Перспективы добычи метана в условиях вечной мерзлоты

Москва. В апреле стало известно, что ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Китая и Саудовской Аравии разработали компьютерную модель для безопасной добычи «огненного льда» - так называют газогидраты с метаном внутри.

Что такое газогидраты, почему их называют «ключом к энергетическому будущему Арктики» и с какими вызовами сталкивается отрасль при их освоении - об этом Агентство нефтегазовой информации разбиралось вместе с отраслевыми экспертами.

«Газогидраты - это клатратные соединения, где молекулы метана (или других газов) «заперты» в кристаллической решетке воды, образуя ледоподобную массу. В Арктике они формируются в зоне многолетней мерзлоты на суше и в придонных осадках шельфа при низких температурах (ниже 0-4 °C) и высоком давлении (глубже 300-500 м на суше или 300-700 м под водой)», - поясняет ученый Института криосферы Земли СО РАН, к. т. н. Надежда Молокитина.

Российский арктический шельф (моря Лаптевых, Восточно‑Сибирское, Чукотское) содержит огромные скопления газовых гидратов из‑за холодных придонных вод и реликтовой мерзлоты. Исследования Института проблем нефти и газа РАН и ТОИ ДВО РАН показывают, что гидраты здесь - не только ресурс, но и фактор геодинамики: их разложение может провоцировать выбросы метана. Международные данные подтверждают: в Арктике гидраты сосредоточены в пермафросте и субмаринных осадках. Глобальный объем оценивается в 1,5-10 тыс. гигатонн углерода - больше, чем все традиционные запасы углеводородов вместе взятые.

По оценкам РАН и отраслевых институтов Газпрома только в российской Арктике ресурсы сопоставимы с десятками триллионов куб. м газа. Ключевой пример – одно из месторождений в Западной Сибири, введенное в эксплуатацию в 1970 году: первое в мире промышленно разрабатываемое газогидратное, где верхняя часть залежи - гидратная, нижняя - свободный газ.

На шельфе, по мегарегиональному прогнозу академии, ресурсы метана в гидратах превышают 1 трлн тонн - это энергетический резерв на столетия и ключ к развитию Арктической зоны РФ. Они могут обеспечить СПГ‑проекты и локальную энергетику в условиях санкций и удаленности.

Международные оценки (DOE США, JOGMEC Япония) схожи: только на Аляске - до 85 трлн куб. футов технически извлекаемых ресурсов. Глобально гидраты - «будущий газовый гигант», но пока некоммерческий.

Риски освоения гидратов

Среди вызовов при добыче метаногидратов первое – это термобарическая нестабильность: соединения разлагаются неравномерно, вызывая пескопроявления и обрушение пласта. Это требует точного контроля давления и температуры. Экологические угрозы: неконтролируемые выбросы метана (в 25-30 раз сильнее CO₂ по парниковому эффекту), подводные оползни. Арктические условия: экстремальный холод, льды, удаленность, а также, санкционные ограничения на импорт технологий. Проблемы инфраструктуры: газогидратные пробки все чаще формируются в системах добычи, подготовки и транспортировки газа.

«Если раньше подобные проблемы возникали лишь на отдельных участках при разработке южных месторождений, то сегодня они образуются уже в стволе скважины. Чтобы предотвратить их появление, компании вынуждены использовать ингибиторы - специальные добавки, препятствующие гидратообразованию. Наиболее распространённый вариант - метанол. Его применяют в больших количествах, что вызывает озабоченность из‑за токсичности вещества. Поэтому сейчас активно ищут способы оптимизировать расход этих химикатов без ущерба для эффективности», - отмечает Надежда Молокитина.

Природные аномалии: изменения климата нарушают стабильность гидратов, что может приводить к выбросам газа. Например, на Ямале неоднократно фиксировались воронки водогазового выброса - ровные по контуру отверстия, заметные даже на космических снимках.

«Некоторые ученые связывают появление воронок с разложением газовых гидратов: в трещинах горных пород скапливаются газ и вода, и когда внутреннее давление превышает сопротивление осадочного чехла, происходит выброс, - добавляет Надежда Молокитина. - Фрагменты осадочных пород могут разлетаться на несколько километров - это представляет серьезную угрозу для нефтегазовой инфраструктуры, хотя и возникает вдали от населенных пунктов. Впрочем, не все исследователи согласны с тем, что источником газа в таких случаях служат именно гидраты, но сама гипотеза остается актуальной».

Международный опыт

В Японии в ходе тестов (Nankai Trough, 2013 и 2017 гг.) применяли депрессионный метод (снижение давления для диссоциации гидратов). Выявили проблемы с низкой проницаемостью глинистых илов, но подтвердили возможность контролируемого извлечения метана.

В Китае в 2017 году в ходе первого теста с использованием вертикальной скважины за 60 дней добыли около 309 000 м³ газа (среднесуточно ~5 151 м³, максимум - до 35 000 м³/сут). Это первый в мире успешный морской тест в тонкозернистых осадках. В 2020 году во втором тесте применили горизонтальную скважину на глубине ~1 225 м: за 30 дней получили 861 400 м³ газа (среднесуточно 28 713 м³ - в 5,57 раза выше результата первого теста). Дополнительно использовали контроль песка, стимуляцию пласта и точное управление депрессией в мягких приповерхностных осадках, решив проблемы устойчивости устья и направленного бурения. Мониторинг подтвердил отсутствие аномальных выбросов метана в воду и атмосферу.

В Канаде в 2002 году международный консорциум (Канада, Япония, США, Германия, Индия) пробурил 3 скважины, получил керны гидратов, выполнил каротаж и сейсмическое изучение. В 2007-2008 гг. тестировали депрессионный метод и термическую стимуляцию - получили устойчивый поток газа, подтвердили возможность контролируемой диссоциации. Применяли многостадийную депрессионизацию, геомеханический мониторинг, горизонтальные и вертикальные скважины. После 2008 года страна существенно сократила полевую активность: фокус сместился на моделирование и лабораторные симуляции (в т. ч. из‑за низких цен на газ и интереса к сланцевому газу). На 2025-2026 гг. планов коммерческой добычи нет, сделан акцент на климатических рисках и влиянии потепления на стабильность гидратов.

В США (Аляска, 2023–2024 гг.) тесты выявили те же проблемы - песок, низкая проницаемость в глинистых илах, экологические риски.

Краткосрочные тесты Японии и Китая показали минимальное воздействие на окружающую среду при контролируемой добыче (метан в основном улавливался, выбросы в атмосферу - ниже пороговых значений), но долгосрочный эффект на биоразнообразие и микробные сообщества пока изучен недостаточно. Ни одна страна пока не вышла на коммерческую добычу.

Перспективы технологий транспортировки

Изучается возможность транспортировки газа в твердом гидратном состоянии. Хотя экономическая целесообразность пока не доказана, для России эта технология может быть перспективнее: в арктической зоне большую часть года держатся отрицательные температуры, что снижает энергозатраты на поддержание нужного режима.

Однако есть существенные ограничения: в одном объеме гидрата содержится 180 объемов газа (против 600 СПГ); приходится перевозить большое количество воды, входящей в состав гидрата; скорость образования гидратов остается низкой: даже применение промотирующих добавок, ускоряющих процесс, пока не позволяет достичь уровня, необходимого для масштабного внедрения технологии.

«Поэтому сегодня гидратная транспортировка рассматривается как вариант для небольших объемов, например, попутного нефтяного газа или сырья с низкодебитных месторождений, - поясняет Надежда Молокитина. - Кроме того, изучается возможность создания хранилищ газа в твердом гидратном состоянии: такие резервные источники энергии могли бы сглаживать перебои в поставках или колебаниях потребления в отдельных регионах. Сроки широкого внедрения этих технологий зависят не только от научных достижений, но и от политико‑экономических условий. По оценкам экспертов, масштабное применение решений может стать реальностью через 20-30 лет - при условии решения ключевых технических и экономических задач».

В Корее и Японии уже реализован пилотный проект - завод производительностью 5 т в сутки. В рамках международного союза десяти стран была разработана нормативная документация, а также опробована транспортировка газа в гидратной форме наземным и морским транспортом. Однако эксперимент показал низкую рентабельность: процесс требовал значительных затрат на охлаждение систем.

Роль метана в глобальном потеплении

По данным ИПНГ РАН и экспедиций на восточно‑арктическом шельфе (моря Лаптевых, Восточно‑Сибирское), метан - второй по значимости антропогенный парниковый газ после CO₂: он отвечает примерно за 30% наблюдаемого потепления с доиндустриального периода, что согласуется с международными оценками.

Потенциал глобального потепления (GWP) для ископаемого метана (например, при добыче газа или разложении гидратов) составляет GWP100 ≈ 29,8, для биогенного - ≈27,0 (с учетом окисления в CO₂). На горизонте 20 лет GWP значительно выше - около 80-83, то есть в краткосрочной перспективе метан воздействует на климат гораздо сильнее CO₂. При этом время жизни газа в атмосфере - около 10-12 лет (против столетий и тысячелетий у CO₂), поэтому сокращение его выбросов дает быстрый климатический эффект.

Шельф Восточной Арктики - один из крупнейших природных источников вещества: метановые сипы и «факелы» действуют тысячелетиями из‑за деградации подводной мерзлоты. Значительная доля достигает атмосферы, усиливая региональное потепление - Арктика греется в 3-4 раза быстрее глобального.

При этом, большая часть выбросов метана окисляется в океане. Расширение арктических влажных земель на 25% из‑за потепления и осадков усиливает эмиссию (положительная обратная связь), но это управляемый процесс. Сокращение антропогенных выбросов метана (в рамках Global Methane Pledge) может предотвратить ~0,1 °C потепления к 2050 г. - это быстрый и эффективный рычаг. Тесты добычи гидратов в Японии, Китае и на Аляске показали низкие выбросы при условии улавливания газа.

Прогноз и выводы

По данным Газпрома и оценкам ИПНГ РАН традиционный газ остается основой арктической добычи на ближайшие 20-30 лет, а газогидраты - стратегическим резервом «второго эшелона». При этом, по сценариям РАН и отраслевых стратегий к 2045-2055 гг. гидраты могут стать 10-20% российской арктической добычи газа.

По словам независимого отраслевого эксперта Антона Соколова, несмотря на значительный интерес, технологии поиска и добычи метаногидратов пока не созданы.

«Существует гипотеза, что на некоторых действующих месторождениях добыча ведется не за счет свободного газа, а за счет метана, выделяющегося при разложении гидратов. Однако подтвердить это на практике пока не удалось», - добавляет эксперт.

По его мнению, в ближайшие 20-30 лет прорыв в добыче метаногидратов маловероятен.

«На рынке нет острого дефицита природного газа, поэтому приоритет отдается более доступным источникам энергии. Исторически технологические прорывы в энергетике происходили в периоды кризисов (например, нефтяной кризис 1973 года стимулировал интерес к трудноизвлекаемым запасам и альтернативным источникам). Пока такого кризиса нет, развитие идет эволюционно. В рамках „зеленой“ повестки активнее развиваются: водородная энергетика; возобновляемые источники энергии», - размышляет Антон Соколов.

По его мнению, сегодня исследования метаногидратов носят преимущественно научный характер. Их промышленная разработка может стать актуальной лишь при значительном росте цен на энергоносители, исчерпании традиционных запасов или ужесточении требований к сокращению выбросов парниковых газов.

Глобальные прогнозы допускают запуск пилотных проектов в Японии, Китае, США и, возможно, России в 2045-2055 годах. Полноценная же роль метаногидратов, по мнению мирового научного сообщества, может проявиться после 2050-х как дополнение к ВИЭ и традиционному газу (по DOE и USGS).

Фото с сайта FreePik, автор - boyarkinamarina