Гидрат метана - NiNa.Az

Гидрат метана (формула CH₄·5,75 H₂O или 4 CH₄·23 H₂O), 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 1940-е годы советские учёные (Стрижов, Мохнаткин, Черский) высказывали гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне многолетней мерзлоты. В 1960-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.

Распространение гидрата метана в морях

Распространение 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.

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 ниже 0 °C — 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%-й 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.

Гипотеза о метангидратном ружье

Основная статья: Гипотеза о метангидратном ружье

Гипотеза о метангидратном ружье предполагает, что при повышении температуры океана и/или изменении уровня моря метановые клатраты в морских глубинах могут подвергнуться стремительному разложению. Высвобождающийся при этом метан способен многократно усилить потепление и запустить самоусиливающуюся «разгонную» реакцию в климатической системе. Геологические данные указывают, что в прошлом такие резкие выбросы могли происходить при потеплении океанических вод или глобальных изменениях уровня моря, и тогда они приводили к существенным сдвигам в климате. Климатические модели учитывают возможные утечки метана из гидратов и полагают, что распад клатратов будет происходить относительно медленно — в течение столетий или даже тысячелетий. Тем не менее эти отложения метана нередко называют «бомбой замедленного действия»: если глобальное потепление выйдет из-под контроля, крупномасштабный распад гидратов может значительно усугубить климатические проблемы.

См. также

• Газовые гидраты

Примечания

1. Алексей Бялко. Подводное торнадо: микроюбилей открытия  (неопр.). Элементы (2017). Дата обращения: 23 мая 2019. Архивировано 1 июля 2019 года.
2. Agreements to boost bilateral ties  (неопр.). www.chinadaily.com.cn. Дата обращения: 19 февраля 2018. Архивировано 20 февраля 2018 года.
3. Japan taps gas from methane hydrate. BBC News (англ.). 12 марта 2013. Архивировано 26 августа 2017. Дата обращения: 19 февраля 2018.
4. Tabuchi, Hiroko (12 марта 2013). An Energy Coup for Japan: 'Flammable Ice'. The New York Times (англ.). Архивировано 1 октября 2019. Дата обращения: 19 февраля 2018.
5. China claims breakthrough in 'flammable ice'. BBC News (англ.). 19 мая 2017. Архивировано 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.). 19 мая 2017. Дата обращения: 19 февраля 2018.
7. The Methane Gun (англ.). Millennium Alliance for Humanity and Biosphere (29 октября 2019). Дата обращения: 28 января 2024. Архивировано 20 января 2024 года.
8. Scrutiny of IPCC report “Climate Change 2013: The Physical Science Basis” (англ.). Climate Change Commitee (30 января 2014). Дата обращения: 28 января 2024. Архивировано 3 октября 2023 года.
9. Fox-Kemper, B.; Hewitt, H. T.; Xiao, C.; Aðalgeirsdóttir, G.; Drijfhout, S. S.; Edwards, T. L.; Golledge, N. R.; Hemer, M.; Kopp, R. E.; Krinner, G.; Mix, A.; Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pirani, A.; Connors, S. L.; Péan, C.; Berger, S.; Caud, N.; Chen, Y.; Goldfarb, L. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (англ.). — Cambridge: Cambridge University Press, 2021. Архивировано 9 августа 2021 года.

Литература

• Дж. Кэрролл. Гидраты природного газа. — Технопресс, 2007. — 316 с.
• Pedchenko M.M. The formation of hydrates hydrocarbon gases – Poltava, 2014. – 182 p. (Ukrainian)

Ссылки

• О возможном разрушении части мировых запасов метановых газогидратов и учёте некоторых обратных связей при прогнозировании климатических изменений Олег Иващенко
• Газовые гидраты Дядин Ю. А., Гущин А. Л. Соросовский образовательный журнал, 1998
• Where are Natural Methane Hydrates Found?