Сметан-гидраты или сметан-матан

Продолжаем разбирать метан-гидраты и их ERoEI.

В первой статье http://aftershock.news/?q=node/318722 мы выяснили, что один кубометр пласта на "классическом" газовом месторождении может отдать 27 стандартных кубов газа, а на "газогидратном" - вдвое больше, 54 кубометра (все числа приблизительные «средние»: на конкретном месторождении может быть и вдвое больше, и в четыре раза меньше).

Во второй статье http://aftershock.news/?q=node/318908 объяснялось, что месторождения метан-гидратов сидят ПОД поверхностью. То, что находят глубоководные аппараты на дне моря, называется на языке геологов не «месторождение», а «проявление». Месторождение отличается от проявления тем, что из месторождения минеральное сырьё можно извлекать в промышленных объёмах, а проявление – это геологический курьёз. Скажем так: в 1854 году на берегу ручья австралийский фермер заметил что-то блестючее. Оказалось – небольшой золотой самородок. Фермер, не будь дурак, самородок продал и на вырученные деньги пригласил геологов, которые так заинтересовались, что пригласили богатенького инвестора. В октябре 1867 нашли россыпное золотишко, а через два года – и коренную жилу. Интересно, что и то, и другое – к ручью на территории фермы не относилось никаким боком, и одинокий самородок так и остался необъяснённым. Кукабарра в клювике принесла. Да, было и такое объяснение. Кукабарры – по повадкам похожи на наших сорок. Тянут в гнездо всё блестючее. Так вот: самородок – это «золотопроявление». А промышленное месторождение Гимпи ещё пришлось поискать 13 лет, и угрохать на поиски кучу денег.

Впрочем, о том, как по-настоящему ищут месторождения метан-гидратов – будет отдельная статья. Нет – не батискафами. Водолазы тоже отдыхают. Наберитесь терпения. Кстати, ищут таки-мало потому что до самого последнего времени было неясно, как этот вмороженный в лёд метан добывать в промышленных объёмах.

Итак, мы размазали по столу сметану. Как будем есть? Пользователю надо знать тактико-технические характеристики ложки. Понадобится матан.

Добывать газ из классического месторождения, как в той рекламе: "нелегко, а о-о-очень легко!" Легче, чем черпать сметану из банки. Дело в том, что в классическом месторождении газ находится под давлением. Мы считали в первой статье: 300 атмосфер (зависит от глубины и геологических условий, но примерно такое число в среднем). То есть, достаточно пробурить скважину, и газ сам рвётся на поверхность. Этой потенциальной энергии газа (ещё раз: не тепловой энергии от сжигания, а потенциальной энергии давления) на начальном этапе добычи хватает не только чтобы поднять газ из скважины, но и для того, чтобы затолкать добытый газ в трубопровод. Несколько позже, когда давление в залежи падает, для заталкивания в трубопровод приходится ставить компрессорную станцию. Но так или иначе, из-под земли газ выходит сам! Инженеры-разработчики используют специальный термин: «энергия залежи». Именно про давление (и температуру) в пласте, а не про энергию сгорания газа.

Так вот: плохие новости! У залежи газогидратов – энергия отрицательная! Метан сидит в «шкатулке» из молекул воды, и его надо как-то освободить. Фазовая диаграмма существования метан-гидратов выглядит так:

Пусть наше учебно-тренировочное месторождение находится на глубине 1100 метров. Почему я выбрал такую глубину? Потому, что именно такая была у первой скважины Jogmec, пробуренной и испытанной на Аляске в 2002 году. Гидростатическое давление на забое скважины примерно 110 атмосфер. На диаграмме выше видно, что Jogmeс выбрала такую глубину недаром. Кроме кривой температурной стабильности, на диаграмме приведена кривая геотермального градиента. На забое скважины, метан-гидрат – это уже не «желтоватый лёд», а жидкая фаза!  На диаграмме выше, жидкую фазу от твёрдой отделяет почти вертикальная линия в районе 0 градусов Ц. (Енерал на бронепоезде, закройте рубочный люк!)  Чтобы освободить метан, требуется всего лишь нагреть эту жидкость на 3-5 градусов Цельсия.

Подсчитаем затраты энергии на такой нагрев.

В одном кубометре породы находится примерно 0.7 кубометра песчаника и 0.3 кубометра порового объёма. Здесь и далее, я буду использовать некие условно-разумные числа: например, реальная пористость залежи может быть и 0.20 и даже 0.05.  Вот чего не может быть, так это пористости выше 40% -- гидрат пластичен, и без поддержки матрицы -- схлопнется.  (Енерал, ну закройте же люк, наконец!  Сквозит!)

Плотность матрицы песчанка: 2650 кг/м³, плотность жидкой фазы метан-гидрата 980 кг/м³. Итого, в кубометре залежи находится 1855 кг песчаной матрицы и 295 кг гидрата. Теплоёмкость и того, и другого – получаем из таблиц Инженерского Ящика: http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-capacity-d_391.html

Пусть надо нагреть породу на 5 градусов. Итого: 5*(1855*830+295*4182)=14 МДж.

Как добывали метан из гидратов в 2002?

В обсаженную и отперфорированную скважину спустили буровую колонну с открытым концом. Верх колонны был схвачен резиновым мешком превентора, а выкидную линию вывели на сепаратор. Из сепаратора вода подавалась на нагреватель, а затем закачивалась в скважину. По соображениям безопасности, температура воды была выбрана 80Ц. Интересно, что вся аппаратура была вполне стандартной: точно такие сепараторы, насосы, теплообменники используют при испытаниях любых нефтяных скважин.

А вот теперь нам понадобится наше первое уравнение.

это придумал дедушка Фурье аж в 1822 году,

Что тут за буквы?

Вектор теплового потока u измеряется в Дж/с/м². Это и есть перенос тепла. Направлен вектор по оператору «набла», то есть по градиенту температуры.

h – коэффициент теплопередачи, для жидкой фазы метан-гидрата или воды, он примерно одинаков, и почти константа в широком диапазоне температур: 0.58 Дж/с/м/^◦К. Для песчаника, он больше: 1.7. Значения из того же «Инженерного Ящика». Раз у нас порода состоит из песчаника на 70%, прикинем среднее: 1.7*0.7+0.58*0.3=1.36. В реальности, будет несколько больше, так как зависимость теплопроводности нелинейная по объёму. Примем 1.45.

Мерить температуру в К, а не в Ц, нам приказал Кельвин. Вежливые пожелания лорда надобно выполнять как приказ! Впрочем, для «набла» – это пофиг, так как ему важна разница в градусах.  Т – температура в тех же ^◦К.

Наша скважина на Аляске имеет диаметр 12.25 дюйма, то есть 0.311 метра. Если пласт гидратов ровно один метр толщиной, то первый кубометр породы от скважины – это кольцо с внутренним радиусом 0.16 м и внешним радиусом 0.54. Следующий кубометр – это кольцо внутренним радиусом 0.54 и внешним 0.59. И так далее.

До закачки горячей воды, градиент температуры по радиусу от скважины был примерно ноль.

Сразу после начала закачки, градиент в первом кубометре (80-10) / (0.54-0.16) = 184 градуса на метр, то есть первый метр прогревается со скоростью 184*1.45 = 266.8 Дж/с. Чтобы доставить в первый кубометр желанные 14 МДж тепла, надо затратить 14000000/266.8 = 52500 секунд, то есть чуть более 14.5 часов! Чтобы прогреть второй кубометр, понадобится ещё 16.3 часа, и так далее. Если качать воду при температуре 80Ц в течение одного года, прогреется около 95 кубических метров пласта, то есть ничтожное расстояние всего 4 метра от скважины. Помните, что один кубометр прогретой породы давал 54 кубометра стандартного метана? Значит, за год получится чуть более 5000 кубометров газа.

Конечно пласт метан-гидратной залежи толщиной в 1 метр никто в здравом уме бурить не будет (для енералов: один метр -- это не промышленное месторождение). В реальной Аляске пласт был не 1 м, а около 200. То есть, результаты нашего вычисления надо умножить примерно на 200, миллион кубометров газа в год, 2700 кубометров в сутки. Но это в теории.

Как водится, первый метан-гидратный блин вышел комом. Японцы «с удивлением» обнаружили, что закачивая воду с температурой 80 градусов, на глубине пласта получается всего 50. С таким градиентом на забое, за пять дней испытаний получили чуть менее 470 м³ метана. Однако, чему же тут удивляться? Прокачивали воду через ничем не изолированную километровую трубу в вечной мерзлоте! Следовало бы спросить мсье Фурье в 1822 году.

Первый блин – простительно. А вот как горел добытый при испытаниях на Аляске 2008 года:

Но это – следующая сметанная история.

Удачи.