Ang gas hydrate ay isang ice mass na may hydrocarbon gas na nakapaloob dito, kadalasang methane, o ito ay pinaghalong tubig at methane sa ilang partikular na konsentrasyon, na may kakayahang bumuo ng yelo sa ilalim ng ilang thermobaric na kondisyon. Ang gas hydrate, halimbawa, ay nabuo sa 0 Celsius at sa isang presyon ng 25 atmospheres. Kung ang temperatura ay mas mataas, pagkatapos ay isang pagtaas sa presyon ng tubig ay kinakailangan para sa pagbuo ng gas hydrate. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga gas hydrates ay matatagpuan pangunahin sa mga karagatan at dagat sa lalim mula 300 hanggang 1200 metro.

Ang pangunahing elemento ng isang gas hydrate ay isang mala-kristal na selula ng mga molekula ng tubig, sa loob kung saan matatagpuan ang isang nasusunog na molekula ng gas. Ang mga cell ay bumubuo ng isang siksik na kristal na sala-sala, katulad ng yelo.

Ang mga gas hydrates ay unang natuklasan noong kalagitnaan ng 1970s ng mga mangingisdang Canadian. Kadalasan, kapag ang mga trawl na may mga isda ay itinaas mula sa kalaliman, ang malalaking piraso ng isang bagay na tulad ng niyebe na may mantsa ng ilalim na silt ay lumabas na nasa mga ito. Naisip ng isang tao na sunugin ang malalim na dagat na "snow" na ito. At nasunog siya!

Mayroong isang teorya ayon sa kung saan, sa isang tiyak na oras, dahil sa iba't ibang mga phenomena ng pagbabagu-bago, ang mga kondisyon ay lumitaw kapag ang gas ay inilabas mula sa kristal na selula ng tubig, bumubuo ng mga vacuum pits na may mataas na potensyal na enerhiya, kung saan ang mga barko, eroplano at lahat ng bagay na gumagalaw sa itaas. at sa kabila ng dagat ay nawawala, nahuhulog sa . Kung isasaalang-alang natin na sa lugar ng Bermuda Triangle sa ilalim ng karagatan mayroong isang malaking (1500-2010 m) na deposito ng gas hydrate na may methane gas, kung gayon ang bugtong ng Bermuda Triangle ay maaaring ituring na lutasin.

Methane hydrate - ang gas fuel ng hinaharap

Sa kabila ng pag-unlad ng mga alternatibong mapagkukunan ng enerhiya, ang mga fossil fuel ay nananatili pa rin at, sa nakikinita na hinaharap, ay mananatili ng isang malaking papel sa balanse ng gasolina ng planeta. Ayon sa mga eksperto sa ExxonMobil, ang pagkonsumo ng enerhiya sa susunod na 30 taon sa planeta ay tataas ng kalahati. Habang bumababa ang produktibidad ng mga kilalang hydrocarbon na deposito, ang mga bagong malalaking deposito ay nadiskubre nang paunti-unti, at ang paggamit ng karbon ay nakakasama sa kapaligiran. Gayunpaman, ang lumiliit na reserba ng maginoo na hydrocarbon ay maaaring mabawi.

Ang parehong mga eksperto sa ExxonMobil ay hindi hilig na isadula ang sitwasyon.

Una, umuunlad ang mga teknolohiya sa paggawa ng langis at gas. Ngayon sa Gulpo ng Mexico, halimbawa, ang langis ay nakuha mula sa lalim na 2.5-3 km sa ibaba ng ibabaw ng tubig, ang gayong kalaliman ay hindi maiisip 15 taon na ang nakakaraan.

Pangalawa, ang mga teknolohiya para sa pagproseso ng mga kumplikadong uri ng hydrocarbon (mabigat at maasim na langis) at mga kahalili ng langis (bitumen, oil sands) ay binuo. Ginagawa nitong posible na bumalik sa tradisyonal na mga lugar ng pagmimina at ipagpatuloy ang trabaho doon, pati na rin simulan ang pagmimina sa mga bagong lugar. Halimbawa, sa Tatarstan, sa suporta ng Shell, nagsisimula ang paggawa ng tinatawag na "mabigat na langis". Sa Kuzbass, ang mga proyekto para sa pagkuha ng methane mula sa coal seams ay ginagawa.

Ang ikatlong direksyon ng pagpapanatili ng antas ng produksyon ng hydrocarbon ay nauugnay sa paghahanap ng mga paraan upang magamit ang kanilang mga hindi tradisyonal na uri. Kabilang sa mga promising na bagong uri ng hydrocarbon raw na materyales, ang mga siyentipiko ay nag-iisa ng methane hydrate, ang mga reserbang kung saan sa planeta, ayon sa pansamantalang mga pagtatantya, ay hindi bababa sa 250 trilyon kubiko metro (sa mga tuntunin ng halaga ng enerhiya, ito ay 2 beses na higit pa kaysa sa halaga ng lahat ng reserbang langis, karbon at gas sa planeta na pinagsama) .

Ang methane hydrate ay isang supramolecular compound ng methane na may tubig. Nasa ibaba ang isang modelo ng methane hydrate sa antas ng molekular. Ang isang sala-sala ng mga molekula ng tubig (yelo) ay nabuo sa paligid ng molekula ng methane. Ang tambalan ay matatag sa mababang temperatura at mataas na presyon. Halimbawa, ang methane hydrate ay stable sa 0 °C at ang mga pressure ay nasa order na 25 bar o higit pa. Ang ganitong pressure ay nangyayari sa lalim na humigit-kumulang 250 m sa karagatan. Sa atmospheric pressure, ang methane hydrate ay nananatiling stable sa temperatura na −80 °C.

Kung ang methane hydrate ay pinainit o ang presyon ay tumaas, ang tambalan ay nabubulok sa tubig at natural na gas (methane). Mula sa isang cubic meter ng methane hydrate sa normal na atmospheric pressure, 164 cubic meters ng natural gas ang maaaring makuha.

Ayon sa US Department of Energy, ang mga reserba ng methane hydrate sa planeta ay napakalaki. Gayunpaman, hanggang ngayon ang tambalang ito ay halos hindi ginagamit bilang isang mapagkukunan ng enerhiya. Ang departamento ay bumuo at nagpapatupad ng isang buong programa (R&D program) upang hanapin, suriin at i-komersyal ang pagkuha ng methane hydrate.

Hindi sinasadya na ang Estados Unidos ay handa na maglaan ng makabuluhang pondo para sa pagpapaunlad ng mga teknolohiya para sa produksyon ng methane hydrate. Ang natural na gas ay halos 23% ng balanse ng gasolina ng bansa. Karamihan sa natural na gas ng U.S. ay kinukuha sa pamamagitan ng mga pipeline mula sa Canada. Noong 2007, ang pagkonsumo ng natural gas sa bansa ay umabot sa 623 bilyong metro kubiko. m. Sa pamamagitan ng 2030, maaari itong lumago ng 18-20%. Gamit ang maginoo na mga patlang ng natural na gas sa US, Canada at malayo sa pampang, imposibleng magbigay ng ganoong antas ng produksyon.

Hindi lihim na sa kasalukuyan ang mga tradisyunal na pinagmumulan ng mga hydrocarbon ay nagiging mas aktibo, at ang katotohanang ito ay nagpapaisip sa sangkatauhan tungkol sa enerhiya ng hinaharap. Samakatuwid, ang mga vectors ng pag-unlad ng maraming mga manlalaro sa internasyonal na merkado ng langis at gas ay naglalayong bumuo ng mga deposito ng hindi kinaugalian na mga hydrocarbon.

Kasunod ng "shale revolution", nagkaroon ng matinding pagtaas ng interes sa iba pang uri ng hindi kinaugalian na natural na gas, tulad ng gas hydrates (GG).

Ano ang mga gas hydrates?

Ang mga gas hydrates ay halos kamukha ng snow o maluwag na yelo, na naglalaman ng enerhiya ng natural na gas sa loob. Mula sa siyentipikong pananaw, ang gas hydrate (tinatawag din silang clathrates) ay ilang mga molekula ng tubig na may hawak na methane o iba pang molekula ng hydrocarbon gas sa loob ng kanilang tambalan. Nabubuo ang mga gas hydrates sa ilang partikular na temperatura at pressure, na ginagawang posible para sa naturang "yelo" na umiral sa mga positibong temperatura.

Ang pagbuo ng mga deposito ng gas hydrate (plugs) sa loob ng iba't ibang pasilidad ng langis at gas ang sanhi ng mga malalaki at madalas na aksidente. Halimbawa, ayon sa isang bersyon, ang sanhi ng pinakamalaking aksidente sa Gulpo ng Mexico sa platform ng Deepwater Horizon ay isang hydrate plug na nabuo sa isa sa mga tubo.

Dahil sa kanilang mga natatanging katangian, lalo na, ang mataas na tiyak na konsentrasyon ng methane sa mga compound, ang mataas na pagkalat sa mga baybayin, ang mga natural na gas hydrates ay itinuturing na pangunahing pinagmumulan ng mga hydrocarbon sa Earth mula noong kalagitnaan ng ika-19 na siglo, na humigit-kumulang 60% ng kabuuang stock. Kakaiba, hindi ba? Pagkatapos ng lahat, nakasanayan na nating marinig mula sa media ang tungkol sa natural na gas at langis lamang, ngunit marahil sa susunod na 20-25 taon ang pakikibaka ay pupunta para sa isa pang mapagkukunan.

Upang maunawaan ang buong sukat ng mga deposito ng gas hydrate, sabihin natin na, halimbawa, ang kabuuang dami ng hangin sa atmospera ng Earth ay 1.8 beses na mas mababa kaysa sa tinantyang dami ng mga gas hydrates. Ang mga pangunahing akumulasyon ng mga gas hydrates ay matatagpuan malapit sa Sakhalin Peninsula, ang mga shelf zone ng hilagang dagat ng Russia, ang hilagang dalisdis ng Alaska, malapit sa mga isla ng Japan at ang katimugang baybayin ng North America.

Ang Russia ay naglalaman ng humigit-kumulang 30,000 trilyon. kubo m ng hydrated gas, na tatlong order ng magnitude na mas mataas kaysa sa dami ng tradisyonal na natural na gas ngayon (32.6 trilyon cubic meters).

Ang isang mahalagang problema ay ang pang-ekonomiyang bahagi sa pagbuo at komersyalisasyon ng mga hydrates ng gas. Masyadong mahal ang pagkuha ng mga ito ngayon.

Kung ngayon ang aming mga kalan at boiler ay binibigyan ng gas ng sambahayan na nakuha mula sa mga hydrates ng gas, kung gayon ang 1 metro kubiko ay nagkakahalaga ng halos 18 beses na higit pa.

Paano sila mina?

Ang Clathrates ay maaaring minahan ngayon sa iba't ibang paraan. Mayroong dalawang pangunahing grupo ng mga pamamaraan - pagmimina sa gaseous state at sa solid state.

Ang pinaka-promising ay ang produksyon sa gas na estado, lalo na ang paraan ng depressurization. Binuksan ang reservoir, kung saan matatagpuan ang mga gas hydrates, ang presyon ay nagsisimulang bumagsak, na nagdudulot ng "gas snow" na hindi balanse, at nagsisimula itong mabulok sa gas at tubig. Ang teknolohiyang ito ay ginamit na ng mga Hapon sa kanilang pilot project.

Ang mga proyekto ng Russia para sa pananaliksik at pagpapaunlad ng mga gas hydrates ay nagsimula sa mga araw ng USSR at itinuturing na pangunahing sa lugar na ito. Dahil sa pagkatuklas ng isang malaking bilang ng mga tradisyunal na natural gas field, na kung saan ay kaakit-akit at naa-access sa ekonomiya, ang lahat ng mga proyekto ay nasuspinde, at ang naipon na karanasan ay inilipat sa mga dayuhang mananaliksik, na nag-iiwan ng maraming mga promising development na wala sa trabaho.

Saan ginagamit ang mga gas hydrates?

Ang isang maliit na kilala, ngunit napaka-promising na mapagkukunan ng enerhiya ay maaaring gamitin hindi lamang para sa mga hurno at pagluluto. Ang resulta ng makabagong aktibidad ay maaaring ituring na teknolohiya ng transportasyon ng natural na gas sa hydrated state (HNG). Ito ay napaka-kumplikado at nakakatakot, ngunit sa pagsasanay ang lahat ay higit pa sa malinaw. Ang isang tao ay nagkaroon ng ideya ng "pag-iimpake" ng ginawang natural na gas hindi sa isang tubo at hindi sa mga tangke ng isang LNG tanker (liquefaction ng natural gas), ngunit sa isang ice shell, sa madaling salita, upang gawing artipisyal. gas hydrates para sa transportasyon ng gas sa isang mamimili.

Sa maihahambing na dami ng mga komersyal na suplay ng gas, ang mga teknolohiyang ito kumonsumo ng 14% na mas kaunting enerhiya kaysa sa mga teknolohiya ng gas liquefaction (kapag dinala sa maikling distansya) at 6% mas mababa kapag dinadala sa mga distansyang ilang libong kilometro, nangangailangan ng pinakamababang pagbawas sa temperatura ng imbakan (-20 degrees C kumpara sa -162). Summarizing ang lahat ng mga kadahilanan, maaari naming tapusin na ang gas hydrate transportasyon mas matipid tunaw na transportasyon ng 12−30%.

Sa pamamagitan ng hydrate gas transport, ang mamimili ay tumatanggap ng dalawang produkto: methane at fresh (distilled) na tubig, na ginagawang partikular na kaakit-akit ang naturang gas transport para sa mga consumer na matatagpuan sa tuyo o polar na mga rehiyon (sa bawat 170 cubic meters ng gas, mayroong 0.78 cubic meters ng gas. ) tubig).

Sa kabuuan, masasabi nating ang mga gas hydrates ay ang pangunahing mapagkukunan ng enerhiya ng hinaharap sa isang pandaigdigang sukat, at mayroon ding napakalaking mga prospect para sa langis at gas complex ng ating bansa. Ngunit ang mga ito ay napakamalayong pananaw, ang epekto nito ay makikita natin sa loob ng 20 o kahit 30 taon, hindi mas maaga.

Sa pamamagitan ng hindi pagsali sa malakihang pagpapaunlad ng mga gas hydrates, ang Russian oil and gas complex ay maaaring humarap sa ilang malalaking panganib. Aba, ang mababang presyo ngayon para sa mga hydrocarbon at ang krisis sa ekonomiya ay lalong nagtatanong sa mga proyektong pananaliksik at pagsisimula ng industriyal na pag-unlad ng mga gas hydrates, lalo na sa ating bansa.

Ang mga hydrates ng gas ay mga solidong solusyon, ang solvent nito ay isang kristal na sala-sala na binubuo ng mga molekula ng tubig. Ang mga molekula ng "dissolved gas" ay inilalagay sa loob ng tubig, ang mga sukat nito ay tumutukoy sa posibilidad ng pagbuo ng mga hydrates lamang mula sa methane, ethane, propane at isobutane. Ang pagbuo ng mga hydrates ng gas ay nangangailangan ng mababang temperatura at presyon, ang kumbinasyon nito ay posible sa ilalim ng mga kondisyon ng reservoir lamang sa mga lugar kung saan nabuo ang makapal na permafrost.

Ayon sa iba't ibang mga pagtatantya, ang mga reserba ng terrestrial hydrocarbons sa mga hydrates ay mula 1.8·10 5 hanggang 7.6·10 9 km³. Ngayon ang mga natural gas hydrates ay nakakaakit ng espesyal na atensyon bilang isang posibleng mapagkukunan ng fossil fuels, pati na rin bilang isang kalahok sa pagbabago ng klima.

Ang pagbuo ng mga gas hydrates

Ang mga gas hydrates ay nahahati sa technogenic (artipisyal) at natural (natural). Ang lahat ng mga kilalang gas sa ilang mga pressure at temperatura ay bumubuo ng mga crystalline hydrates, ang istraktura nito ay nakasalalay sa komposisyon ng gas, presyon at temperatura. Ang mga hydrates ay maaaring maging matatag sa isang malawak na hanay ng mga presyon at temperatura. Halimbawa, ang methane hydrate ay umiiral sa mga presyon mula 2*10 -8 hanggang 2*10 3 MPa at mga temperatura mula 70 hanggang 350 K.

Ang ilang mga katangian ng hydrates ay natatangi. Halimbawa, ang isang volume ng tubig sa panahon ng paglipat sa hydrate state ay nagbubuklod ng 207 volume ng methane. Kasabay nito, ang tiyak na dami nito ay tumataas ng 26% (kapag ang tubig ay nag-freeze, ang tiyak na dami nito ay tumataas ng 9%). 1 m 3 methane hydrate sa P=26 atm at T=0°C ay naglalaman ng 164 volume ng gas. Sa kasong ito, ang bahagi ng gas ay 0.2 m 3, para sa tubig 0.8 m 3. Ang tiyak na dami ng mitein sa hydrate ay tumutugma sa isang presyon ng humigit-kumulang 1400 atm. Ang agnas ng hydrate sa isang closed volume ay sinamahan ng isang makabuluhang pagtaas sa presyon. Ang Figure 3.1.1 ay nagpapakita ng isang diagram ng mga kondisyon para sa pagkakaroon ng hydrate ng ilang bahagi ng natural na gas sa mga coordinate ng pressure-temperature.

Figure 3.1.1 - Mga kurba ng pagbuo ng gas-hydrate para sa ilang bahagi ng natural na gas.

Ang sumusunod na tatlong kondisyon ay kinakailangan para sa pagbuo ng isang gas hydrate:

1. Mga kanais-nais na thermobaric na kondisyon. Ang pagbuo ng mga gas hydrates ay pinapaboran ng isang kumbinasyon ng mababang temperatura at mataas na presyon.

2. Ang pagkakaroon ng isang hydrate-forming substance. Ang mga sangkap na bumubuo ng hydrate ay kinabibilangan ng methane, ethane, propane, carbon dioxide, atbp.

3. Sapat na tubig. Ang tubig ay hindi dapat masyadong kaunti o labis.

Upang maiwasan ang pagbuo ng gas hydrate, sapat na upang ibukod ang isa sa tatlong mga kondisyon.

Ang mga natural na gas hydrates ay isang metastable na mineral, ang pagbuo at pagkabulok nito ay nakasalalay sa temperatura, presyon, kemikal na komposisyon ng gas at tubig, mga katangian ng porous na daluyan, atbp.

Ang morpolohiya ng gas hydrates ay napaka-magkakaibang. Sa kasalukuyan, mayroong tatlong pangunahing uri ng mga kristal:

malalaking kristal. Ang mga ito ay nabuo dahil sa pagsipsip ng gas at tubig sa buong ibabaw ng isang patuloy na lumalagong kristal;

mga kristal ng balbas. Bumangon sa panahon ng tunnel sorption ng mga molecule sa base ng isang lumalagong kristal;

mga kristal ng gel. Ang mga ito ay nabuo sa dami ng tubig mula sa gas na natunaw dito kapag naabot ang mga kondisyon ng pagbuo ng hydrate.

Sa mga layer ng bato, ang mga hydrates ay maaaring ipamahagi sa anyo ng mga microscopic inclusions o bumuo ng malalaking particle, hanggang sa pinalawig na mga layer na maraming metro ang kapal.

Dahil sa clathrate structure nito, ang isang volume ng gas hydrate ay maaaring maglaman ng hanggang 160-180 volume ng purong gas. Ang density ng hydrate ay mas mababa kaysa sa density ng tubig at yelo (para sa methane hydrate mga 900 kg/m³).

Ang mga sumusunod na phenomena ay nag-aambag sa pinabilis na pagbuo ng mga hydrates ng gas:

· Kaguluhan. Ang pagbuo ng mga gas hydrates ay aktibong nagpapatuloy sa mga lugar na may mataas na rate ng daloy ng daluyan. Kapag naghahalo ng gas sa isang pipeline, tangke ng proseso, heat exchanger, atbp. ang intensity ng gas hydrate formation ay tumataas.

mga sentro ng pagkikristal. Ang sentro ng pagkikristal ay isang punto kung saan may mga kanais-nais na kondisyon para sa isang pagbabagong bahagi, sa kasong ito, ang pagbuo ng isang solidong bahagi mula sa isang likido.

· Libreng tubig. Ang pagkakaroon ng libreng tubig ay hindi isang paunang kinakailangan para sa pagbuo ng hydrate, ngunit ang intensity ng prosesong ito sa pagkakaroon ng libreng tubig ay tumataas nang malaki. Bilang karagdagan, ang interface ng tubig-gas ay isang maginhawang sentro ng pagkikristal para sa pagbuo ng mga hydrates ng gas.

Ang istraktura ng hydrates

Sa istraktura ng mga hydrates ng gas, ang mga molekula ng tubig ay bumubuo ng isang openwork frame (i.e., ang host lattice), kung saan mayroong mga cavity. Napagtibay na ang mga cavity ng balangkas ay karaniwang 12-sided ("maliit" na mga cavity), 14-, 16- at 20-sided ("malalaki" na mga cavity), bahagyang deformed na may kaugnayan sa perpektong hugis. Ang mga cavity na ito ay maaaring sakupin ng mga molekula ng gas ("mga molekula ng bisita"). Ang mga molekula ng gas ay konektado sa water frame sa pamamagitan ng mga bono ng van der Waals. Sa pangkalahatan, ang komposisyon ng mga gas hydrates ay inilalarawan ng formula na M n H 2 O, kung saan ang M ay isang hydrate-forming na molekula ng gas, n ay ang bilang ng mga molekula ng tubig sa bawat isang kasamang molekula ng gas, at ang n ay isang variable na numero depende sa ang uri ng hydrate generator, presyon at temperatura.

Ang mga cavity, na pinagsama sa bawat isa, ay bumubuo ng isang tuluy-tuloy na istraktura ng iba't ibang uri. Ayon sa tinatanggap na pag-uuri, tinawag silang CS, TS, GS - ayon sa pagkakabanggit, kubiko, tetragonal at hexagonal na istraktura. Sa kalikasan, ang mga hydrates ng mga uri ng KS-I (eng. sI), KS-II (eng. sII) ay pinaka-karaniwan, habang ang iba ay metastable.

Talahanayan 3.2.1 - Ilang istruktura ng clathrate frameworks ng mga gas hydrates.

Figure 3.2.1 - Mga kristal na pagbabago ng mga gas hydrates.

Sa pagtaas ng temperatura at pagbaba ng presyon, ang hydrate ay nabubulok sa gas at tubig na may pagsipsip ng malaking halaga ng init. Ang agnas ng hydrate sa isang closed volume o sa isang porous medium (natural na kondisyon) ay humahantong sa isang makabuluhang pagtaas sa presyon.

Ang mga crystalline hydrates ay may mataas na electrical resistance, mahusay na gumaganap ng tunog, at halos hindi natatagusan sa mga libreng molekula ng tubig at gas. Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng anomalously low thermal conductivity (para sa methane hydrate sa 273 K ito ay limang beses na mas mababa kaysa sa yelo).

Upang ilarawan ang mga thermodynamic na katangian ng mga hydrates, ang teoryang van der Waals-Platteu ay kasalukuyang malawakang ginagamit. Ang mga pangunahing probisyon ng teoryang ito:

· ang host lattice ay hindi deformed depende sa antas ng pagpuno ng guest molecules o sa kanilang uri;

Ang bawat molecular cavity ay maaaring maglaman ng hindi hihigit sa isang guest molecule;

ang pakikipag-ugnayan ng mga molecule ng bisita ay bale-wala;

Nalalapat ang istatistikal na pisika sa paglalarawan.

Sa kabila ng matagumpay na paglalarawan ng mga katangian ng thermodynamic, ang teorya ng van der Waals-Platteu ay sumasalungat sa data ng ilang mga eksperimento. Sa partikular, ipinakita na ang mga molekula ng bisita ay maaaring matukoy ang parehong simetrya ng hydrate crystal lattice at ang pagkakasunud-sunod ng mga phase transition ng hydrate. Bilang karagdagan, ang isang malakas na impluwensya ng mga bisita sa mga molekula ng host ay natagpuan, na nagdudulot ng pagtaas sa mga pinaka-malamang na dalas ng mga natural na oscillations.

Karamihan sa mga natural na gas (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, isobutane, atbp.) ay bumubuo ng mga hydrates na umiiral sa ilalim ng ilang partikular na thermobaric na kondisyon. Ang lugar ng kanilang pag-iral ay nakakulong sa mga sediment sa ilalim ng dagat at mga lugar ng permafrost. Ang nangingibabaw na natural gas hydrates ay methane at carbon dioxide hydrates.

Sa panahon ng paggawa ng gas, ang mga hydrates ay maaaring mabuo sa mga wellbore, pang-industriya na komunikasyon at pangunahing mga pipeline ng gas. Ang pagdeposito sa mga dingding ng mga tubo, ang mga hydrates ay makabuluhang binabawasan ang kanilang throughput. Upang labanan ang pagbuo ng mga hydrates sa mga patlang ng gas, ang iba't ibang mga inhibitor (methyl alcohol, glycols, 30% CaCl2 solution) ay ipinakilala sa mga balon at pipeline, at ang temperatura ng daloy ng gas ay pinananatili sa itaas ng temperatura ng pagbuo ng hydrate gamit ang mga heaters, thermal insulation. ng mga pipeline at pagpili ng operating mode na nagsisiguro ng pinakamataas na temperatura ng gas stream. Upang maiwasan ang pagbuo ng hydrate sa pangunahing mga pipeline ng gas, ang pagpapatuyo ng gas ay ang pinaka-epektibo - paglilinis ng gas mula sa singaw ng tubig.

Komposisyon at katangian ng tubig

Humigit-kumulang 71% ng ibabaw ng Earth ay natatakpan ng tubig (karagatan, dagat, lawa, ilog, yelo) - 361.13 milyong km2. Sa Earth, humigit-kumulang 96.5% ng tubig ay nasa karagatan, 1.7% ng mga reserba sa mundo ay tubig sa lupa, isa pang 1.7% ay mga glacier at ice caps ng Antarctica at Greenland, isang maliit na bahagi ay nasa mga ilog, lawa at latian, at 0.001% sa ulap (nabuo mula sa mga particle ng yelo at likidong tubig na nasuspinde sa hangin). Karamihan sa tubig sa lupa ay maalat, hindi angkop para sa agrikultura at inumin. Ang bahagi ng sariwang tubig ay humigit-kumulang 2.5%, at 98.8% ng tubig na ito ay nasa mga glacier at tubig sa lupa. Mas mababa sa 0.3% ng lahat ng sariwang tubig ay matatagpuan sa mga ilog, lawa at atmospera, at isang mas maliit na halaga (0.003%) ay matatagpuan sa mga buhay na organismo.

Ang papel ng tubig sa pinagmulan at pagpapanatili ng buhay sa Earth, sa istrukturang kemikal ng mga buhay na organismo, sa pagbuo ng klima at panahon ay napakahalaga. Ang tubig ang pinakamahalagang sangkap para sa lahat ng nabubuhay na nilalang sa planetang Earth.

Ang kemikal na komposisyon ng tubig

Ang tubig (hydrogen oxide) ay isang binary inorganic compound na may chemical formula na H 2 O. Ang molekula ng tubig ay binubuo ng dalawang hydrogen atoms at isang oxygen, na pinag-uugnay ng isang covalent bond. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ito ay isang transparent na likido, walang kulay (sa isang maliit na dami), amoy at lasa. Sa solid state ito ay tinatawag na yelo (ice crystals ay maaaring bumuo ng snow o frost), at sa gaseous na estado ito ay tinatawag na water vapor. Ang tubig ay maaari ding umiral bilang mga likidong kristal (sa mga hydrophilic na ibabaw). Ito ay humigit-kumulang 0.05 ang masa ng Earth.

Ang komposisyon ng tubig ay maaaring matukoy gamit ang decomposition reaction sa pamamagitan ng electric current. Dalawang volume ng hydrogen ang nabuo sa bawat isang volume ng oxygen (ang dami ng gas ay proporsyonal sa dami ng substance):

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

Ang tubig ay binubuo ng mga molekula. Ang bawat molekula ay naglalaman ng dalawang atomo ng hydrogen na nakaugnay ng mga covalent bond sa isang atom ng oxygen. Ang anggulo sa pagitan ng mga bono ay humigit-kumulang 105º.

Ang mga reserbang mundo ng shale gas ay tinatantya sa humigit-kumulang 200 trilyon cubic meters, conventional gas (kabilang ang langis na nauugnay) - sa 300 trilyon cubic meters ... Ngunit ito ay isang bale-wala lamang na bahagi ng kabuuang halaga ng natural na gas sa Earth: ang pangunahing bahagi matatagpuan sa anyo ng mga gas hydrates sa ilalim ng mga karagatan. Ang ganitong mga hydrates ay mga clathrates ng mga natural na molekula ng gas (pangunahin ang methane hydrate). Bilang karagdagan sa sahig ng karagatan, ang mga gas hydrates ay umiiral sa permafrost.

Mahirap pa ring tumpak na matukoy ang mga reserba ng gas hydrates sa ilalim ng mga karagatan, gayunpaman, ayon sa isang average na pagtatantya, mayroong humigit-kumulang 100 quadrillion cubic meters ng methane (kapag nabawasan sa atmospheric pressure). Kaya, ang mga reserbang gas sa anyo ng mga hydrates sa ilalim ng mga karagatan sa mundo ay isang daang beses na mas malaki kaysa sa shale at conventional gas na pinagsama.

Ang mga hydrates ng gas ay may ibang komposisyon, ito ay mga kemikal na compound na uri ng clathrate(ang tinatawag na lattice clathrate), kapag ang mga dayuhang atomo o molekula ("mga bisita") ay maaaring tumagos sa lukab ng "host" (tubig) na kristal na sala-sala. Sa pang-araw-araw na buhay, ang pinakasikat na clathrate ay tansong sulpate (tanso sulpate), na may maliwanag na asul na kulay (ang kulay na ito ay nasa crystalline hydrate lamang, ang anhydrous copper sulfate ay puti).

Ang mga hydrates ng gas ay mga crystalline hydrates din. Sa ilalim ng mga karagatan, kung saan sa ilang kadahilanan ay inilabas ang natural na gas, ang natural na gas ay hindi tumataas sa ibabaw, ngunit kemikal na nagbubuklod sa tubig, na bumubuo ng mga crystalline hydrates. Ang prosesong ito ay posible sa napakalalim, nasaan ang pressure, o sa mga kondisyon ng permafrost, kung saan palaging negatibong temperatura.

Ang mga gas hydrates (sa partikular, methane hydrate) ay isang solid, mala-kristal na substansiya. Ang 1 volume ng gas hydrate ay naglalaman ng 160-180 volume ng purong natural na gas. Ang density ng gas hydrate ay humigit-kumulang 0.9 g/cm3, na mas mababa kaysa sa density ng tubig at yelo. Ang mga ito ay mas magaan kaysa sa tubig at dapat na lumutang, at pagkatapos ay ang gas hydrate ay naaagnas sa methane at tubig na may pagbaba sa presyon, at ang kabuuan ay sumingaw. Gayunpaman, hindi ito nangyayari.

Pinipigilan ito ng mga sedimentary na bato sa sahig ng karagatan - sa kanila nangyayari ang pagbuo ng hydrate. Nakikipag-ugnayan sa mga sedimentary na bato sa ilalim, ang hydrate ay hindi maaaring lumabas. Dahil ang ilalim ay hindi patag, ngunit naka-indent, ang mga sample ng gas hydrates, kasama ng mga sedimentary na bato, ay unti-unting lumulubog at bumubuo ng magkasanib na mga deposito. Ang zone ng hydrate formation ay nasa ibaba, kung saan ang natural na gas ay nagmumula sa isang pinagmulan. Ang proseso ng pagbuo ng mga deposito ng ganitong uri ay tumatagal ng mahabang panahon, at ang mga hydrates ng gas sa isang "purong" na anyo ay hindi umiiral, kinakailangang sinamahan sila ng mga bato. Ang resulta ay isang gas hydrate field - isang akumulasyon ng mga gas hydrate na bato sa sahig ng karagatan.

Ang pagbuo ng mga gas hydrates ay nangangailangan ng alinman sa mababang temperatura o mataas na presyon. Ang pagbuo ng methane hydrate sa atmospheric pressure ay nagiging posible lamang sa temperatura na -80 °C. Ang ganitong mga frost ay posible (at kahit na napakabihirang) lamang sa Antarctica, ngunit sa isang metastable na estado, ang mga gas hydrates ay maaaring umiral sa atmospheric pressure at sa mas mataas na temperatura. Ngunit ang mga temperaturang ito ay dapat na negatibo pa rin - ice crust na nabuo sa pamamagitan ng disintegration ng upper layer, higit pang pinoprotektahan ang mga hydrates mula sa pagkabulok, na nangyayari sa mga rehiyon ng permafrost.

Sa kauna-unahang pagkakataon, ang mga gas hydrates ay nakatagpo sa panahon ng pagbuo ng tila ordinaryong Messoyakhskoye field (Yamal-Nenets Autonomous Okrug) noong 1969, kung saan, sa pamamagitan ng kumbinasyon ng mga kadahilanan, posible na kunin ang natural na gas nang direkta mula sa mga hydrates ng gas - tungkol sa 36% ng dami ng gas na nakuha mula dito ay may hydrate na pinagmulan.

Bukod sa, Ang reaksyon ng agnas ng gas hydrate ay endothermic, iyon ay, ang enerhiya sa panahon ng agnas ay hinihigop mula sa panlabas na kapaligiran. Bukod dito, maraming enerhiya ang dapat gugulin: kung ang hydrate ay nagsimulang mabulok, ito ay lumalamig sa sarili at ang agnas nito ay hihinto.

Sa temperatura na 0 °C, ang methane hydrate ay magiging matatag sa presyon na 2.5 MPa. Ang temperatura ng tubig malapit sa ilalim ng mga dagat at karagatan ay mahigpit na +4 ° C - sa ilalim ng gayong mga kondisyon, ang tubig ay may pinakamataas na density. Sa temperaturang ito, ang presyon na kinakailangan para sa matatag na pag-iral ng methane hydrate ay magiging dalawang beses nang mas mataas kaysa sa 0 °C at magiging 5 MPa. Alinsunod dito, ang methane hydrate ay maaari lamang mangyari sa lalim ng tubig na higit sa 500 metro , dahil humigit-kumulang 100 metro ng tubig ay tumutugma sa isang presyon ng 1 MPa.

Bilang karagdagan sa mga "natural" na gas hydrates, ang pagbuo ng mga gas hydrates ay isang malaking problema sa pangunahing mga pipeline ng gas na matatagpuan sa mapagtimpi at malamig na klima, dahil ang mga gas hydrates ay maaaring makabara sa gas pipeline at mabawasan ang throughput nito. Upang maiwasang mangyari ito, ang isang maliit na halaga ng isang hydrate formation inhibitor ay idinagdag sa natural na gas, pangunahin ang methyl alcohol, diethylene glycol, triethylene glycol, at kung minsan ang mga solusyon sa chloride (pangunahin ang table salt o murang calcium chloride) ay ginagamit. O ginagamit lang nila ang pag-init, na pumipigil sa paglamig ng gas sa temperatura ng simula ng pagbuo ng hydrate.

Dahil sa malaking reserba ng gas hydrates, ang interes sa kanila ay kasalukuyang napakataas - pagkatapos ng lahat, bukod sa 200-milya na economic zone, ang karagatan ay isang neutral na teritoryo at anumang bansa ay maaaring magsimulang kumuha ng natural na gas mula sa likas na yaman ng ganitong uri . Samakatuwid, ito ay malamang na ang natural na gas mula sa gas hydrates ay ang panggatong sa malapit na hinaharap, kung ito ay maaaring bumuo ng cost-effective na paraan upang kunin ito.

Gayunpaman, ang pagkuha ng natural na gas mula sa hydrates ay isang mas mahirap na gawain kaysa sa pagkuha ng shale gas, na batay sa hydraulic fracturing ng oil shale. Imposibleng kunin ang mga gas hydrates nito sa tradisyonal na kahulugan: ang layer ng hydrates ay matatagpuan sa sahig ng karagatan, at ang pagbabarena lamang ng isang balon ay hindi sapat. Kailangang masira ang mga hydrates.

Magagawa ito alinman sa pamamagitan ng pagpapababa ng presyon sa ilang paraan (ang unang paraan), o sa pamamagitan ng pag-init ng bato gamit ang isang bagay (ang pangalawang paraan). Ang ikatlong paraan ay nagsasangkot ng kumbinasyon ng parehong mga aksyon. Pagkatapos nito, kinakailangan upang kolektahin ang inilabas na gas. Hindi rin katanggap-tanggap na pumasok ang methane sa atmospera, dahil ang methane ay isang malakas na greenhouse gas, na kumikilos nang halos 20 beses na mas malakas kaysa sa carbon dioxide. Sa teorya, posible na gumamit ng mga inhibitor (kapareho ng mga ginagamit sa mga pipeline ng gas), ngunit sa katotohanan ang halaga ng mga inhibitor ay masyadong mataas para sa kanilang praktikal na aplikasyon.

Ang pagiging kaakit-akit ng produksyon ng hydrate gas para sa Japan ay, ayon sa mga pag-aaral ng ultrasonic, ang mga reserbang gas hydrate sa karagatan malapit sa Japan ay tinatantya sa hanay mula 4 hanggang 20 trilyon cubic meters.Maraming hydrate deposits sa ibang mga lugar ng karagatan. Sa partikular, mayroong malaking reserba ng hydrates sa ilalim ng Black Sea (ayon sa tinatayang mga pagtatantya, 30 trilyon kubiko metro) at maging sa ilalim ng Lake Baikal.

Isang pioneer sa pagkuha ng natural na gas mula sa mga hydrates nagsalita ang kumpanyang Hapones na Japan Oil, Gas and Metal National Corporarion. Ang Japan ay isang napaka-unlad na bansa, ngunit napakahirap sa likas na yaman, at ito ang pinakamalaking importer ng natural na gas sa mundo, na tumaas lamang ang pangangailangan mula noong aksidente sa Fukushima nuclear power plant.

Para sa pang-eksperimentong produksyon ng methane hydrates gamit ang isang drilling ship, mga Japanese specialist piliin ang opsyon sa pagbabawas ng presyon (decompression) . Ang pagsubok sa produksyon ng natural na gas mula sa mga hydrates ay matagumpay na naisagawa mga 80 km sa timog ng Atsumi Peninsula, kung saan ang dagat ay halos isang kilometro ang lalim. Ang Japanese research vessel na Chikyu ay nag-drill ng tatlong test well sa lalim na 260 metro (hindi kasama ang lalim ng karagatan) sa humigit-kumulang isang taon (mula noong Pebrero 2012). Sa tulong ng isang espesyal na teknolohiya ng depressurization, ang mga gas hydrates ay nabubulok.

Kahit na ang pagsubok na produksyon ay tumagal lamang ng 6 na araw (mula Marso 12 hanggang 18, 2013), sa kabila ng katotohanan na ang isang dalawang linggong produksyon ay binalak (ang masamang panahon ay nakagambala), 120 thousand cubic meters ng natural gas ang ginawa (isang average ng 20 libong metro kubiko bawat araw). Inilarawan ng Ministri ng Ekonomiya, Kalakalan at Industriya ng Japan ang mga resulta ng produksyon bilang "kahanga-hanga", ang output ay higit na lumampas sa inaasahan ng mga Japanese specialist.

Ang buong-scale na pag-unlad ng industriya ng larangan ay binalak na magsimula sa 2018-2019 pagkatapos ng "pag-unlad ng mga naaangkop na teknolohiya." Kung ang mga teknolohiyang ito ay kumikita at kung sila ay lilitaw - sasabihin ng oras. Napakaraming problema sa teknolohiya ang kailangang lutasin. Bilang karagdagan sa produksyon ng gas, din kakailanganin itong i-compress o tunawin, na mangangailangan ng isang malakas na compressor sa barko o isang cryogenic na halaman. Samakatuwid, ang produksyon ng mga gas hydrates ay malamang na nagkakahalaga ng higit sa shale gas, ang gastos sa produksyon na kung saan ay $120-150 kada libong metro kubiko.Para sa paghahambing: ang halaga ng tradisyunal na gas mula sa tradisyonal na mga patlang ay hindi hihigit sa $50 kada libong metro kubiko.

Nikolai Blinkov