Экология/6. Экологический мониторинг

Радченко М.А., Дычко А.О., Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”

Необходимость мониторинговых наблюдений при изучении газогидратных месторождений и добыче метана

Проблема энергетической безопасности Украины в последнее время очень обострилась в связи с ростом цен на нефть и газ, поэтому вопрос энергообеспечения и энергосбережения для экономики является очень актуальным. При продолжительной тенденции истощения традиционных запасов топлива необходимо изучать так называемые нетрадиционные запасы углеводородов в виде гидратов метана и использовать их для получения природного газа. Так, за счет ресурсов Черного моря можно полностью покрыть потребность страны в природном газе на протяжении тринадцати столетий либо восполнять его дефицит в течение двадцати пяти веков.

Перспективы исследований [Макогон, 2001, Соловьев, 2003, Шнюков, 2003, Непрочнов, 2006, Щебетов, 2006, Артемов, 2007] направлены на:

• использование гидратов как нетрадиционного источника углеводородов;

• возможность транспортировки природного газа в гидратном состоянии;

• использование гидратов для локального газоснабжения;

• предупреждение гидратообразования в системах сбора и промышленной подготовки газа;

• возможность определения газогидратоносных акваторий как индикатора месторождений нефти и природного газа;

• разработку технологий утилизации СО, основанных на переводе СО в гидратную форму и захоронение гидрата на дне морей и в криолитозоне;

• оценку эмиссии метана и СО в атмосферу при глобальном потеплении.

Газовые гидраты представляют собой твердые соединения молекул газа и воды. В 1 м³ природного гидрата содержится 164,6 м³ газа, который при нормальных условиях занимает объем 0,2 м³. [Макогон, 2001] Внешне гидраты похожи на снег или рыхлый лед, однако если поднести к ним спичку, они загораются. В настоящий момент известно более двухсот месторождений газовых гидратов, большая часть которых расположена на морском дне. В залежах природных газовых гидратов сосредоточено более 10-1000 трлн. м³ метана [Takahashi, Tsuji, 2001].

На сегодняшний день разрабатывается 3 основных способа добычи гидратов природного газа (рис.1). Все они основаны на применении диссоциации, которая проходит при увеличении температуры и снижении давления, когда кристаллы льда тают или как-то изменяют свою форму и высвобождают молекулы природного газа, заключенные внутри кристалла. Метод разложения гидратов с помощью ингибиторов не приемлем вследствие высокой стоимости ингибиторов. Электромагнитные, акустические методы воздействия и закачка углекислого газа в пласт пока еще мало изучены.

Рис. 1. Три рассматриваемых метода добычи газа из гидратов: снижение давления, нагрев и закачка ингибиторов гидратообразования [Коллетт, Льюис, Учида, 2001]

Добыча природного газа из слоя гидратов с использованием любого из предложенных выше методов будет иметь отрицательные последствия для самого слоя гидратов и для окружающей среды. В отличие от большинства других веществ газогидраты крайне чувствительны к изменениям внешних параметров среды. Небольшое изменение температуры или давления может привести к превращению прочно сцементированных гидратосодержащих пород в разжиженную массу и к освобождению огромных количеств газа, делающего этот процесс необратимым. Инициаторы таких процессов могут быть самые разнообразные: вулканическая деятельность, понижение уровня Мирового океана, повышение температуры у основания зоны стабильности и деятельность человека. Примеры нарушения стабильности наблюдались в районах залегания гидратов природного газа у побережья Южной Каролины, США [Коллетт, Льюис, Учида, 2001]. Любая из технологий разработки месторождений гидратов будет успешной только в том случае, если будет исключено снижение устойчивости пород.

В свою очередь разложение гидратов может вызвать потепление, а освобождающийся при этом метан приведет к дальнейшему потеплению и может начаться самоускоряющийся процесс. Количество метана в природных газогидратах в 3 тыс. раз превосходит его количество в атмосфере. Освобождение этого парникового потенциала может иметь страшные последствия для человечества. Наибольшую опасность представляют гидраты, которые уже сейчас находятся в метастабильном состоянии (в зонах вечной мерзлоты) [Бажин, 2000].

Для того чтобы оценить объем гидратов и их потенциал как источника углеводородов для Украины, важно знать распределение гидратов в осадочных породах и механические характеристики пластов, содержащих гидраты. Поэтому необходимо составить точную гидрогеологическую карту Черного моря и разработать комплексный мониторинг при разведке, оценке и добыче газогидратов. Мониторинг должен включать регионально-геофизические, сейсмические, геоморфологические, акустические исследования, разведочное бурение с отбором керна, каротаж методами ядерного магнитного резонанса для измерения концентрации гидратов на месте естественного залегания и методы биоиндикации бактериальных сообщество коралловидных построек анаэробной зоны Черного моря. Обследование многолетнемерзлых пород рекомендуется проводить с помощью таких приборов как групповой индукционный сканер, дипольный акустический зонд и пластовый микросканер. Помимо крупномасштабных сейсмических исследований в море, определить наличие гидратов около морского дна или сделать вывод об их недавнем присутствии можно с помощью измерений минерализации поровой воды. Содержащиеся в морской воде соли и иные компоненты не участвуют в гидратообразовании. Поэтому сразу же после кристаллизации содержание солей, например, хлоридов, в окружающей их морской воде возрастает. В рассмотрение могут включаться следующие дополнительные факторы: сила и порывистость ветра, морские течения, соответствующее речное течение, осадки, температура воздуха, температура морской воды, глубина воды, состояние поверхности моря и подземная геология.

Построение программы мониторинга состоит из четкого изложения ее задач. Рекомендуется определить методы, используемые для обеспечения контроля качества всех аспектов процесса мониторинга, на ранней стадии планирования проекта. Мониторинг рекомендуется начинать до начала газовых работ с подробного обследования фонового состояния с использованием всей имеющейся информации, включающего в себя, как минимум, все объекты наблюдения и параметры, которые планируется использовать в последующей долгосрочной программе мониторинга. Программу мониторинга необходимо продолжать также на стадии вывода объекта из эксплуатации.

Система мониторинга состоит из геохимического, микробиологического и сейсмического мониторинга с биосферной литосферной и техногенной составляющими. Биосферная составляющая представляет собой мониторинг атмосферного воздуха, поверхностных вод, мониторинг животного и растительного мира. Техногенная составляющая включает мониторинг источников выбросов и сбросов от добычного комплекса. Литосферная составляющая состоит из мониторинга почв, недр, донных осадков, подземных вод и морских акваторий. Таким образом, мониторинг всех техногенных объектов обустройства месторождения газогидратов и рассмотрение результатов мониторинга способствуют обеспечению экологической безопасности и быстрому принятию управленческих решений.