Гидрат метана

Гидрат метана (формула CH₄·5.75H₂O или 4CH₄·23H₂O), или метангидрат — супрамолекулярное соединение метана с водой, устойчив при низких температурах и повышенных давлениях. Это наиболее широко распространённый в природе газовый гидрат — его запасы оцениваются в 10¹⁶ кг, что на два порядка превышает мировые запасы нефти.

Горение гидрата метана

В 40-е годы советские учёные ((Стрижов), Мохнаткин, (Черский)) высказывали гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне (многолетней мерзлоты). В 60-е годы были обнаружены первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива. Постепенно выяснилось их широкое распространение в океанах и нестабильность при повышении температуры.

Сейчас природные газовые гидраты привлекают к себе особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также как участник изменений климата (см. (Гипотеза о метангидратном ружье)).

Свойства гидратов

Газовые гидраты внешне напоминают спрессованный снег, могут гореть, легко распадаются на воду и газ при повышении температуры. Благодаря своей (клатратной) структуре газовый гидрат объёмом 1 м³ может содержать до 160—180 (н.м³) чистого газа. Данный показатель сравним с некоторыми перспективными видами объёмно-детонирующих взрывчатых веществ.

Гидрат метана в природе

Большинство природных газов (CH₄, C₂H₆, C₃H₈, CO₂, N₂, H₂S, (изобутан), и т. п.) образуют (гидраты), которые существуют при определённых термобарических условиях. Область их существования приурочена к морским донным осадкам и к областям (многолетнемёрзлых) пород. Преобладающими природными газовыми гидратами являются гидраты метана и диоксида углерода.

Фазовая диаграмма и поле устойчивости гидрата метана в морях и на континентах. В море диапазон устойчивости гидрата метана определяется температурой воды в придонном слое и (геотермическим градиентом). Температура воды у дна в северных морях составляет +4 °C. Ниже, в осадочных породах она нарастает в соответствии с геотермическим градиентом, при некоторой температуре гидрат метана становится неустойчив и распадается на воду и метан. Аналогичная картина наблюдается на континентах, но глубина распада гидратов на них зависит от глубины развития (вечной мерзлоты).

Распространение гидрата метана в морях

Распространение гидрата метана в морях и на континентах.

Как следует из фазовой диаграммы гидрата метана, для его образования требуются низкие температуры и относительно высокое давление и чем больше давление, тем выше температура, при которой гидрат метана устойчив. Так, при 0 °C он стабилен при давлении порядка 25 бар и выше. Такое давление достигается, например, в океане на глубине около 250 м. При атмосферном давлении для устойчивости гидрата метана нужна температура около −80 °C. Однако, метангидраты всё же могут довольно долго существовать в условиях низких давлений и при более высокой температуре, но обязательно отрицательной — в этом случае они находятся в метастабильном состоянии, их существование обеспечивает эффект самоконсервации — при разложении метангидраты покрываются ледяной коркой, что мешает дальнейшему разложению.

При увеличении мощности осадков в море и погружении или уменьшении мощности мерзлоты, гидрат метана распадется и на небольшой глубине образуется газовый резервуар, из которого газ может прорваться на поверхность. Такие выбросы действительно наблюдаются в тундре и иногда в морях.

Катастрофический распад гидрата метана считается причиной (Поздне-палеоценового термального максимума), геологического события, на границе палеоцена и эоцена, приведшего к вымиранию многих видов животных, изменению климата и (седиментации)^[].

Гипотеза о пропаже кораблей в Бермудском треугольнике

Процесс прорыва метана из морских залежей газовых гидратов был привлечён для объяснения исчезновения кораблей в (Бермудском треугольнике) и некоторых других местах. Гипотеза заключается в том, что при подъёме метана к поверхности вода насыщается пузырьками газа и плотность смеси резко падает, в результате корабль теряет плавучесть и тонет. Есть предположение, что поднявшись в воздух, метан может вызвать также крушение самолётов — например, из-за понижения плотности воздуха, которое приводит к снижению подъёмной силы и искажению показаний альтиметров. Кроме того, метан в воздухе может привести к остановке двигателей или взрыву.

Экспериментальным путём была действительно подтверждена возможность достаточно быстрого (в пределах десятков секунд) затопления судна, оказавшегося на границе выброса газа в случае, если газ выделяется одним пузырём, размер которого больше или равен длине судна. Однако остаётся открытым вопрос о таких выделениях газа. Кроме того, гидрат метана находится и в других местах в мировом океане, где не было зафиксировано массовых случаев пропажи кораблей.

Коммерческая добыча газа из гидратных залежей

В августе 2006 года было объявлено, что китайские бизнесмены инвестируют 800 млн юаней (100 млн долларов) в течение следующих 10 лет для изучения возможности добычи газа из гидратных залежей. (Бергенский университет) (Норвегия) разработал методику внедрения CO₂ в отложения гидратов с последующим извлечением CH₄. 12 марта 2013 года (ConocoPhillips) совместно с Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) объявили об удачном применении данного метода недалеко от Японии.

В мае 2017 года Япония и Китай объявили о прорыве в вопросе добычи газа из залежей гидрата. Однако консенсус нефтегазовой индустрии заключается в том, что до промышленной добычи гидратов пройдут годы.

Гидраты при добыче природного газа

При добыче и транспортировке природного газа в газообразной форме гидраты могут образовываться в стволах скважин, промысловых коммуникациях и магистральных газопроводах. Отлагаясь на стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность. Для борьбы с образованием гидратов на газовых промыслах вводят в скважины и трубопроводы различные ингибиторы ((метиловый спирт), (гликоли), 30%-ный раствор CaCl₂), а также поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляции трубопроводов и подбора режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективна газоосушка — очистка газа от паров воды.

См. также

• Газовые гидраты

Примечания

1. Подводное торнадо: микроюбилей открытия  (неопр.). Дата обращения: 23 мая 2019. 1 июля 2019 года.
2. Agreements to boost bilateral ties  (неопр.). www.chinadaily.com.cn. Дата обращения: 19 февраля 2018. 20 февраля 2018 года.
3. "Japan taps gas from methane hydrate". BBC News (англ.). 2013-03-12. 26 августа 2017. Дата обращения: 19 февраля 2018.
4. Tabuchi, Hiroko (2013-03-12). "An Energy Coup for Japan: 'Flammable Ice'". The New York Times (англ.). 1 октября 2019. Дата обращения: 19 февраля 2018.
5. "China claims breakthrough in 'flammable ice'". BBC News (англ.). 2017-05-19. 29 января 2018. Дата обращения: 19 февраля 2018.
6. "China and Japan find way to extract 'combustible ice' from seafloor, harnessing a legendary frozen fossil fuel". National Post (англ.). 2017-05-19. Дата обращения: 19 февраля 2018.

Литература

• Дж. Кэрролл. Гидраты природного газа. — Технопресс, 2007. — 316 с.
• (Ukrainian)

Ссылки

• Олег Иващенко
• Дядин Ю. А., Гущин А. Л. Соросовский образовательный журнал, 1998