A Russian article on the methane hydrate bomb

Метан в мерзлоте - ресурс 
или опасность?

GoArctic,

12 February, 2019

С самого начала освоения территорий, где есть вечная мерзлота, люди начали сталкиваться с неожиданными выходами газа. Особенно в тех районах, где впоследствии обнаружились месторождения углеводородов. Эти газопроявления продолжают фиксировать и поныне. Интенсивность газовыделений из мёрзлых толщ различна, время существования тоже. Одни из них могут затухать достаточно быстро, другие продолжаются месяцами. Различается и глубина, с которой поступает внутримерзлотный газ. Особенно это заметно при бурении в пределах нефтегазоконденсатных месторождений в Арктике и, прежде всего, на севере Западной Сибири. Газ может поступать с небольших глубин (первые десятки метров) при инженерно-геологическом бурении скважин (см. фото заставки) и даже при проходке шурфов в несколько метров в мёрзлых породах. Также газопроявления фиксируются из глубоких горизонтов мёрзлых толщ (до ста и более метров) при строительстве добывающих скважин:

Газопроявление при бурении на Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении с глубины 64 м (фото В.В. Кондакова, НТФ «Криос»).

Иногда поток газа из мерзлоты может обладать очень большой силой. В литературе описаны случаи выбросов мощной струей выходящего газа не только песка и ледяной крошки, но и тяжёлого бурового инструмента на высоту более десяти метров. И это при совсем небольших глубинах бурения (10-50 метров). На арктическом шельфе при вскрытии подводной мерзлоты также фиксируются газовыделения. В качестве примера можно привести случай, когда под толщей воды более 60 метров была вскрыта «газовая залежь» на поддонной глубине около 50 метров, что привело к образованию газоводного фонтана, поднявшегося на 10 метров над поверхностью воды.

Непредсказуемые и часто интенсивные газовые выбросы из мерзлоты создают технологические проблемы при бурении, сооружении и эксплуатации скважин, добывающих углеводороды, и могут приводить к различным аварийным ситуациям вплоть до пожаров.

В последние десятилетия, в связи с активным освоением арктических регионов, спонтанные газопроявления из мерзлоты всё больше стали привлекать внимание учёных. Необходимо было понять: что это за газ начинает выделяться там и тогда, где и когда его не очень ожидают обнаружить? Какова природа его возникновения? Может ли он послужить человеку во благо? Или является если не опасным спутником любой хозяйственности деятельности на севере, то просто досадной помехой в работе?

Сейчас большинство исследователей сходятся на том, что газ в мерзлоте может иметь различный генезис и присутствовать в разных формах.

По форме нахождения газ в мерзлоте может присутствовать как в виде свободного газа, так и в виде газовых гидратов, а по своему происхождению (генезису) может быть условно разделён на местный (биохимический) и глубинный (катагенетический). Ниже мы подробнее обсудим эту условную упрощённую классификацию. Называя её условной, мы исходим из того, что в реальности внутримерзлотные газовые скопления могут включать в себя различные по своему происхождению и форме нахождения газовые образования.

Так каким же образом газ может аккумулироваться в мерзлоте и даже образовать там большие скопления?

Биохимический свободный газ образуется из органического материала, который накапливается внутри таликовых (немёрзлых) зон, расположенных в пределах многолетнемёрзлых пород. Это могут быть болота, талики под руслами рек и озёр. В короткое арктическое лето в этих талых отложениях, насыщенных органическими веществами, кипит активная жизнь. Микроорганизмы стараются успеть пройти весь биологический цикл, и их бурная жизнедеятельность сопровождается выделением большого количества газов, насыщающих болотную и озёрную среду.  Если такой высоковлажный талый грунт будет промерзать в зимний период, то растущие кристаллы льда постепенно отожмут образовавшийся в донных отложениях газ вниз по разрезу. Такое отжатие газа от поверхности земли при многолетнем промерзании может продолжаться до глубин десятков метров. Естественным упором для такого отжатия становятся многолетнемёрзлые породы, залегающие под таликом и вокруг него. В случае, если талик замкнут со всех сторон мёрзлыми породами, при его всестороннем промерзании в оставшейся талой зоне будет происходить так называемое «криогенное концентрирование газа». Газ в этом случае попадёт как бы в ловушку и будет находиться там под давлением, можно сказать, в «законсервированном и концентрированном» виде. При случайном вскрытии в ходе бурения такой «газовой ловушки» (также их часто называют «газовыми карманами») может начаться спонтанный выход газа. 

Этот относительно молодой по возрасту газ, образовавшийся при микробиальной переработке органического вещества в приповерхностной части криолитозоны, по своему составу (преимущественно метан с незначительным содержанием двуокиси углерода) будет существенно отличаться от газа из нижележащих продуктивных горизонтов. Газ, поступающий из глубины, имеет совершенно иной генезис и значительно более солидный возраст. Кроме метана в его составе могут присутствовать в значительном количестве различные гомологи метана (этан, пропан и др.).

Этот глубинный газ называют также катагенетическим или термогенным. Он образуется на больших глубинах от сотен метров до нескольких километров в результате преобразования осадочных пород под влиянием повышенных температур и давлений. Как же он попадает в мёрзлые породы? Пути его могут быть различны. Одним из них является многолетнее промерзание газоносных коллекторов или газонасыщенных угольных залежей, сформировавшихся в предыдущие геологические эпохи и залегающих на небольшой глубине, сопоставимой с мощностью криолитозоны. Другим способом попадания глубинных газов в интервал многолетнемёрзлых пород является их миграция по проницаемым зонам земной коры. Образованию таких проницаемых зон может способствовать неотектоническая активность в данном регионе, в результате которой часто возникает субвертикальная трещиноватость горных пород. По этим трещинам и поднимаются из самых глубин Земли газовые флюиды. Иногда эти газы могут иметь возможность прямой разгрузки в атмосферу или гидросферу. Но в ряде случаев она может быть остановлена, например, при промерзании отложений сверху и образовании своеобразной непроницаемой мёрзлой покрышки. При этом вдоль зон трещиноватости будут формироваться полости, заполненные газом. И тут можно снова говорить об образовании «криолитологических газовых ловушек» для восходящего свободного газа.

Но помимо свободного газа, то есть существующего в привычной всем нам газообразной форме, в условиях мерзлоты газ может также присутствовать в связанном состоянии – в виде гидрата. Позволим себе в общих словах описать эти соединения для тех наших читателей, кто мало знаком с этой формой существования газа. Газовыми гидратами называют кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и  газа. В гидратах молекулы воды образуют ажурный каркас, имеющий полости, которые могут занимать молекулы газа. Гидраты газов также называют клатратами (от латинского clat(h)ratus — «закрытый решёткой, посаженный в клетку»). Благодаря своей клатратной структуре единичный объём газового гидрата может содержать до 160—180 объёмов чистого газа. Скопления кристаллов газового гидрата напоминают ледяную массу, которую весьма условно можно назвать газом в твёрдом состоянии. Вероятность образования гидратов увеличивается с повышением давления и понижением температуры. При повышении температуры или уменьшении давления гидрат может «таять» - разлагаться на газ и воду, сопровождаться это будет активным шипением и пузырением «гидратного льда».

Во второй половине XX века впервые в мире газогидраты в природных условиях были обнаружены на севере СССР. Советскими учёными в 1970 гг. было сделано открытие - «Свойство природных газов находиться в твёрдом состоянии в земной коре», их существование связывалось с так называемой «зоной стабильности». В земной коре эта зона, которая характеризуется определённым соотношением температуры и давления, находится в некотором интервале от поверхности. В криолитозоне кровля зоны стабильности гидратов находится на глубине 200-250 метров от поверхности. В соответствии с этими представлениями, газовые гидраты не могут существовать в равновесных условиях выше этой границы, так как отсутствуют необходимые термобарические условия. То есть если мощность многолетнемёрзлых пород меньше 250-300 метров, то гидраты углеводородов (в частности, самого распространенного среди них – метана) искать бесполезно, они не могут существовать за пределами зоны стабильности.

Но на самом деле гидраты в криолитозоне могут существовать и выше зоны стабильности – в самых верхних слоях мерзлоты. Это так называемая «зона метастабильности газовых гидратов». Существование гидратов в этой зоне возможно за счёт «эффекта самоконсервации». Состоит он в следующем. Если происходит нарушение термодинамических условий, в которых газовый гидрат существует в зоне стабильности, то начинается его разложение на газ и воду. Но если снижение давления на газовый гидрат происходит при отрицательной температуре, то на поверхности гидрата начнётся образование корки льда. Она формируется из выделившейся при разложении гидрата переохлаждённой воды. Когда ледяная «шуба» окружит гидрат со всех сторон и закроет все его свободные поверхности, последующее разложение гидрата может практически прекратиться. Можно сказать, что ледяная корка практически непроницаема для молекул газа. Кстати, именно потому, что лёд даже теоретически является очень слабо проницаемым для молекул газа (вклад диффузии молекул газа по плёнкам незамёрзшей воды слишком мал), мёрзлые льдонасыщенные породы считаются, и по сути своей являются, абсолютным упором для газовых флюидов. Из этого следует, что выше зоны стабильности может существовать зона, где низкого внешнего давления недостаточно для формирования гидратов, но температуры держатся стабильно отрицательными, что обеспечивает длительную консервацию гидратов, которые были образованы ранее в благоприятных условиях. Такие гидраты обычно называют «реликтовыми» или «палеогидратами». Эти гидраты могли образоваться при равновесных (стабильных) термобарических условиях в газонасыщенной толще, когда необходимое высокое внешнее давление обеспечивалось мощным ледниковым покровом или трансгрессией холодного моря. В случае падения давления при отступлении ледника или регрессии моря сформировавшиеся газовые гидраты могли избежать полного разложения за счет эффекта самоконсервации. Однако теперь условия их существования становятся метастабильными, то есть газовый гидрат может избежать разрушения при небольших колебаниях температур и давлений. Но при существенных изменениях в системе, например, при вскрытии в результате бурения, газогидрат будет интенсивно разлагаться с выделением большого количества газа.

В мерзлоте газовые гидраты могут формироваться на небольшой глубине (в зоне метастабильности) и в настоящее время. Если свободный газ (метан) любого генезиса попадает в криолитологическую «газовую ловушку», то там он вполне может стать участником процесса гидратообразования вследствие кратковременного подъёма давления в замкнутом объёме при промерзании. А в дальнейшем при снижении давления газогидратные образования могут сохраняться в метастабильном состоянии за счёт самоконсервации.

Сегодня, когда весь мир озабочен поисками нетрадиционных источников энергии, конечно существует большое искушение рассматривать газовые и газогидратные скопления в мерзлоте как потенциальный источник газа. Но серьёзно над этим вопросом стали задумываться лишь около двадцати лет назад, тогда же стали появляться первые попытки оценки ресурсов газа в таких скоплениях. Теоретически достаточно просто объяснить, что наибольшими перспективами в этом отношении обладают те области криолитозоны, где возможно наложение ареалов распространения внутримерзлотных газов различного генезиса. Некоторыми исследователями были даже предложены схемы такого распространения на территории России. Однако практические целенаправленные поиски ресурсов внутримерзлотного газа не проводились. Поэтому оценить эти ресурсы можно, опять же, лишь теоретически, исходя из общих представлений о формировании и накоплении природного газа в мерзлоте. При этом, в зависимости от методики подсчёта, минимальное и максимальное значения определяемых ресурсов в конкретном регионе могут различаться в несколько раз. Исходя из этих оценок, общие прогнозные ресурсы внутримерзлотных скоплений газа для всей криолитозоны России могут достигать десяти и более трлн м3. Но эти ресурсы, по-видимому, очень широко «размазаны» и по площади, и по глубине разреза мёрзлой толщи. И лишь небольшое количество крупных скоплений газа в свободном виде или в форме газовых гидратов может считаться перспективным для серьёзной промышленной разработки. В большинстве же случаев более вероятным представляется их использование для местных потребностей, например, для газоснабжения небольших населённых пунктов, научных станций и т.п.Рассмотрев в общих чертах форму нахождения, источники появления и ресурсы газа в многолетнемёрзлых породах, мы можем снова вернуться к рассмотрению непосредственно самих газопроявлений из мерзлоты.

Очевидно, что помимо потенциального энергоресурса существование в мёрзлых породах скоплений газа, и особенно неконтролируемые газопроявления из мерзлоты, представляют собой определённую угрозу сразу в нескольких областях.

Прежде всего, современный человек, озабоченный проблемами экологии, вспомнит о глобальном потеплении и парниковом эффекте. И будет совершенно прав. Такая мощная, холодная, имеющая в качестве характеристики определение «вечная» - мерзлота на самом деле очень чувствительна к изменению условий окружающей среды и достаточно хрупка. Конечно, мёрзлые толщи обладают большим запасом холода и, следовательно, инерцией при колебаниях температур воздуха на поверхности Земли. Но именно благодаря этой инерции проникновения тепловой волны в аномально «жаркие» годы, отклик на это может последовать лишь спустя несколько лет. Изменение теплового состояния криолитозоны приводит не только к вытаиванию подземных льдов с образованием термокарстовых котловин, но и к выходу на поверхность газов, находящихся в мерзлоте. Над озёрами, которые образовались в результате термокарста, в тёплое время года фиксируется повышенное содержание метана, поднимающегося из глубин мерзлоты, а сами потоки газа могут вызывать на поверхности воды бурление в виде грифонов. А в холодное время года ледовый панцирь термокарстовых озер существенно тормозит эмиссию газов в атмосферу. Однако именно в зимние месяцы мы можем также наблюдать процесс выхода метана на дневную поверхность, но уже по пузырькам газа, заключённым во льду:

Накопление пузырькового метана во льду термокарстовых озер (nat-geo.ru).

Поскольку многие тундровые озёра не промерзают до самого дна, то в донных отложениях и в самих таликовых зонах под дном озера и зимой не прекращается аккумуляция метана. Газ, который в холодный период накапливается подо льдом водоёма, по мере увеличения толщины ледяного покрова частично вмерзает в него. Весной при таянии такого льда произойдёт очередной мощный выброс парникового газа в атмосферу. Конечно не весь газ, поднимающийся на поверхность, был законсервирован в мерзлоте или образовался в ближайший временной отрезок в донных отложениях при их микробиальной переработке. Часть газа могла пройти транзитом по трещиноватым зонам и разломам и, не задерживаясь мерзлотой, сразу разгрузиться в атмосферу в таликовой зоне, которая имеет большую проницаемость для газов, чем мёрзлые породы. Поскольку именно водные объекты, реки и озёра приурочены к зонам повышенной трещиноватости, то по таликовым зонам, по их периметру, как раз и может происходить разгрузка транзитных газов из подмерзлотных горизонтов. Поэтому, как правило, на обводнённых территориях фиксируется большее содержание парниковых газов, чем над более сухими участками. И свой вклад в этот объём вносят, наряду с другими источниками, и газы, поступающие непосредственно из вечномёрзлых пород.

В последнее десятилетие внимание учёных привлёк ещё один процесс проявления активной жизни «вечной мерзлоты». Он характеризуется внезапностью и быстротой проявления и выражается в возникновении на поверхности земли воронок или кратеров, имеющих более десяти метров в диаметре, а по глубине – несколько десятков метров. Они имеют правильную (цилиндрическую или конусовидную) форму, с крутыми стенками и валом по периферии из выброшенного наружу грунта:

Газовые выбросы из криолитозоны с образованием кратеров. Ямал, район Бованенковского газового месторождения (фото из работы В.И.Богоявленского, М.О.Лейбман).

В настоящее время большинство исследователей рассматривают это явление как ещё одну реакцию криолитозоны на изменение её теплового состояния, когда нарушение температурного равновесия многолетнемёрзлых пород приводит к высвобождению заключённого в них газа. Здесь мы не будем рассматривать конкретные гипотезы образования воронок взрыва, так как этому посвящено много специальных научных статей. Правда, среди них иногда попадаются и так называемые «околонаучные», выдвигающие для объяснения образования кратеров в Арктике различные экзотические гипотезы – от падения метеоритов и крушения кораблей инопланетян до техногенных воздействий, проведённых засекреченными структурами при испытании новых видов оружия или техники, или просто последствий скрываемых от населения аварий на гражданских объектах. Но мы вернёмся к объяснению этого явления естественными геологическими причинами. Как мы уже отмечали выше, газ может быть заключён в мерзлоте в «газовых ловушках» или в виде газовых гидратов. Нарастание давления внутри газонасыщенной области рано или поздно должно привести к его разгрузке. И если давление, например, при разложении газовых гидратов будет нарастать стремительно, то и разрушение вышерасположенных пластов пород газами, рвущимися на свободу, будет столь же стремительным. Самый крайний случай – это разрыв толщи пород над внутримерзлотной газовой залежью, который по сути своей является взрывом. В настоящее время многие это называют «криовулканизмом». 

Не только сам по себе спонтанный и мощный выброс газа из мерзлоты является опасным явлением, но и воронки, оставшиеся после него, представляют определённую опасность, например, если возникли в районе строительства или эксплуатации инженерных сооружений. Самым сложным является прогнозирование, где и когда в следующий раз может возникнуть подобный взрыв. Так, по свидетельству местных жителей, в тех местах, где потом были обнаружены воронки, ещё за несколько лет до взрыва с газо-водо-грунтовым выбросом они не наблюдали никаких тревожных признаков будущих газопроявлений, и только за один-два года до образования воронки на этом месте фиксировались быстрорастущие бугры.

Газопроявления при бурении и эксплуатации скважин могут наблюдаться как в непосредственной близости от ствола скважины, так и на расстоянии нескольких метров от неё. Вокруг работающей скважины неизбежно возникает некоторый ореол оттаивания, который может затронуть внутримерзлотное скопление газа. Внутримерзлотная газовая или газогидратная залежь может быть потревожена уже на стадии бурения. В результате газ будет подниматься на поверхность из глубины мёрзлой толщи вдоль контакта «цементное кольцо – оттаивающая порода». Дальнейшее распространение ореола оттаивания на всё большие расстояние вокруг скважины при её эксплуатации может привести к активизации газопроявлений из вскрытой внутримерзлотной залежи. Однако бывают случаи, когда при бурении газопроявлений не отмечалось, но в процессе формирования ореола оттаивания вокруг работающей скважины с течением времени могут быть затронуты газо- и газогидратные скопления в мерзлоте уже на некотором расстоянии от устья скважины. Опасность спонтанных газопроявлений из мерзлоты при проходке скважин или подземных выработок состоит прежде всего в загазованности воздуха метаном и возможности его воспламенения. Это может негативно отразиться на здоровье работающих там людей. Но кроме того, внезапные газопроявления из мерзлоты могут повлечь за собой целый ряд технологических проблем и сбоев в работе буровых и газодобывающих предприятий, но эта тема пусть останется за рамками данной статьи, поскольку является специальной.

В настоящее время изучением природы газопроявлений в криолитозоне занимаются исследователи как в России, так и в других странах (Германия, США, Канада, Япония, Китай). Одним из таких центров является Сколковский институт науки и технологий. Здесь в лаборатории Центра добычи углеводородов проводятся специальные исследования, включающие экспериментальное и термодинамическое моделирование условий формирования и существования газо- и газогидратных скоплений в мёрзлых породах и возможности эмиссии газов при эволюции мерзлоты, в том числе и на арктическом шельфе.

В заключение краткого рассмотрения формирования газовых и газогидратных скоплений внутри мерзлоты, а также связанных с этим разнообразных газопроявлений из толщ мёрзлых пород, хотелось бы в общих чертах объяснить, как, по-нашему мнению, следует сегодня относиться к этому природному явлению. На наш взгляд, рассматривать наличие в мерзлоте скопления газов и газовых гидратов можно (в зависимости от его проявления по отношению к человеку) как положительное, отрицательное или нейтральное. Положительным, безусловно, является то, что эти скопления – потенциальный источник газа, который находится на относительно небольших глубинах и, возможно, в будущем сыграет свою роль в энергообеспечении, хоты бы региональном уровне. К отрицательным особенностям внутримерзлотных скоплений газа и газовых гидратов следует, прежде всего, отнести возможность их незапланированного вскрытия с неконтролируемым выбросом газа при различных антропогенных или природных воздействиях. При этом нейтрально и спокойно следует относиться к умеренной разгрузке в атмосферу внутримерзлотных парниковых газов при климатических изменениях – как к явлению, на которое мы не можем повлиять никоим образом. Это просто надо знать и учитывать в рассуждениях о будущем существовании человечества на нашей планете.

Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Спасенных М.Ю., Центр добычи углеводородов Сколтеха.