслях. Однако узкой эту сферу не назовешь. Газовые гидраты — это уникальный феномен, затрагивающий физику, химию, математику, экологию, нефтегазовую геологию, геохимию и океанологию.

«К сожалению, гидратных геологов в вузах пока не готовят. В институте мы растим молодую смену на практике. Эта тема тесно связана с другим перспективным направлением — нефтегазовой геологией. Поэтому хочется верить, что в дальнейшем удастся привлечь новых специалистов и создать соответствующие образовательные программы. Нам нужно подготовить базу для будущих поколений: понять, где, когда и в каком объеме образуются газовые гидраты и как мы сможем их использовать в случае истощения других природных ресурсов, таких как нефть и газ», — делится Татьяна Матвеева.

Конечно, с учетом богатства углеводородных ресурсов в нашей стране, широкомасштабная разработка газогидратных скоплений в ближайшее время вряд ли начнется. Однако эксперты уверены: ситуация на мировом газовом рынке может измениться. Основными пользователями газогидратных ресурсов станут Китай, Индия и Япония.

«В России технологические прорывы в этой области могут помочь обеспечить природным газом дальневосточные регионы и отдаленные районы Крайнего Севера, например. Наработки уже есть. Мы постараемся сделать так, чтобы газогидратная тематика в нашей стране заняла достойное место в научной и технологической сферах, как и в других мировых державах», — заключает Татьяна Матвеева.

Анна Шиховец