გაზის ჰიდრატი არის ყინულის მასა, რომელშიც შეიცავს ნახშირწყალბადის აირი, ყველაზე ხშირად მეთანი, ან არის წყლისა და მეთანის ნარევი გარკვეული კონცენტრაციით, რომელსაც შეუძლია ყინულის წარმოქმნა გარკვეულ თერმობარულ პირობებში. მაგალითად, გაზის ჰიდრატი წარმოიქმნება 0 ცელსიუსზე და 25 ატმოსფეროს წნევაზე. თუ ტემპერატურა უფრო მაღალია, მაშინ წყლის წნევის მატება აუცილებელია გაზის ჰიდრატის ფორმირებისთვის. ამიტომ გაზის ჰიდრატები ძირითადად გვხვდება ოკეანეებსა და ზღვებში 300-დან 1200 მეტრამდე სიღრმეზე.

გაზის ჰიდრატის მთავარი ელემენტია წყლის მოლეკულების კრისტალური უჯრედი, რომლის შიგნით მოთავსებულია აალებადი აირის მოლეკულა. უჯრედები ქმნიან მკვრივ კრისტალურ გისოსს, ყინულის მსგავსი.

გაზის ჰიდრატები პირველად აღმოაჩინეს 1970-იანი წლების შუა ხანებში კანადელმა მეთევზეებმა. ხშირად, როცა სიღრმიდან აწევდნენ თევზებთან ერთად ტრალს, მათში აღმოჩნდებოდა თოვლის მსგავსი ნივთიერების დიდი ნაჭრები, რომლებიც შეღებილია ქვედა სილით. ვიღაცას მოეფიქრა, რომ ამ ღრმა ზღვის „თოვლს“ ცეცხლი წაეკიდა. და მას ცეცხლი გაუჩნდა!

არსებობს თეორია, რომლის მიხედვითაც, გარკვეულ დროს, სხვადასხვა რყევის ფენომენის გამო, წარმოიქმნება პირობები, როდესაც გაზი გამოიყოფა წყლის კრისტალური უჯრედიდან, წარმოიქმნება ვაკუუმური ორმოები მაღალი პოტენციური ენერგიით, სადაც გემები, თვითმფრინავები და ყველაფერი, რაც ზემოთ მოძრაობს. და ზღვაზე გაქრება, ცვივა. თუ გავითვალისწინებთ, რომ ბერმუდის სამკუთხედის მიდამოში ოკეანის ფსკერზე არის დიდი (1500-2010 მ) გაზის ჰიდრატის საბადო მეთანის გაზით, მაშინ ბერმუდის სამკუთხედის თავსატეხი შეიძლება ჩაითვალოს ამოხსნილი.

მეთანის ჰიდრატი - მომავლის გაზის საწვავი

ალტერნატიული ენერგიის წყაროების განვითარების მიუხედავად, წიაღისეული საწვავი კვლავ ინარჩუნებს და, უახლოეს მომავალში, შეინარჩუნებს მთავარ როლს პლანეტის საწვავის ბალანსში. ExxonMobil-ის ექსპერტების აზრით, მომდევნო 30 წლის განმავლობაში პლანეტაზე ენერგიის მოხმარება განახევრდება. ნახშირწყალბადების ცნობილი საბადოების პროდუქტიულობის კლებასთან ერთად, ახალი დიდი საბადოები სულ უფრო და უფრო ნაკლებად ვლინდება და ნახშირის გამოყენება საზიანოა გარემოსთვის. თუმცა, ჩვეულებრივი ნახშირწყალბადების რეზერვების ამოწურვა შესაძლებელია.

იგივე ExxonMobil-ის ექსპერტები არ არიან მიდრეკილნი სიტუაციის დრამატიზებისკენ.

პირველი, ნავთობისა და გაზის წარმოების ტექნოლოგიები ვითარდება. დღეს, მაგალითად, მექსიკის ყურეში ნავთობს მოიპოვებენ წყლის ზედაპირიდან 2,5-3 კმ სიღრმიდან, ასეთი სიღრმეები 15 წლის წინ წარმოუდგენელი იყო.

მეორეც, ვითარდება ნახშირწყალბადების რთული ტიპების (მძიმე და მჟავე ზეთები) და ნავთობის სუროგატების (ბიტუმი, ნავთობის ქვიშა) დამუშავების ტექნოლოგიები. ეს შესაძლებელს ხდის ტრადიციული სამთო ტერიტორიების დაბრუნებას და იქ მუშაობის განახლებას, ასევე ახალ ტერიტორიებზე მოპოვების დაწყებას. მაგალითად, თათარსტანში Shell-ის მხარდაჭერით იწყება ე.წ. „მძიმე ნავთობის“ წარმოება. კუზბასში, ნახშირის ფენებიდან მეთანის მოპოვების პროექტები მუშავდება.

ნახშირწყალბადების წარმოების დონის შენარჩუნების მესამე მიმართულება დაკავშირებულია მათი არატრადიციული ტიპების გამოყენების გზების ძიებასთან. ნახშირწყალბადის ნედლეულის პერსპექტიულ ახალ ტიპებს შორის, მეცნიერები გამოყოფენ მეთანის ჰიდრატს, რომლის მარაგი პლანეტაზე, სავარაუდო შეფასებით, მინიმუმ 250 ტრილიონი კუბური მეტრია (ენერგეტიკული ღირებულების თვალსაზრისით, ეს 2-ჯერ მეტია, ვიდრე ნავთობის, ქვანახშირისა და გაზის ყველა მარაგის ღირებულება პლანეტაზე ერთად).

მეთანის ჰიდრატი მეთანის სუპრამოლეკულური ნაერთია წყალთან ერთად. ქვემოთ მოცემულია მეთანის ჰიდრატის მოდელი მოლეკულურ დონეზე. მეთანის მოლეკულის გარშემო წარმოიქმნება წყლის (ყინულის) მოლეკულების ბადე. ნაერთი სტაბილურია დაბალ ტემპერატურაზე და მაღალ წნევაზე. მაგალითად, მეთანის ჰიდრატი სტაბილურია 0 °C ტემპერატურაზე და ზეწოლა 25 ბარი ან მეტი. ასეთი წნევა ხდება ოკეანეში დაახლოებით 250 მ სიღრმეზე.ატმოსფერული წნევის დროს მეთანის ჰიდრატი სტაბილური რჩება −80 °C ტემპერატურაზე.

თუ მეთანის ჰიდრატი გაცხელებულია ან წნევა გაიზარდა, ნაერთი იშლება წყალში და ბუნებრივ აირში (მეთანი). ერთი კუბური მეტრი მეთანის ჰიდრატიდან ნორმალური ატმოსფერული წნევის დროს მიიღება 164 კუბური მეტრი ბუნებრივი აირი.

აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის მონაცემებით, პლანეტაზე მეთანის ჰიდრატის მარაგი უზარმაზარია. თუმცა, აქამდე ეს ნაერთი პრაქტიკულად არ გამოიყენება როგორც ენერგეტიკული რესურსი. დეპარტამენტმა შეიმუშავა და ახორციელებს მთელ პროგრამას (R&D პროგრამა) მეთანის ჰიდრატის მოპოვების მოძიების, შეფასებისა და კომერციალიზაციის მიზნით.

შემთხვევითი არ არის, რომ შეერთებული შტატები მზად არის გამოყოს მნიშვნელოვანი თანხები მეთანის ჰიდრატის მოპოვების ტექნოლოგიების განვითარებისთვის. ბუნებრივი აირი ქვეყნის საწვავის ბალანსის თითქმის 23%-ს შეადგენს. აშშ-ს ბუნებრივი აირის უმეტესი ნაწილი კანადიდან მილსადენებით მოიპოვება. 2007 წელს ქვეყანაში ბუნებრივი აირის მოხმარებამ 623 მილიარდი კუბური მეტრი შეადგინა. მ 2030 წლისთვის ის შეიძლება გაიზარდოს 18-20%-ით. ჩვეულებრივი ბუნებრივი აირის საბადოების გამოყენებით აშშ-ში, კანადაში და ოფშორებში წარმოების ასეთი დონის უზრუნველყოფა შეუძლებელია.

საიდუმლო არ არის, რომ ამჟამად ნახშირწყალბადების ტრადიციული წყაროები სულ უფრო და უფრო აქტიურად იწურება და ეს ფაქტი კაცობრიობას მომავლის ენერგიაზე აფიქრებს. ამრიგად, ნავთობისა და გაზის საერთაშორისო ბაზარზე მრავალი მოთამაშის განვითარების ვექტორები მიმართულია არატრადიციული ნახშირწყალბადების საბადოების განვითარებაზე.

„ფიქალის რევოლუციის“ შემდეგ მკვეთრად გაიზარდა ინტერესი სხვა სახის არატრადიციული ბუნებრივი აირის მიმართ, როგორიცაა გაზის ჰიდრატები (GG).

რა არის გაზის ჰიდრატები?

გაზის ჰიდრატები ძალიან ჰგავს თოვლს ან ფხვიერ ყინულს, რომელიც შეიცავს ბუნებრივი აირის ენერგიას შიგნით. სამეცნიერო თვალსაზრისით, გაზის ჰიდრატი (მათ ასევე უწოდებენ კლატრატებს) არის რამდენიმე წყლის მოლეკულა, რომელიც შეიცავს მეთანს ან სხვა ნახშირწყალბადის გაზის მოლეკულას მათ ნაერთში. გაზის ჰიდრატები წარმოიქმნება გარკვეულ ტემპერატურასა და წნევაზე, რაც შესაძლებელს ხდის ასეთი „ყინულის“ არსებობას დადებით ტემპერატურაზე.

სხვადასხვა ნავთობისა და გაზის ობიექტებში გაზის ჰიდრატის საბადოების (შტეფსების) წარმოქმნა არის დიდი და ხშირი ავარიების მიზეზი. მაგალითად, ერთ-ერთი ვერსიით, Deepwater Horizon-ის პლატფორმაზე მექსიკის ყურეში ყველაზე დიდი ავარიის მიზეზი იყო ერთ-ერთ მილში წარმოქმნილი ჰიდრატი.

მათი უნიკალური თვისებების გამო, კერძოდ, ნაერთებში მეთანის მაღალი სპეციფიკური კონცენტრაციის, სანაპიროების გასწვრივ მაღალი გავრცელების გამო, ბუნებრივი აირის ჰიდრატები მე-19 საუკუნის შუა ხანებიდან დედამიწაზე ნახშირწყალბადების მთავარ წყაროდ ითვლებოდა, რაც დაახლოებით. 60% მთლიანი მარაგიდან. უცნაურია, არა? ჩვენ ხომ მიჩვეული ვართ მედიიდან მხოლოდ ბუნებრივ აირზე და ნავთობზე მოვისმინოთ, მაგრამ შესაძლოა უახლოეს 20-25 წელიწადში ბრძოლა სხვა რესურსზე წავიდეს.

გაზის ჰიდრატების საბადოების სრული მასშტაბის გასაგებად, ვთქვათ, რომ, მაგალითად, დედამიწის ატმოსფეროში ჰაერის მთლიანი მოცულობა 1,8-ჯერ ნაკლებია გაზის ჰიდრატების სავარაუდო მოცულობებზე. გაზის ჰიდრატების ძირითადი აკუმულაციები განლაგებულია სახალინის ნახევარკუნძულთან, რუსეთის ჩრდილოეთ ზღვების შელფურ ზონებთან, ალასკას ჩრდილოეთ ფერდობზე, იაპონიის კუნძულებთან და ჩრდილოეთ ამერიკის სამხრეთ სანაპიროებთან ახლოს.

რუსეთი შეიცავს დაახლოებით 30 000 ტრილიონს. კუბი მ ჰიდრატირებული გაზი, რაც სამი რიგით აღემატება ტრადიციული ბუნებრივი აირის მოცულობას დღეს (32,6 ტრილიონი კუბური მეტრი).

მნიშვნელოვანი პრობლემაა გაზის ჰიდრატების შემუშავებისა და კომერციალიზაციის ეკონომიკური კომპონენტი. მათი მიღება დღეს ძალიან ძვირია.

თუ დღეს ჩვენს ღუმელებსა და ქვაბებს მიეწოდებათ გაზის ჰიდრატებისგან მოპოვებული საყოფაცხოვრებო გაზით, მაშინ 1 კუბური მეტრი დაახლოებით 18-ჯერ ძვირი დაჯდებოდა.

როგორ არის დანაღმული?

კლატრატების მოპოვება დღეს შესაძლებელია სხვადასხვა გზით. არსებობს მეთოდების ორი ძირითადი ჯგუფი - მოპოვება აირისებრ და მყარ მდგომარეობაში.

ყველაზე პერსპექტიული არის წარმოება აირისებრ მდგომარეობაში, კერძოდ, დეპრესიული მეთოდით. იხსნება რეზერვუარი, სადაც გაზის ჰიდრატებია განთავსებული, წნევა იწყებს ვარდნას, რის გამოც „გაზის თოვლი“ წონასწორობიდან გამოდის და ის იწყებს გაზად და წყალად დაშლას. ეს ტექნოლოგია იაპონელებმა უკვე გამოიყენეს საპილოტე პროექტში.

გაზის ჰიდრატების კვლევისა და განვითარების რუსული პროექტები სსრკ-ს დროს დაიწყო და ამ სფეროში ფუნდამენტურად ითვლება. ეკონომიკურად მიმზიდველი და ხელმისაწვდომი ბუნებრივი აირის დიდი რაოდენობით ტრადიციული საბადოების აღმოჩენის გამო, ყველა პროექტი შეჩერდა და დაგროვილი გამოცდილება გადაეცა უცხოელ მკვლევარებს, რის გამოც ბევრი პერსპექტიული განვითარება უმუშევრად დარჩა.

სად გამოიყენება გაზის ჰიდრატები?

ნაკლებად ცნობილი, მაგრამ ძალიან პერსპექტიული ენერგეტიკული რესურსი შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ ღუმელებისთვის და სამზარეულოსთვის. ინოვაციური საქმიანობის შედეგად შეიძლება ჩაითვალოს ბუნებრივი აირის ჰიდრატირებულ მდგომარეობაში ტრანსპორტირების ტექნოლოგია (HNG). ძალიან რთულად და საშინლად ჟღერს, მაგრამ პრაქტიკაში ყველაფერი უფრო ნათელია. კაცს გაუჩნდა იდეა, რომ წარმოებული ბუნებრივი აირი "შეფუთულიყო" არა მილში და არა LNG ტანკერის ავზებში (ბუნებრივი გაზის გათხევადება), არამედ ყინულის გარსში, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ხელოვნური გაეკეთებინა. გაზის ჰიდრატები მომხმარებლისთვის გაზის ტრანსპორტირებისთვის.

კომერციული გაზის მიწოდების შედარებითი მოცულობით, ეს ტექნოლოგიები მოიხმარენ 14%-ით ნაკლებ ენერგიასვიდრე გაზის გათხევადების ტექნოლოგიები (მოკლე დისტანციებზე ტრანსპორტირებისას) და 6%-ით ნაკლებირამდენიმე ათასი კილომეტრის მანძილზე ტრანსპორტირებისას მოითხოვს შენახვის ტემპერატურის ყველაზე ნაკლებ შემცირებას (-20 გრადუსი C წინააღმდეგ -162). ყველა ფაქტორის შეჯამებით, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ გაზის ჰიდრატი ტრანსპორტირება უფრო ეკონომიური თხევადი ტრანსპორტი 12-30%-ით.

ჰიდრატი გაზის ტრანსპორტით მომხმარებელი იღებს ორ პროდუქტს: მეთანს და სუფთა (გამოხდილ) წყალს, რაც განსაკუთრებით მიმზიდველს ხდის ამ გაზის ტრანსპორტირებას მშრალ ან პოლარულ რეგიონებში მდებარე მომხმარებლებისთვის (ყოველ 170 კუბურ მეტრ გაზზე არის 0,78 კუბური მეტრი გაზი. წყალი).

შეჯამებით, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ გაზის ჰიდრატები არის მომავლის მთავარი ენერგეტიკული რესურსი გლობალური მასშტაბით და ასევე აქვს უზარმაზარი პერსპექტივები ჩვენი ქვეყნის ნავთობისა და გაზის კომპლექსისთვის. მაგრამ ეს არის ძალიან შორსმჭვრეტელი პერსპექტივები, რომელთა ეფექტი ჩვენ შეგვიძლია დავინახოთ 20 ან თუნდაც 30 წელიწადში და არა უფრო ადრე.

თუ არ მიიღებს მონაწილეობას გაზის ჰიდრატების ფართომასშტაბიან განვითარებაში, რუსეთის ნავთობისა და გაზის კომპლექსი შესაძლოა მნიშვნელოვანი რისკების წინაშე აღმოჩნდეს. სამწუხაროდ, ნახშირწყალბადების დღევანდელი დაბალი ფასები და ეკონომიკური კრიზისი სულ უფრო ეჭვქვეშ აყენებს კვლევით პროექტებს და გაზის ჰიდრატების ინდუსტრიული განვითარების დაწყებას, განსაკუთრებით ჩვენს ქვეყანაში.

გაზის ჰიდრატები არის მყარი ხსნარები, რომელთა გამხსნელი არის კრისტალური ბადე, რომელიც შედგება წყლის მოლეკულებისგან. წყლის შიგნით მოთავსებულია „დაშლილი აირის“ მოლეკულები, რომელთა ზომები განსაზღვრავს მხოლოდ მეთანის, ეთანის, პროპანისა და იზობუტანის ჰიდრატების წარმოქმნის შესაძლებლობას. გაზის ჰიდრატების ფორმირებისთვის საჭიროა დაბალი ტემპერატურა და წნევა, რომელთა კომბინაცია შესაძლებელია წყალსაცავის პირობებში მხოლოდ იმ ადგილებში, სადაც განვითარებულია სქელი პერმაფროსტი.

სხვადასხვა შეფასებით, ხმელეთის ნახშირწყალბადების მარაგი ჰიდრატებში მერყეობს 1,8·10 5-დან 7,6·10 9 კმ³-მდე. ახლა ბუნებრივი აირის ჰიდრატები განსაკუთრებულ ყურადღებას იპყრობენ, როგორც წიაღისეული საწვავის შესაძლო წყარო, ასევე კლიმატის ცვლილების მონაწილე.

გაზის ჰიდრატების ფორმირება

გაზის ჰიდრატები იყოფა ტექნოგენურ (ხელოვნურ) და ბუნებრივ (ბუნებრივი). ყველა ცნობილი აირი გარკვეულ წნევასა და ტემპერატურაზე ქმნის კრისტალურ ჰიდრატებს, რომელთა სტრუქტურა დამოკიდებულია გაზის შემადგენლობაზე, წნევასა და ტემპერატურაზე. ჰიდრატები შეიძლება სტაბილურად არსებობდეს წნევისა და ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში. მაგალითად, მეთანის ჰიდრატი არსებობს 2*10-8-დან 2*103 მპა-მდე წნევით და 70-დან 350 კ-მდე ტემპერატურაზე.

ჰიდრატების ზოგიერთი თვისება უნიკალურია. მაგალითად, ერთი მოცულობის წყალი ჰიდრატულ მდგომარეობაში გადასვლისას აკავშირებს 207 მოცულობის მეთანს. ამავდროულად, მისი სპეციფიკური მოცულობა იზრდება 26%-ით (როდესაც წყალი იყინება, მისი სპეციფიკური მოცულობა იზრდება 9%-ით). 1 მ 3 მეთანის ჰიდრატი P=26 ატმ და T=0°C შეიცავს 164 მოცულობის გაზს. ამ შემთხვევაში გაზის წილი შეადგენს 0,2 მ 3, წყალს 0,8 მ 3. მეთანის სპეციფიკური მოცულობა ჰიდრატში შეესაბამება წნევას დაახლოებით 1400 ატმ. დახურულ მოცულობაში ჰიდრატის დაშლას თან ახლავს წნევის მნიშვნელოვანი მატება. ნახაზზე 3.1.1 ნაჩვენებია წნევა-ტემპერატურული კოორდინატებში ბუნებრივი აირის ზოგიერთი კომპონენტის ჰიდრატის არსებობის პირობების დიაგრამა.

სურათი 3.1.1 - გაზის ჰიდრატის წარმოქმნის მრუდები ბუნებრივი აირის ზოგიერთი კომპონენტისთვის.

გაზის ჰიდრატის ფორმირებისთვის აუცილებელია შემდეგი სამი პირობა:

1. ხელსაყრელი თერმობარული პირობები. გაზის ჰიდრატების ფორმირება ხელს უწყობს დაბალი ტემპერატურისა და მაღალი წნევის კომბინაციას.

2. ჰიდრატწარმომქმნელი ნივთიერების არსებობა. ჰიდრატის წარმომქმნელ ნივთიერებებს მიეკუთვნება მეთანი, ეთანი, პროპანი, ნახშირორჟანგი და ა.შ.

3. საკმარისი წყალი. წყალი არ უნდა იყოს ძალიან ცოტა ან ძალიან ბევრი.

გაზის ჰიდრატის წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად, საკმარისია სამი პირობიდან ერთის გამორიცხვა.

ბუნებრივი აირის ჰიდრატები არის მეტასტაბილური მინერალი, რომლის წარმოქმნა და დაშლა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, წნევაზე, გაზისა და წყლის ქიმიურ შემადგენლობაზე, ფოროვანი გარემოს თვისებებზე და ა.შ.

გაზის ჰიდრატების მორფოლოგია ძალიან მრავალფეროვანია. ამჟამად, არსებობს კრისტალების სამი ძირითადი ტიპი:

მასიური კრისტალები. ისინი წარმოიქმნება მუდმივად მზარდი ბროლის მთელ ზედაპირზე გაზისა და წყლის შეწოვის გამო;

ულვაშის კრისტალები. წარმოიქმნება მოლეკულების გვირაბის სორბციის დროს მზარდი ბროლის ფუძემდე;

გელის კრისტალები. ისინი წარმოიქმნება წყლის მოცულობით მასში გახსნილი აირისგან, როდესაც მიიღწევა ჰიდრატის წარმოქმნის პირობები.

ქანების ფენებში ჰიდრატები შეიძლება განაწილდეს ან მიკროსკოპული ჩანართების სახით, ან შექმნან დიდი ნაწილაკები, სისქის მრავალი მეტრის გაფართოებულ ფენებამდე.

მისი კლატრატის სტრუქტურის გამო, გაზის ჰიდრატის ერთი მოცულობა შეიძლება შეიცავდეს 160-180 მოცულობის სუფთა გაზს. ჰიდრატის სიმკვრივე უფრო დაბალია ვიდრე წყლისა და ყინულის სიმკვრივე (მეთანის ჰიდრატისთვის დაახლოებით 900 კგ/მ³).

შემდეგი მოვლენები ხელს უწყობს გაზის ჰიდრატების დაჩქარებულ წარმოქმნას:

· ტურბულენტობა. გაზის ჰიდრატების ფორმირება აქტიურად მიმდინარეობს გარემოს მაღალი დინების მქონე ადგილებში. გაზის შერევისას მილსადენში, პროცესის ავზში, სითბოს გადამცვლელში და ა.შ. იზრდება გაზის ჰიდრატის წარმოქმნის ინტენსივობა.

კრისტალიზაციის ცენტრები. კრისტალიზაციის ცენტრი არის წერტილი, სადაც არის ხელსაყრელი პირობები ფაზური ტრანსფორმაციისთვის, ამ შემთხვევაში, თხევადისაგან მყარი ფაზის წარმოქმნისთვის.

· უფასო წყალი. თავისუფალი წყლის არსებობა არ არის ჰიდრატის წარმოქმნის წინაპირობა, მაგრამ ამ პროცესის ინტენსივობა თავისუფალი წყლის არსებობისას მნიშვნელოვნად იზრდება. გარდა ამისა, წყლის გაზის ინტერფეისი არის კრისტალიზაციის მოსახერხებელი ცენტრი გაზის ჰიდრატების ფორმირებისთვის.

ჰიდრატების სტრუქტურა

გაზის ჰიდრატების სტრუქტურაში წყლის მოლეკულები ქმნიან ღია ჩარჩოს (ანუ მასპინძელი გისოსი), რომელშიც არის ღრუები. დადგენილია, რომ ჩარჩო ღრუები, როგორც წესი, არის 12-გვერდიანი („პატარა“ ღრუ), 14-, 16- და 20-გვერდიანი („დიდი“ ღრუები), იდეალურ ფორმასთან შედარებით ოდნავ დეფორმირებული. ეს ღრუები შეიძლება დაიკავოს გაზის მოლეკულებით („სტუმარი მოლეკულები“). გაზის მოლეკულები დაკავშირებულია წყლის ჩარჩოსთან ვან დერ ვაალსის ბმებით. ზოგადად, გაზის ჰიდრატების შემადგენლობა აღწერილია M n H 2 O ფორმულით, სადაც M არის ჰიდრატის წარმომქმნელი აირის მოლეკულა, n არის წყლის მოლეკულების რაოდენობა ერთ მოლეკულაზე და n არის ცვლადი რიცხვი, დამოკიდებულია ჰიდრატის გენერატორის ტიპი, წნევა და ტემპერატურა.

ღრუები, ერთმანეთთან შერწყმული, ქმნიან სხვადასხვა ტიპის უწყვეტ სტრუქტურას. მიღებული კლასიფიკაციის მიხედვით, მათ უწოდებენ CS, TS, GS - შესაბამისად, კუბური, ტეტრაგონალური და ექვსკუთხა სტრუქტურა. ბუნებაში ყველაზე გავრცელებულია KS-I (eng. sI), KS-II (eng. sII) ტიპის ჰიდრატები, დანარჩენი კი მეტასტაბილურია.

ცხრილი 3.2.1 - გაზის ჰიდრატების კლატრატის ჩარჩოების ზოგიერთი სტრუქტურა.

სურათი 3.2.1 - გაზის ჰიდრატების კრისტალური მოდიფიკაციები.

ტემპერატურის მატებასთან და წნევის კლებასთან ერთად ჰიდრატი იშლება გაზად და წყალში დიდი რაოდენობით სითბოს შთანთქმით. ჰიდრატის დაშლა დახურულ მოცულობაში ან ფოროვან გარემოში (ბუნებრივ პირობებში) იწვევს წნევის მნიშვნელოვან მატებას.

კრისტალურ ჰიდრატებს აქვთ მაღალი ელექტრული წინააღმდეგობა, კარგად ატარებენ ხმას და პრაქტიკულად გაუვალია თავისუფალი წყლისა და აირის მოლეკულებისთვის. ისინი ხასიათდებიან ანომალიურად დაბალი თბოგამტარობით (მეთანის ჰიდრატისთვის 273 K ტემპერატურაზე ის ხუთჯერ დაბალია ყინულზე).

ჰიდრატების თერმოდინამიკური თვისებების აღსაწერად ამჟამად ფართოდ გამოიყენება ვან დერ ვაალს-პლატეუს თეორია. ამ თეორიის ძირითადი დებულებები:

· მასპინძელი გისოსი არ არის დეფორმირებული სტუმრის მოლეკულებით შევსების ხარისხის ან მათი ტიპის მიხედვით;

თითოეული მოლეკულური ღრუ შეიძლება შეიცავდეს არაუმეტეს ერთი სტუმრის მოლეკულას;

სტუმარი მოლეკულების ურთიერთქმედება უმნიშვნელოა;

აღწერას ეხება სტატისტიკური ფიზიკა.

მიუხედავად თერმოდინამიკური მახასიათებლების წარმატებული აღწერისა, ვან დერ ვაალს-პლატეუს თეორია ეწინააღმდეგება ზოგიერთი ექსპერიმენტის მონაცემებს. კერძოდ, ნაჩვენებია, რომ სტუმრის მოლეკულებს შეუძლიათ განსაზღვრონ როგორც ჰიდრატი კრისტალური მედის სიმეტრია, ასევე ჰიდრატის ფაზური გადასვლების თანმიმდევრობა. გარდა ამისა, აღმოჩნდა სტუმრების ძლიერი გავლენა მასპინძელ მოლეკულებზე, რამაც გამოიწვია ბუნებრივი რხევების ყველაზე სავარაუდო სიხშირის ზრდა.

ბუნებრივი აირის უმეტესობა (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, იზობუტანი და ა.შ.) ქმნის ჰიდრატებს, რომლებიც არსებობს გარკვეულ თერმობარულ პირობებში. მათი არსებობის არეალი შემოიფარგლება ზღვის ფსკერის ნალექებითა და მუდმივი ყინვაგამძლეობით. გაბატონებული ბუნებრივი აირის ჰიდრატებია მეთანი და ნახშირორჟანგი.

გაზის წარმოებისას ჰიდრატები შეიძლება წარმოიქმნას ჭაბურღილების, სამრეწველო კომუნიკაციებისა და მაგისტრალური გაზსადენებში. მილების კედლებზე დეპონირებული ჰიდრატები მკვეთრად ამცირებს მათ გამტარუნარიანობას. გაზის მინდვრებში ჰიდრატების წარმოქმნის წინააღმდეგ საბრძოლველად, სხვადასხვა ინჰიბიტორები (მეთილის სპირტი, გლიკოლები, 30% CaCl2 ხსნარი) შეჰყავთ ჭაბურღილებში და მილსადენებში, ხოლო გაზის ნაკადის ტემპერატურა შენარჩუნებულია ჰიდრატის წარმოქმნის ტემპერატურაზე ზემოთ გამათბობლების, თბოიზოლაციის გამოყენებით. მილსადენების და მუშაობის რეჟიმის შერჩევა, რომელიც უზრუნველყოფს გაზის ნაკადის მაქსიმალურ ტემპერატურას. მაგისტრალურ გაზსადენებში ჰიდრატის წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად, გაზის გაშრობა ყველაზე ეფექტურია - გაზის გაწმენდა წყლის ორთქლიდან.

წყლის შემადგენლობა და თვისებები

დედამიწის ზედაპირის დაახლოებით 71% დაფარულია წყლით (ოკეანეები, ზღვები, ტბები, მდინარეები, ყინული) - 361,13 მილიონი კმ2. დედამიწაზე წყლის დაახლოებით 96,5% ოკეანეებშია, მსოფლიო მარაგის 1,7% მიწისქვეშა წყლებია, კიდევ 1,7% არის მყინვარები და ანტარქტიდისა და გრენლანდიის ყინულის ქუდები, მცირე ნაწილი მდინარეებში, ტბებსა და ჭაობებში, ხოლო 0,001% - ღრუბლები (წარმოიქმნება ჰაერში შეჩერებული ყინულისა და თხევადი წყლის ნაწილაკებისგან). დედამიწის წყლის უმეტესი ნაწილი მარილიანია, უვარგისია სოფლის მეურნეობისა და სასმელისთვის. მტკნარი წყლის წილი დაახლოებით 2,5%-ია, ამ წყლის 98,8% კი მყინვარებსა და მიწისქვეშა წყლებშია. მტკნარი წყლის 0,3%-ზე ნაკლები გვხვდება მდინარეებში, ტბებსა და ატმოსფეროში, ხოლო კიდევ უფრო მცირე რაოდენობა (0,003%) გვხვდება ცოცხალ ორგანიზმებში.

წყლის როლი დედამიწაზე სიცოცხლის წარმოშობასა და შენარჩუნებაში, ცოცხალი ორგანიზმების ქიმიურ სტრუქტურაში, კლიმატისა და ამინდის ფორმირებაში უაღრესად მნიშვნელოვანია. წყალი პლანეტა დედამიწის ყველა ცოცხალი არსებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი ნივთიერებაა.

წყლის ქიმიური შემადგენლობა

წყალი (წყალბადის ოქსიდი) არის ორობითი არაორგანული ნაერთი ქიმიური ფორმულით H 2 O. წყლის მოლეკულა შედგება ორი წყალბადის ატომისა და ერთი ჟანგბადისგან, რომლებიც ურთიერთკავშირშია კოვალენტური ბმით. ნორმალურ პირობებში ეს არის გამჭვირვალე სითხე, უფერო (მცირე მოცულობით), სუნი და გემო. მყარ მდგომარეობაში მას ყინულს უწოდებენ (ყინულის კრისტალებს შეუძლიათ წარმოქმნან თოვლი ან ყინვა), ხოლო აირისებრ მდგომარეობაში მას წყლის ორთქლი. წყალი ასევე შეიძლება არსებობდეს თხევადი კრისტალების სახით (ჰიდროფილურ ზედაპირებზე). ეს არის დედამიწის მასის დაახლოებით 0,05.

წყლის შემადგენლობა შეიძლება განისაზღვროს ელექტრული დენით დაშლის რეაქციის გამოყენებით. წყალბადის ორი მოცულობა წარმოიქმნება ჟანგბადის ერთ მოცულობაზე (აირის მოცულობა პროპორციულია ნივთიერების რაოდენობისა):

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2

წყალი შედგება მოლეკულებისგან. თითოეული მოლეკულა შეიცავს წყალბადის ორ ატომს, რომლებიც დაკავშირებულია კოვალენტური ბმებით ერთ ჟანგბადის ატომთან. ბმებს შორის კუთხე არის დაახლოებით 105º.

ფიქლის გაზის მსოფლიო მარაგი შეფასებულია დაახლოებით 200 ტრილიონ კუბურ მეტრზე, ჩვეულებრივი გაზი (მათ შორის ნავთობის ასოცირებული) - 300 ტრილიონი კუბური მეტრი ... მაგრამ ეს არის დედამიწაზე ბუნებრივი აირის მთლიანი რაოდენობის მხოლოდ უმნიშვნელო ნაწილი: მისი მთავარი ნაწილი გვხვდება ოკეანეების ფსკერზე გაზის ჰიდრატების სახით. ასეთი ჰიდრატები არის ბუნებრივი აირის მოლეკულების კლატრატები (პირველ რიგში მეთანის ჰიდრატი). ოკეანის ფსკერის გარდა, გაზის ჰიდრატები არსებობს მუდმივ ყინვაში.

ჯერ კიდევ რთულია ოკეანეების ფსკერზე გაზის ჰიდრატების მარაგების ზუსტად განსაზღვრა, თუმცა, საშუალო შეფასებით, არის დაახლოებით 100 კვადრილიონი კუბური მეტრი მეთანი (ატმოსფერულ წნევამდე დაყვანისას). ამრიგად, გაზის მარაგი ჰიდრატების სახით მსოფლიო ოკეანეების ფსკერზე ასჯერ მეტია, ვიდრე ფიქალისა და ჩვეულებრივი გაზის ერთად.

გაზის ჰიდრატებს განსხვავებული შემადგენლობა აქვთ, ესენი არიან კლატრატის ტიპის ქიმიური ნაერთები(ე.წ. მედის კლატრატი), როდესაც უცხო ატომები ან მოლეკულები („სტუმრები“) შეუძლიათ შეაღწიონ „მასპინძლის“ (წყლის) ბროლის ბადის ღრუში. ყოველდღიურ ცხოვრებაში ყველაზე ცნობილი კლატრატია სპილენძის სულფატი (სპილენძის სულფატი), რომელსაც აქვს ნათელი ლურჯი ფერი (ეს ფერი მხოლოდ კრისტალურ ჰიდრატშია, უწყლო სპილენძის სულფატი თეთრია).

გაზის ჰიდრატები ასევე კრისტალური ჰიდრატებია. ოკეანეების ფსკერზე, სადაც რატომღაც გამოიყოფა ბუნებრივი აირი, ბუნებრივი აირი არ ამოდის ზედაპირზე, მაგრამ ქიმიურად აკავშირებს წყალს, აყალიბებს კრისტალურ ჰიდრატებს. ეს პროცესი შესაძლებელია დიდ სიღრმეზე, სად არის წნევა, ან პერმაფროსტის პირობებში, სადაც ყოველთვის უარყოფითი ტემპერატურა.

გაზის ჰიდრატები (კერძოდ, მეთანის ჰიდრატი) არის მყარი, კრისტალური ნივთიერება. 1 მოცულობის გაზის ჰიდრატი შეიცავს 160-180 მოცულობის სუფთა ბუნებრივ აირს. გაზის ჰიდრატის სიმკვრივე არის დაახლოებით 0,9 გ/სმ3, რაც ნაკლებია წყლისა და ყინულის სიმკვრივეზე. ისინი წყალზე მსუბუქია და ზევით უნდა ცურავდნენ, შემდეგ კი გაზის ჰიდრატი დაიშლებოდა მეთანად და წყალში წნევის შემცირებით და მთლიანი აორთქლდებოდა. თუმცა ეს არ ხდება.

ამას ხელს უშლის ოკეანის ფსკერის დანალექი ქანები - სწორედ მათზე ხდება ჰიდრატის წარმოქმნა. ფსკერის დანალექ ქანებთან ურთიერთქმედებისას ჰიდრატი ვერ წარმოიქმნება. ვინაიდან ფსკერი არ არის ბრტყელი, არამედ ჩაღრმავებული, მაშინ თანდათანობით გაზის ჰიდრატების ნიმუშები დანალექ ქანებთან ერთად იძირება და ქმნიან სახსრების საბადოებს. ჰიდრატის წარმოქმნის ზონა არის ბოლოში, სადაც ბუნებრივი აირი მოდის წყაროდან. ამ ტიპის საბადოების წარმოქმნის პროცესი დიდხანს გრძელდება და გაზის ჰიდრატები „სუფთა“ სახით არ არსებობს, მათ აუცილებლად თან ახლავს ქანები. შედეგი არის გაზის ჰიდრატი ველი - გაზის ჰიდრატი ქანების დაგროვება ოკეანის ფსკერზე.

გაზის ჰიდრატების ფორმირება მოითხოვს ან დაბალ ტემპერატურას ან მაღალ წნევას. ატმოსფერულ წნევაზე მეთანის ჰიდრატის წარმოქმნა შესაძლებელია მხოლოდ -80 °C ტემპერატურაზე. ასეთი ყინვები შესაძლებელია (და მაშინაც კი, ძალიან იშვიათად) მხოლოდ ანტარქტიდაში, მაგრამ მეტასტაბილურ მდგომარეობაში, გაზის ჰიდრატები შეიძლება არსებობდეს ატმოსფერულ წნევაზე და მაღალ ტემპერატურაზე. მაგრამ ეს ტემპერატურა მაინც უარყოფითი უნდა იყოს - ზედა ფენის დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ყინულის ქერქი, კიდევ უფრო იცავს ჰიდრატებს გახრწნისაგან, რაც ხდება მუდმივ ყინულოვან რეგიონებში.

პირველად, გაზის ჰიდრატები შეგვხვდა ერთი შეხედვით ჩვეულებრივი მესოიახსკოეს საბადოს (იამალ-ნენეცის ავტონომიური ოკრუგი) განვითარების დროს 1969 წელს, საიდანაც, ფაქტორების ერთობლიობით, შესაძლებელი გახდა ბუნებრივი აირის მოპოვება უშუალოდ გაზის ჰიდრატებიდან - დაახლოებით. მისგან მოპოვებული გაზის მოცულობის 36%-ს ჰიდრატი წარმოშობა ჰქონდა.

გარდა ამისა, გაზის ჰიდრატის დაშლის რეაქცია ენდოთერმულიაანუ დაშლის დროს ენერგია შეიწოვება გარე გარემოდან. მეტიც, ბევრი ენერგია უნდა დაიხარჯოს: ჰიდრატი, თუ დაშლას დაიწყებს, თავისთავად გაცივდება და მისი დაშლა ჩერდება.

0 °C ტემპერატურაზე მეთანის ჰიდრატი სტაბილური იქნება 2,5 მპა წნევის დროს. წყლის ტემპერატურა ზღვების და ოკეანეების ფსკერთან არის მკაცრად +4 ° C - ასეთ პირობებში წყალს აქვს ყველაზე მაღალი სიმკვრივე. ამ ტემპერატურაზე მეთანის ჰიდრატის სტაბილური არსებობისთვის საჭირო წნევა უკვე ორჯერ მაღალი იქნება ვიდრე 0 °C-ზე და იქნება 5 მპა. შესაბამისად, მეთანის ჰიდრატი შეიძლება იყოს მხოლოდ 500 მეტრზე მეტი წყლის სიღრმეზე , ვინაიდან დაახლოებით 100 მეტრი წყალი შეესაბამება 1 მპა წნევას.

"ბუნებრივი" გაზის ჰიდრატების გარდა, დიდი პრობლემაა გაზის ჰიდრატების წარმოქმნა მაგისტრალური გაზსადენებიმდებარეობს ზომიერ და ცივ კლიმატში, რადგან გაზის ჰიდრატებს შეუძლიათ გაზსადენის გადაკეტვა და მისი გამტარუნარიანობის შემცირება. ამის თავიდან ასაცილებლად, ბუნებრივ აირს ემატება მცირე რაოდენობით ჰიდრატის წარმოქმნის ინჰიბიტორი, ძირითადად მეთილის სპირტი, დიეთილენგლიკოლი, ტრიეთილენგლიკოლი და ზოგჯერ ქლორიდის ხსნარები (ძირითადად სუფრის მარილი ან იაფი კალციუმის ქლორიდი). ან უბრალოდ იყენებენ გათბობას, რაც ხელს უშლის გაზის გაციებას ჰიდრატის წარმოქმნის დასაწყისის ტემპერატურამდე.

გაზის ჰიდრატების უზარმაზარი მარაგის გათვალისწინებით, მათ მიმართ ინტერესი ამჟამად ძალიან მაღალია - ბოლოს და ბოლოს, 200 მილის ეკონომიკური ზონის გარდა, ოკეანე ნეიტრალური ტერიტორიაა და ნებისმიერ ქვეყანას შეუძლია დაიწყოს ბუნებრივი აირის მოპოვება ამ ტიპის ბუნებრივი რესურსებიდან . აქედან გამომდინარე, სავარაუდოა, რომ ბუნებრივი აირი გაზის ჰიდრატებიდან არის უახლოესი მომავლის საწვავი, თუ შესაძლებელი იქნება მისი მოპოვების ეფექტური გზა.

თუმცა, ბუნებრივი აირის მოპოვება ჰიდრატებისგან კიდევ უფრო რთული ამოცანაა, ვიდრე ფიქლის გაზის მოპოვება, რომელიც ემყარება ნავთობის ფიქლის ჰიდრავლიკურ გატეხვას. მისი გაზის ჰიდრატების მოპოვება ტრადიციული გაგებით შეუძლებელია: ჰიდრატების ფენა მდებარეობს ოკეანის ფსკერზე და მხოლოდ ჭაბურღილის ბურღვა საკმარისი არ არის. საჭიროა ჰიდრატების დაშლა.

ეს შეიძლება გაკეთდეს ან წნევის რაიმე გზით შემცირებით (პირველი მეთოდი), ან კლდის გახურებით რაიმეთი (მეორე მეთოდი). მესამე მეთოდი მოიცავს ორივე მოქმედების ერთობლიობას. ამის შემდეგ აუცილებელია გამოთავისუფლებული აირის შეგროვება. ასევე მიუღებელია მეთანის შეღწევა ატმოსფეროში, რადგან მეთანი არის ძლიერი სათბურის გაზი, რომელიც მოქმედებს დაახლოებით 20-ჯერ უფრო ძლიერი ვიდრე ნახშირორჟანგი. თეორიულად შესაძლებელია ინჰიბიტორების გამოყენება (იგივე, რომლებიც გამოიყენება გაზსადენებში), მაგრამ სინამდვილეში ინჰიბიტორების ღირებულება ძალიან მაღალია მათი პრაქტიკული გამოყენებისთვის.

იაპონიისთვის ჰიდრატის გაზის წარმოების მიმზიდველობა ის არის, რომ ულტრაბგერითი კვლევების მიხედვით, იაპონიის მახლობლად ოკეანეში გაზის ჰიდრატის მარაგი 4-დან 20 ტრილიონ კუბურ მეტრამდეა შეფასებული. ოკეანის სხვა რაიონებში ბევრი ჰიდრატის საბადოა. კერძოდ, შავი ზღვის ფსკერზე არის ჰიდრატების უზარმაზარი მარაგი (დაახლოებითი შეფასებით, 30 ტრილიონი კუბური მეტრი) და ბაიკალის ტბის ფსკერზეც კი.

პიონერი ჰიდრატებისგან ბუნებრივი აირის მოპოვებაშიისაუბრა იაპონურმა კომპანია Japan Oil, Gas and Metal National Corporarion-მა. იაპონია არის მაღალგანვითარებული ქვეყანა, მაგრამ უკიდურესად ღარიბი ბუნებრივი რესურსებით და არის ბუნებრივი აირის უდიდესი იმპორტიორი მსოფლიოში, რომელზეც მოთხოვნა მხოლოდ გაიზარდა ფუკუშიმას ატომურ ელექტროსადგურზე მომხდარი ავარიის შემდეგ.

მეთანის ჰიდრატების ექსპერიმენტული წარმოებისთვის საბურღი გემის გამოყენებით, იაპონელმა სპეციალისტებმა აირჩიეთ წნევის შემცირების ვარიანტი (დეკომპრესია) . ჰიდრატებისგან ბუნებრივი აირის სატესტო წარმოება წარმატებით განხორციელდა აწუმის ნახევარკუნძულის სამხრეთით დაახლოებით 80 კმ-ში, სადაც ზღვის სიღრმე დაახლოებით ერთი კილომეტრია. იაპონური კვლევითი ხომალდი Chikyu დაახლოებით ერთი წლის განმავლობაში (2012 წლის თებერვლიდან) ბურღავს სამ საცდელ ჭას 260 მეტრის სიღრმეზე (ოკეანის სიღრმის გამოკლებით). სპეციალური დეპრესიული ტექნოლოგიის დახმარებით გაზის ჰიდრატები დაიშალა.

მიუხედავად იმისა, რომ საცდელი წარმოება გაგრძელდა მხოლოდ 6 დღე (2013 წლის 12 მარტიდან 18 მარტამდე), მიუხედავად იმისა, რომ დაგეგმილი იყო ორკვირიანი წარმოება (ცუდმა ამინდმა ხელი შეუშალა), დამზადდა 120 ათასი კუბური მეტრი ბუნებრივი აირი (საშუალოდ 20 ათასი კუბური მეტრი დღეში). იაპონიის ეკონომიკის, ვაჭრობისა და მრეწველობის სამინისტრომ წარმოების შედეგები უწოდა "შთამბეჭდავი", პროდუქციამ ბევრად გადააჭარბა იაპონელი სპეციალისტების მოლოდინს.

დარგის სრულმასშტაბიანი ინდუსტრიული განვითარება 2018-2019 წლებში „შესაბამისი ტექნოლოგიების დამუშავების“ შემდეგ იგეგმება. იქნება თუ არა ეს ტექნოლოგიები მომგებიანი და გამოჩნდება თუ არა – დრო გვიჩვენებს. ძალიან ბევრი ტექნოლოგიური პრობლემის გადაჭრა იქნება საჭირო. გაზის წარმოების გარდა, ასევე მას დასჭირდება შეკუმშვა ან გათხევადება, რომელიც საჭიროებს მძლავრ კომპრესორს გემზე ან კრიოგენულ ქარხანაზე. აქედან გამომდინარე, გაზის ჰიდრატების წარმოება სავარაუდოდ ფიქლის გაზზე მეტი დაჯდება, რომლის წარმოების ღირებულებაა 120-150 დოლარი ათასი კუბურ მეტრზე, შედარებისთვის: ტრადიციული საბადოებიდან ტრადიციული გაზის ღირებულება არ აღემატება 50 დოლარს ათას კუბურ მეტრზე.

ნიკოლაი ბლინკოვი