Научное открытие: "Свойство природных газов находиться в твердом состоянии в земной коре".
Формула открытия: Экспериментально установлено ранее неизвестное свойство природных газов образовывать в земной коре при определенных термодинамических условиях (температура до 295°К, давление до 250 атм.) залежи в твердом газогидратном состоянии.
Авторы: Ю. Ф. Макогон, А. А. Трофимук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, В. Г. Васильев.
Номер и дата приоритета: № 75 от 25 июля 1961 г. (по дате подписания к печати книги «Основные черты геологического строения и перспективы нефтегазоносности Восточной Якутии»).
Дата регистрации: 4 марта 1971 г.
Заявка: № ОТ–7195 от 19 марта 1969 г.
Описание открытия
Минеральное топливо в земной коре сконцентрировано в виде скоплений углерода (различных углей и сланцев) и углеводородов (нефтяных и газовых залежей). В науке долгое время бытовало представление о том, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают в земной коре в жидком состоянии, а более легкие – в газообразном.
Однако советские ученые академик А. А. Трофимук, член-корреспондент АН СССР Н. В. Черский, доктор технических наук Ф. А. Требин, кандидат технических наук Ю. Ф. Макогон и кандидат геолого-минералогических наук В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определенных термодинамических условиях переходить в земной коре в твердое состояние и образовывать газогидратные залежи, причем с несравненно более высокой концентрацией газа в единице объема пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях.
Впервые с проблемой образования твердых гидратов природного газа отечественная индустрия столкнулась в 1930-х годах. Это было замечено в трубопроводах, расположенных в окружающей среде с отрицательными температурами. В 1940-е годы советские учёные высказали гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты. Возможность существования газогидратных залежей в природных условиях была показана работами И.Н. Стрижова (1946г.), М.П. Мохнаткина (1947г.). В 1960-е годы они же обнаруживают первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. Одновременно с этим возможность образования гидратов в природных условиях подтверждается в экспериментальных исследованиях Юрия Федоровича Макогона (Институт нефти и газа им. И.М. Губкина).
Первые успешные поиски гидратосодержащих пород в природе были проведены сотрудниками ВНИИГАЗа А.Г. Ефремовой и Б.П. Жижченко при донном пробоотборе в глубоководной части Черного моря в 1972 году. Они визуально наблюдали вкрапления гидратов, похожие на иней в кавернах извлеченного со дна грунта. Позже они были найдены и в Атлантическом океане при глубоководном бурении с судна «Гломар Челленджер»…
Выяснилось, что газ переходит в твердое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях и сравнительно низких температурах - до +25°. Экспериментальные исследования показали, что при одинаковых давлениях газогидратная залежь содержит в несколько раз больше газа, чем обычная равнообъемная газовая залежь, ибо один объем воды при переходе ее в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа, тогда как обычная растворимость газа в воде не превышает двух – четырех объемов, а для льда она еще ниже.
Физическая характеристика газогидратной залежи резко отличается от физической характеристики обычной газовой залежи. Электропроводимость такой залежи намного ниже, чем у обычной, что позволяет разработать новые методы интерпретации геофизических характеристик с целью выявления газогидратных залежей в земной коре, а также использования этих свойств для создания новых процессов (разделения газов, хранения больших объемов газа при низких давлениях и т. д.).
Процесс формирования газогидратной залежи может сопровождаться значительным понижением пластового давления (ниже гидростатического), сокращением размеров залежи, а при наличии подтока газа и воды - значительным приростом запасов газа в залежи.
Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемерзлых пород, а общая территория, где могут быть встречены подобные залежи, составляет более 50% территории Советского Союза, около четверти суши нашей планеты и более 90% территории Мирового океана.
Один из исследователей – начальник главка геологии Министерства газовой промышленности В. Г. Васильев сообщил: "Это важный резерв природного газа, который умножит энергетические и химические ресурсы нашей страны. Кроме того, предполагается, что под дном Мирового океана также находятся месторождения газа в твердом состоянии. Логика рассуждений ученых такова: океаническое дно находится под водным прессом с давлением в 300-500 атм., а при таком давлении для образования гидратов уже не нужны низкие температуры якутских недр. Поскольку океан покрывает большую часть планеты, а вечная мерзлота занимает значительную часть суши, то можно предположить, что твердое состояние газа не исключение, а правило".
Каким же способом можно добывать гидраты из-под земли, не строя шахт? Исследователи предложили переводить метан из твердого состояния в газообразное непосредственно в пласте, а затем "отбирать" его с помощью обычных скважин. Для этого есть несколько путей. Если искусственно снизить давление в скважине или поднять температуру в пласте, это вызовет распад гидрата, и свободный газ поднимается по трубам вверх. Но самое перспективное, считают ученые, это воздействовать на воду катализатором, ускоряющим освобождение молекул газа от прочной хватки молекул воды. Концентрация газа в пласте слишком велика, и высвобождать эту титаническую силу надо осмотрительно.
Начиная с 1969 года ведётся промышленная эксплуатация газогидратных месторождений. Многие сотни тысяч кубометров газа, добытого из газогидратных пластав Мессояхского месторождения в Заполярье уже поступили на Норильский горно-металлургический комбинат. Себестоимость газа примерно такая же, как обычно.
С момента открытия природных газогидратов было проведено шесть международных конференций в США, Канаде, Японии, Норвегии, Франции, России (2009г.). Все они были посвящены разведке ресурсов и изучению свойств газовых гидратов.
На сегодняшний день газовые гидраты считаются одними из самых перспективных нетрадиционных источников углеводородного сырья и энергии в двадцать первом веке. Освоение ресурсов природных газогидратов будет способствовать не только ускоренному экономическому развитию отдельных стран, но и политической стабильности в мире. Однако даже поверхностный анализ результатов работ по газогидратам показывает, что работы в мире ведутся разрозненно, на разном научном уровне, полученные результаты часто не находят спроса. Наряду с серьезными успехами допускаются дублирование и дорогостоящие ошибки. Для повышения качества исследований и ускорения освоения ресурсов энергии газогидратов необходим единый международный координационный орган, состоящий из высококвалифицированных специалистов, способный четко определять наиболее актуальные проблемы как в науке, так и в промышленности.
Краткая информация об авторе открытия
Макогон Юрий Федорович — родился 15 мая 1930г. в п. Веселое Херсонской области; окончил Московский нефтяной институт в 1954г., доктор технических наук, профессор; работал на инженерных должностях на Шебелинском месторождении ГПО "Укргаз"; с 1961г. работал в Государственной академии нефти и газа: научным сотрудником, ассистентом, доцентом Кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений; 1974-1987 — заведующий газогидратной лабораторией ВНИИгаз; 1987-1992 — заведующий лабораторией нетрадиционных источников углеводородов Института проблем нефти и газа РАН и Госкомитета РФ по высшей школе; 1991-1997 — директор Института углеводородов и окружающей среды РАЕН; с 1994г. — заведующий газогидратной лабораторией Техасского университета (Gas Hydrate Laboratory, Department of Petroleum Engineering); член Американского общества инженеров-нефтяников; академик Нью-Йоркской Академии наук; председатель НТО инженеров-нефтянников; лауреат премии им. академика И. М. Губкина.
Более подробно сущность открытия, его развитие и дальнейшие перспективы освещены в публикациях:
- «Основные черты геологического строения и перспективы нефтегазоносности Восточной Якутии». Якутск, 1961г.
- «Особенности эксплуатации месторождений природных газов в зоне вечной мерзлоты». ВНИИСТ, 1966г.
- Газогидраты морей и океанов ждут изучения и освоения. «Нефть России» №7 июль 2005г.