Актуальность газогидратной тематики обусловлена тем, что в настоящее время потребление всех видов ресурсов (в том числе и энергетических) растет экспоненциально (табл. 1).

Таблица 1. Потребление энергии на одного человек (ккал/сут)

Первоначально (примерно 500000 лет назад) человек использовал только мускульную энергию. В дальнейшем (несколько тысяч лет назад) он перешел на древесину и органические вещества. 100 лет назад центр тяжести энергопотребления сместился в сторону угля. 70 лет назад - в сторону угля и нефти. А последние 35 лет этот центр тяжести оказался прочно связан с триадой "уголь – нефть - газ" [1-3].

По имеющимся прогнозам (табл. 2), несмотря на все продолжающееся развитие исследований по эффективному использованию альтернативных источников энергии (солнечной, ветровой, приливной и геотермальной), углеводородные виды топлива по-прежнему сохранят и, в обозримом будущем, даже существенно увеличат свою и так значительную роль в энергетическом балансе человечества. Современный мировой энергетический рынок характеризуется следующими показателями.

Разведанные запасы по состоянию на конец 2008 г. составляли: нефть – 169 млрд.т, газ

• 177 трлн. м3, уголь – 848 млрд.т. При этом общее содержание метана в газогидратных залежах на два порядка превышает его суммарный объем в традиционных извлекаемых запасах, оцениваемых в 250 трлн. м3 (рис. 1).

Таблица 2. Вклад различных источников энергии в мировой энергобаланс (%)

Иначе говоря, гидраты могут содержать 10 трлн. т углерода, т.е. в два раза больше, чем вместе взятые мировые запасы угля, нефти и обычного природного газа.

Рис. 1. Содержание углерода в известных мировых запасах углеводородов:

Общемировое производство нефти в 2007 г. составило 3906 млн. т, продуктов нефтепереработки – 3762 млн.т., угля – 3136 млн.т н.э., газа – 2940 млрд.м3. При этом энергопотребление (primary energy) в мире равнялось 11099 млн.т н.э.: включая 3953 млн. т нефти, 3178 млн.т н.э. угля, 2922 млрд. м3 (2638 млн.т. н.э.) газа, 709 млн.т н.э. гидроэнергии и 622 млн.т н.э. атомной энергии.

Что касается прогноза мирового потребления энергии на 2020 г., то согласно оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), ее совокупное потребление составит 13300-14400 млн.т н.э.: нефти – 4600-5100 млн.т н.э., газа – 3600-3800 млрд. м3 (3250-3450 млн.т н.э.), угля – 2700- 3200 млн.т н.э., атомной энергии - 780-820 млн.т н.э. и гидроэнергии – 320 млн.т н.э[4-7]. Одной из основных проблем современной энергетики является неизбежное сокращение в средне- и долгосрочной перспективе запасов основных традиционных ее источников получения (в первую очередь, нефти и газа).

При этом продуктивность разрабатываемых месторождений углеводородов неуклонно снижается, новые крупные месторождения открываются все реже, а использование угля наносит существенный ущерб окружающей среде.

Поэтому и приходится разрабатывать труднодоступные залежи нефти и газа в суровых природно-климатических условиях, на больших глубинах и, кроме того, обращаться к неконвенциональным углеводородам (нефтяные пески и горючие сланцы). Все это, значительно увеличивая стоимость получаемой энергии, так и не решает окончательно существующую проблему.

В связи с имеющейся ограниченностью и невосполнимостью традиционных ресурсов природного (горючего) газа, а также с растущим в XXI в. спросом на этот энергоноситель, человечество вынуждено обратить внимание на его значительные ресурсы, заключенные в нетрадиционных источниках, прежде всего, природных газовых гидратах.

Согласно современным геологическим данным в донных осадках морей и океанов в виде твердых газогидратных отложений находятся огромные запасы углеводородного газа. Так, потенциальные запасы метана в газогидратах оцениваются величиной 2? 1016 м3 [8-11]. Однако, газовые гидраты являются единственным все еще не разрабатываемым источником природного газа на Земле, который может составить реальную конкуренцию традиционным углеводородам: в силу наличия огромных ресурсов, широкого распространения на планете, неглубокого залегания и весьма концентрированного состояния (1 м3 природного метан-гидрата содержит около 164 м3 метана в газовой фазе и 0,87 м3 воды).

Газогидраты были обнаружены в осадочной колонке, отобранной на периферии конуса выноса р. Дунай, при глубине воды 1950 м и были описаны, как «маленькие, белые, быстро исчезающие кристаллы», найденные в больших газовых кавернах, образовавшихся в осадках на глубине 6,4 м ниже морского дна. Следует отметить, что позднее образец газогидрата был отобран и в восточной части конуса выноса р. Дунай (рейс НИС «Академик Вернадский», 1992 г.). В 1998 г. во время 21-го рейса НИС «Евпатория» в акватории к югу от Крыма на грязевом вулкане Феодосия были отобраны семь грунтовых трубок, содержащие газогидраты.

Станции располагались на небольшом участке дна диаметром 100 м при глубине моря около 2050 м. В шести пробах гидраты содержались в глинистых осадках, в седьмой были подняты брекчии грязевого вулкана, которые содержали образец монокристалла гидрата длиной 10 см.

Эти находки газовых гидратов относятся к интервалу глубин от 0,4 до 2,2 м ниже дна. По визуальным оценкам содержание газогидратов составляло от 3 до 10 % от общего объема осадков. В ряде последующих морских экспедиций, проведенных МГУ на НИС «Феодосия» (1988-1989 гг.) и «Геленджик» (1993-1994 гг.), также были найдены газовые гидраты - в районе грязевых вулканов, которые расположены на центральной абиссальной равнине Черного моря. Позднее (в 1996 г.) были описаны находки метановых гидратов в Феодосийском районе грязевого вулканизма (прогиб Сорокина). Все образцы газовых гидратов содержались в грязевых брекчиях и были отобраны на вершинах грязевых вулканов на глубинах от 0,6 до 2,85 м ниже дна. В последующем газогидраты были найдены в Атлантическом и Тихом океане, в Охотском и Каспийском морях, на Байкале и т.д [12-13]. Эти, хотя зачастую разрозненные и не всегда планомерные, исследования ученых различных стран в прилегающих акваториях (Атлантический и Тихий океан, Черное, Каспийское, Охотское, Баренцовое и Северное море, Мексиканский залив и т.д.), проведенные в последние два десятилетия, позволили сделать обоснованный вывод о практически повсеместном наличии крупных скоплений аквальных залежей газогидратов, из которых можно будет извлечь в промышленных масштабах метан.

В частности, по прогнозным оценкам российских ученых Г.Д. Гинзбурга (1994 г.) и В.А. Соловьева (2002 г.), общее количество метана в аквальных залежах газогидратов оценивается в 2х1010 м3, т.е. его объемы на порядок превышают запасы углеводородов в традиционных месторождениях. К настоящему времени установлено, что около 98 % залежей газогидратов являются аквамаринными и сосредоточены на шельфе и континентальном склоне Мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Северной Азии, Норвегии, Японии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях), на глубинах воды более 200-700 м, и только всего 2% – в приполярных частях материков (рис. 2). Сегодня установлено свыше 220 залежей газогидратов. Самые крупные из (залежей) месторождений газогидратов:

а. Глубоководные залежи:

• 1. Глубоководная впадина близ побережья Коста-Рики — одно из крупнейших месторождений в мире. Метановый лед на дне Тихого океана плотно спаян с вулканическим пеплом. Глубина залегания — 3100-3400 м.
  2. Центральноамериканский глубоководный желоб (Гватемала). Тихий океан. Глубина залегания гидратов — 2100-2700 м.
  3. Мексиканский район центральноамериканского глубоководного желоба. Тихий океан. Здесь сразу три месторождения: Mexico-1 (глубина — 1950 м), Mexico-2 (3100 м) и Mexico-3 (2200 м).

Рис. 2. Известные и перспективные залежи (месторождения) гидрата метана

• 1. 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.
  2. Тихоокеанская впадина, Орегон (США). Тихий океан. Глубина залегания — 2400 м.
  3. Шельф Сахалина, Охотское море (Россия). В районе восточного побережья острова — в глубинных разломах — сосредоточены самые большие разведанные запасы газогидратов — более 50 месторождений.
  4. 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.м3. Глубина залегания — 3500 м.
  5. Побережье Японии. В Стране восходящего солнца газогидратами начали заниматься в 1995 году, когда была принята национальная программа по исследованию и освоению этих месторождений. К 2004 г. геофизики у побережья Японских островов нашли более 18 месторождений.

Желоб Нанкай в Японском море — одно из самых первых разведанных месторождений газогидратов в мире, расположенное на глубине свыше 600 м. Здесь, во впадине Нанкай (расположенной всего на 60 км от берегов Японии параллельно японскому архипелагу с глубиной моря в районе работы судна равной 950 м), между полуостровом Кий и Сикоку (рис. 3), с 1995 по 2000 г. были проведены фундаментальные исследования по поиску гидрата метана.

Рис. 3. Зона аквальных залежей метана около Японского архипелага

Проведенные ультразвуковые исследования показали, что под морем вокруг Японии прогнозируемые запасы метана в гидратах могут составлять от 4 до 20 трлн. м3. Промышленную разработку месторождения предполагается начать в 2017 г.

• Глубоководная Перуанская впадина, Тихий океан. Здесь газогидраты расположены на глубине свыше 6000 м, протяженность месторождения превышает 1500 км.

б. Шельфовые залежи:

1 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.

1. Наиболее известная аквальная газогидратная залежь расположена в районе Блейк Ридж к востоку от морской границы США, в зоне океанической гряды Блейка, у атлантического побережья США. Здесь в виде единого протяженного поля на глубине 1,5-3,5 км залегает около 30 трлн.м3 метана. Глубина залегания — 400 м, мощность гидратоносного слоя — 200 м.
2. Грязевой подводный вулкан Хакон Мосби (Норвегия). Северный Ледовитый океан. Газогидраты, обнаруженные еще в 1990 г., залегают на глубине 250-1000 м.
3. Шельф дельты Нигера (Нигерия) в Атлантическом океане — самый богатый нефтью регион в Африке. Его еще называют страной нефтяных рек.

в. Континентальные залежи:

1. На дне Черного моря есть около 15 месторождений газогидратов. Прогнозируемый объем –20-25 трлн.м3. Более точный расчет выполнен для двух наиболее перспективных участков – Центрального и Восточного (рис. 4), площадь которых составляет соответственно 60,6 и 48,5 тыс. км2.

Рис. 4. Карта перспектив газоносности зоны гидратообразования черноморской впадины:

Зоны: 1 – высокоперспективные, 2 – перспективные, 3 – малоперспективные, 4 – бесперспективные (источник: Геологический журнал № 5, 1991)

Ресурсы метана в аквальных залежах газогидратов только акваториях, прилегающих к Крыму, оцениваются в 20-25 трлн. м?. Общее количество метана во всем Черном море шельфа СССР по оценкам экспедиций МинГео АН СССР и Минвузов СССР (1988-1989 гг.) по результатам разбуривания и подъема образцов грунта морского дна более, чем в 400-х кернах, - не менее 100 трлн. м?.

Основная масса газогидратов в Черноморском регионе приходится на Украину и Румынию, в меньшем объеме приходится на Турцию, Болгарию и Россию, месторождения есть в Абхазии, Казахстане.

1. Каспийское море - здесь месторождения газогидратов обнаружены на наименьшей глубине в 300-480 м.
2. Озеро Байкал (Россия). О существовании газовых гидратов на дне Байкала на основе косвенных данных было известно еще с 90-х годов. В 2001 г. во время реализации международного проекта "Байкал-бурение" газовые гидраты были впервые обнаружены в поверхностном слое донных отложений, а в прошлом году были найдены крупнейшие газогидратные поля в районе подводного грязевого вулкана Санкт-Петербург.
3. 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.
4. Побережье района Кула (Турция), Средиземное море. Здесь газогидраты формируются при участии многочисленных грязевых вулканов.

г. Арктические залежи:

1. Район у дельты Маккензи (Канада), Северный Ледовитый океан. Самое северное из всех разведанных месторождений. Объем газогидратов уточняется.

Газогидратные месторождения в России распространены на северо-западе ее европейской части, а также в Сибири и на Дальнем Востоке - на площади 2,4 млн. км2. Зоны гидратообразования в морях, омывающих территорию Россию, распространены на площади 3-3,5 млн. км2.

При оценке ресурсов метана в гидратсодержащих осадках Охотского моря площадь протяженности гидратосодержащей зоны оценивается в 100 тыс. км2, а ее мощность – в среднем в 200 м. Согласно формуле Д. Лаберга, запасы метана (при коэффициенте содержания 0,1) составляют более 2 1012 м 3 .

Установлено, что основная часть гидратов сосредоточена на материковых окраинах, где глубина вод составляет примерно 500 м. В этих районах вода выносит органический материал и содержит питательные вещества для бактерий, в результате жизнедеятельности которых выделяется метан.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белослудов В.П., Дядин Ю.А., Лаврентьев М.Ю. Теоретические модели клатратообразования. Новосибирск: Наука. 1991. 128 с.
2. Васильев А., Димитров Л. Оценка пространственного распределения и запасов газогидратов в Черном море // Геология и геофизика №7. т. 43. 2002.
3. Воробьев А.Е., Малюков В.П. Газовые гидраты. Технологии воздействия на нетрадиционные углеводороды: Учебное пособие. Гриф УМО по образованию в области прикладной геологии. – М.: Изд-во РУДН, 2007. – 273 с.
4. Воробьев А.Е., Малюков В.П. Инновационные технологии освоения месторождений газовых гидратов: Учеб. пособие. – 2-е изд., испр. доп. – М.: РУДН, 2009. – 289 с. (ISBN 978-5-209-03107-9).
5. Воробьев А.Е., Малюков В.П., Рыгзынов Ч.Ц. Осложнения при гидратопроявлениях в акваториях Баренцового моря и озера Байкал. М., РУДН. 2010. 189 с.
6. Воробьев А.Е., Метакса Г.П., Молдабаева Г.Ж., Чекушина Е.В., Байлагасова И.Л. Геотермические особенности акваторий в образовании и разрушении газогидратных залежей. Алматы (Казахстан). ИГД им. Д.А. Кунаева. 2011. 135 с. ISBN 978-601-7093-14-3
7. Воробьев А.Е., Молдабаева Г.Ж., Чекушина Е.В., Байлагасова И.Л. Приборное оснащение и методическое сопровождение исследований газогидратов и их залежей. Алматы (Казахстан). ИГД им. Д.А. Кунаева. 2010. 57 с.
8. Воробьев А.Е., Нифадьев В.И., Чекушина Е.В. Поиск, разведка и экологически безопасное освоение газогидратов озер Байкал, Телецкое (Россия) и Иссык-куль (Кыргызстан). Бишкек. КРСУ. 2010. 172 с. (ISBN 978- 9967-05-719-7)
9. Выхристюк Л.А. Органическое вещество донных осадков Байкала. Новосибирск: Наука. 1980. 80 с.
10. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. СПб. ВНИИокеангеологии. 1994. 199 с.
11. Гройсман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. Новосибирск: Наука. 1985. - 94 с.
12. Дмитриевский А.Н., Баланюк И.Е. Газогидраты морей и океанов – источник углеводородов будущего. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2006. – 287 с.
13. Дмитриевский А.Н., Казьмин В.Г., Баланюк И.Е., Каракин А.В. Газовое дыхание Черноморской впадины // Газовая промышленность N 4, 2000.