Подать статью
Стать рецензентом
EN
Том 278
Страницы:
125-135
В печати
Научная статья
Геотехнология и инженерная геология

Стадия разложения гидрата метана при снижении давления с применением био-ПАВ и последующей закачке углекислого газа

Авторы:
Н. Е. Шлегель1
Е. Р. Подгорная2
С. Я. Мисюра3
В. С. Морозов4
П. А. Стрижак5
Об авторах
  • 1 — канд. техн. наук доцент Томский политехнический университет ▪ Orcid
  • 2 — аспирант Томский политехнический университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus ▪ ResearcherID
  • 3 — канд. техн. наук старший научный сотрудник Институт теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus
  • 4 — младший научный сотрудник Институт теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН ▪ Orcid ▪ Scopus
  • 5 — д-р физ.-мат. наук профессор Томский политехнический университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus
Дата отправки:
2024-09-20
Дата принятия:
2026-03-04
Дата публикации онлайн:
2026-04-21

Аннотация

Разведанные запасы природного газа в гидратных месторождениях существенно превышают запасы углеводородных топлив, добываемых традиционными способами. Недостаточное внедрение технологий на основе гидратов природного газа связано с их дороговизной. Для развития данных технологий необходимо понижение себестоимости добычи, хранения и транспортировки гидратов. Применение технологии фазового перехода, заключающейся в разгерметизации гидрата СН4 с применением био-ПАВ, и последующего образования гидрата СО2 позволяет снизить себестоимость добычи и решить экологические проблемы за счет захоронения углекислого газа. Присутствие в природных пластах био-ПАВ приводит к усилению роста гидрата и повышению скорости замещения СН4-СО2. Методика образования высокопористого льда при наличии био-ПАВ позволяет достичь повышенных значений скоростей синтеза и сократить временные затраты. Важнейшим преимуществом разработанной методики является отсутствие риска образования двойного гидрата, что ранее являлось серьезной проблемой, снижающей эффективность замещения. Предложенная методика последовательного фазового перехода позволяет уменьшить полное время синтеза гидрата CO2 на два-три порядка по сравнению с прямым замещением СН4-СО2. Методика наиболее перспективна в условиях регионов вечной мерзлоты. Данный подход предоставляет дополнительные возможности использования газогидратных месторождений с улучшенными экологическими показателями за счет сокращения выбросов метана и захоронения углекислого газа.

Область исследования:
Геотехнология и инженерная геология
Ключевые слова:
гидрат метана гидрат углекислого газа замещение газов в гидратном пласте био-ПАВ добыча газа липопептиды высокопористый лед разгерметизация
Финансирование:

Исследование выполнено в рамках научного проекта, поддержанного Министерством науки и образования Российской Федерации (соглашение 075-15-2020-806/7).

Перейти к тому 278

Литература

  1. Jinlong Cui, Zhenfeng Sun, Xiaohui Wang et al. Fundamental mechanisms and phenomena of clathrate hydrate nucleation // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019. Vol. 27. Iss. 9. P. 2014-2025. DOI: 10.1016/j.cjche.2018.12.016
  2. Nakane R., Shimosato Y., Gima E. et al. Phase equilibrium condition measurements in carbon dioxide hydrate forming system coexisting with seawater // The Journal of Chemical Thermodynamics. 2021. Vol. 152. № 106276. DOI: 10.1016/j.jct.2020.106276
  3. Minshull T.A., Marín-Moreno H., Betlem P. et al. Hydrate occurrence in Europe: A review of available evidence // Marine and Petroleum Geology. 2020. Vol. 111. P. 735-764. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2019.08.014
  4. Yan Xie, Rui Li, Xiao-Hui Wang et al. Review on the accumulation behavior of natural gas hydrates in porous sediments // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020. Vol. 83. № 103520. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103520
  5. Gambelli A.M. Methane replacement into hydrate reservoirs with carbon dioxide: Main limiting factors and influence of the gaseous phase composition, over hydrates, on the process // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 478. № 147247. DOI: 10.1016/j.cej.2023.147247
  6. Na Wei, Jun Pei, Haitao Li et al. Classification of natural gas hydrate resources: Review, application and prospect // Gas Science and Engineering. 2024. Vol. 124. № 205269. DOI: 10.1016/j.jgsce.2024.205269
  7. Wenfeng Ruan, Cong Hu, Zhenghui Li, Yonggang Jia. Effects of the Last Deglaciation climate warming on hydrate dissociation in the northern South China Sea // Journal of Marine Systems. 2024. Vol. 242. № 103945. DOI: 10.1016/j.jmarsys.2023.103945
  8. Sinehbaghizadeh S., Saptoro A., Mohammadi A.H. CO2 hydrate properties and applications: A state of the art // Progress in Energy and Combustion Science. 2022. Vol. 93. № 101026. DOI: 10.1016/j.pecs.2022.101026
  9. Yamamoto K., Nagakubo S. Review of Energy Efficiency of the Gas Production Technologies From Gas Hydrate-Bearing Sediments // Frontiers in Energy Research. 2021. Vol. 9. № 741715. DOI: 10.3389/fenrg.2021.741715
  10. Чувилин Е.М., Буханов Б.А., Гребенкин С.И., Жмаев М.В. Влияние газогидратной компоненты на свойства мерзлых пород // Георесурсы. 2025. Т. 27. № 3. С. 101-110. DOI: 10.18599/grs.2025.3.8
  11. Jinjie Wang, Hon Chung Lau. Thickness of gas hydrate stability zone in permafrost and marine gas hydrate deposits: Analysis and implications // Fuel. 2020. Vol. 282. № 118784. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118784
  12. Dallimore S.R., Collett T.S. Summary and implications of the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program // Scientific Results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Natural Resources Canada, 2005. Geological Survey of Canada, Bulletin 585. 36 p. DOI: 10.4095/220714
  13. Bing Li, Youhong Sun, Wei Guo et al. The mechanism and verification analysis of permafrost-associated gas hydrate formation in the Qilian Mountain, Northwest China // Marine and Petroleum Geology. 2017. Vol. 86. P. 787-797. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2017.05.036
  14. Collett T.S., Lee M.W., Agena W.F. et al. Permafrost-associated natural gas hydrate occurrences on the Alaska North Slope // Marine and Petroleum Geology. 2011. Vol. 28. Iss. 2. P. 279-294. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2009.12.001
  15. Yakushev V.S., Chuvilin E.M. Natural gas and gas hydrate accumulations within permafrost in Russia // Cold Regions Science and Technology. 2000. Vol. 31. Iss. 3. P. 189-197. DOI: 10.1016/S0165-232X(00)00012-4
  16. Gavrilov A., Malakhova V., Pizhankova E., Popova A. Permafrost and Gas Hydrate Stability Zone of the Glacial Part of the East-Siberian Shelf // Geosciences. 2020. Vol. 10. Iss. 12. № 484. DOI: 10.3390/geosciences10120484
  17. Tian Wang, Lunxiang Zhang, Lingjie Sun et al. Methane recovery and carbon dioxide storage from gas hydrates in fine marine sediments by using CH4/CO2 replacement // Chemical Engineering Journal. 2021. Vol. 425. № 131562. DOI: 10.1016/j.cej.2021.131562
  18. Xuemin Zhang, Shanling Zhang, Shaoqi Yin et al. Research progress of the kinetics on natural gas hydrate replacement by CO2-containing mixed gas: A review // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022. Vol. 108. № 104837. DOI: 10.1016/j.jngse.2022.104837
  19. Kim Y.-G., Kim S., Lee D.-H. et al. Occurrence of active gas hydrate mounds in the southwestern slope of the Chukchi Plateau, Arctic Ocean // Episodes. 2020. Vol. 43. № 2. P. 811-823. DOI: 10.18814/epiiugs/2020/020053
  20. Shakhova N., Semiletov I., Chuvilin E. Understanding the Permafrost–Hydrate System and Associated Methane Releases in the East Siberian Arctic Shelf // Geosciences. 2019. Vol. 9. Iss. 6. № 251. DOI: 10.3390/geosciences9060251
  21. Chang Chen, Yu Zhang, Xiaosen Li et al. Experimental investigation into gas production from methane hydrate in sediments with different contents of illite clay by depressurization // Energy. 2024. Vol. 296. № 131181. DOI: 10.1016/j.energy.2024.131181
  22. Lei Yang, Yulong Liu, Hanquan Zhang et al. The status of exploitation techniques of natural gas hydrate // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019. Vol. 27. Iss. 9. P. 2133-2147. DOI: 10.1016/j.cjche.2019.02.028
  23. Jing-Chun Feng, Bo Li, Xiao-Sen Li, Yi Wang. Effects of depressurizing rate on methane hydrate dissociation within large-scale experimental simulator // Applied Energy. 2021. Vol. 304. № 117750. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117750
  24. Dong Mo, Weiping Shi. Analytical model on natural gas hydrate dissociation with different phase equilibrium curves // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 214. № 124334. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124334
  25. Shihui Ma, Jia-nan Zheng, Jie Zhao, Mingjun Yang. Effects of temperature holding on methane hydrate decomposition process by thermal stimulation // The Journal of Chemical Thermodynamics. 2021. Vol. 159. № 106487. DOI: 10.1016/j.jct.2021.106487
  26. Liang Mu, Ramløv H., Søgaard T.M.M. et al. Inhibition of methane hydrate nucleation and growth by an antifreeze protein // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 183. № 106388. DOI: 10.1016/j.petrol.2019.106388
  27. Tupsakhare S.S., Castaldi M.J. Efficiency enhancements in methane recovery from natural gas hydrates using injection of CO2/N2 gas mixture simulating in-situ combustion // Applied Energy. 2019. Vol. 236. P. 825-836. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.12.023
  28. Wonjung Choi, Junghoon Mok, Jonghyuk Lee et al. Effective CH4 production and novel CO2 storage through depressurization-assisted replacement in natural gas hydrate-bearing sediment // Applied Energy. 2022. Vol. 326. № 119971. DOI: 10.1016/j.apenergy.2022.119971
  29. Pengfei Wang, Ying Teng, Yusheng Zhao, Jinlong Zhu. Experimental Studies on Gas Hydrate-Based CO2 Storage: State-of-the-Art and Future Research Directions // Energy Technology. 2021. Vol. 9. Iss. 7. № 2100004. DOI: 10.1002/ente.202100004
  30. Misyura S., Strizhak P., Meleshkin A. et al. A Review of Gas Capture and Liquid Separation Technologies by CO2 Gas Hydrate // Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 8. № 3318. DOI: 10.3390/en16083318
  31. Weiguo Liu, Qianqian Li, Yongchen Song et al. Diffusion Theory of Formation of Gas Hydrate from Ice Powder without Melting // Energy Procedia. 2014. Vol. 61. P. 513-522. DOI: 10.1016/j.egypro.2014.11.1161
  32. Weiguo Liu, Lijun Wang, Mingjun Yang et al. Experimental Study on the Methane Hydrate Formation from Ice Powders // Energy Procedia. 2014. Vol. 61. P. 619-623. DOI: 10.1016/j.egypro.2014.11.1184
  33. Peng Xiao, Juan-Juan Li, Wan Chen et al. Enhanced formation of methane hydrate from active ice with high gas uptake // Nature Communications. 2023. Vol. 14. № 8068. DOI: 10.1038/s41467-023-43487-6
  34. Kreven D.V., Vlasov V.A. Diffusion model of gas hydrate formation from ice considering the gas pressure drop // Results in Engineering. 2023. Vol. 20. № 101396. DOI: 10.1016/j.rineng.2023.101396
  35. Falenty A., Salamatin A.N., Kuhs W.F. Kinetics of CO2-Hydrate Formation from Ice Powders: Data Summary and Modeling Extended to Low Temperatures // The Journal of Physical Chemistry C. 2013. Vol. 117. Iss. 16. P. 8443-8457. DOI: 10.1021/jp310972b
  36. Farhadian A., Heydari A., Maddah M. et al. Renewable biosurfactants for energy-efficient storage of methane: An experimental and computational investigation // Chemical Engineering Journal. 2022. Vol. 427. № 131723. DOI: 10.1016/j.cej.2021.131723
  37. Palodkar A.V., Jana A.K. Clathrate hydrate dynamics with synthetic- and bio-surfactant in porous media: Model formulation and validation // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 213. № 115386. DOI: 10.1016/j.ces.2019.115386
  38. Bavoh C.B., Broni-Bediako E., Marfo S.A. Review of Biosurfactants Gas Hydrate Promoters // Methane. 2023. Vol. 2. Iss. 3. P. 304-318. DOI: 10.3390/methane2030020
  39. Lanoil B.D., Sassen R., La Duc M.T. et al. Bacteria and Archaea Physically Associated with Gulf of Mexico Gas Hydrates // Applied and Environmental Microbiology. 2001. Vol. 67. Iss. 11. P. 5143-5153. DOI: 10.1128/AEM.67.11.5143-5153.2001
  40. Arora A., Cameotra S.S., Kumar R. et al. Effects of biosurfactants on gas hydrates // Journal of Petroleum & Environmental Biotechnology. 2014. Vol. 5. Iss. 2. № 170. DOI: 10.4172/2157-7463.1000170
  41. Kubicki S., Bollinger A., Katzke N. et al. Marine Biosurfactants: Biosynthesis, Structural Diversity and Biotechnological Applications // Marine Drugs. 2019. Vol. 17. Iss. 7. № 48. DOI: 10.3390/md17070408
  42. Rogers R.E., Kothapalli C., Lee M.S., Woolsey J.R. Catalysis of Gas Hydrates by Biosurfactants in Seawater-Saturated Sand/Clay // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2003. Vol. 81. Iss. 5. P. 973-980. DOI: 10.1002/cjce.5450810508
  43. Guochang Zhang, Rogers R.E., French W.T., Wenjian Lao. Investigation of microbial influences on seafloor gas-hydrate formations // Marine Chemistry. 2007. Vol. 103. Iss. 3-4. P. 359-369. DOI: 10.1016/j.marchem.2006.10.005
  44. Arora A., Cameotra S.S., Kumar R. et al. Biosurfactant as a Promoter of Methane Hydrate Formation: Thermodynamic and Kinetic Studies // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. № 20893. DOI: 10.1038/srep20893
  45. Strukov D.A., Kartopolcev S.A., Sagidullin A.K. et al. Study of the kinetics of methane-carbon dioxide exchange in gas hydrates below the ice melting point. Experimental data and computational model // Thermochimica Acta. 2024. Vol. 736. Iss. 179737. DOI: 10.1016/j.tca.2024.179737
  46. Wen-Na Wei, Bo Li, Quan Gan, Yuan-Le Li. Research progress of natural gas hydrate exploitation with CO2 replacement: A review // Fuel. 2022. Vol. 312. № 122873. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122873
  47. Yanhong Wang, Xuemei Lang, Shuanshi Fan et al. Review on Enhanced Technology of Natural Gas Hydrate Recovery by Carbon Dioxide Replacement // Energy & Fuels. 2021. Vol. 35. Iss. 5. P. 3659-3674. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.0c04138
  48. Musakaev N.G., Khasanov M.K., Borodin S.L. The mathematical model of the gas hydrate deposit development in permafrost // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 118. P. 455-461. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.127
  49. Щипачев А.М., Дмитриева А.С. Применение эффекта резонансного энергоразделения в пунктах редуцирования природного газа с целью повышения энергоэффективности системы газораспределения // Записки Горного института. 2021. Т. 248. С. 253-259. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.9
  50. Gajanayake S.M., Gamage R.P., Xiao-Sen Li, Huppert H. Natural gas hydrates – Insights into a paradigm-shifting energy resource // Energy Reviews. 2023. Vol. 2. Iss. 1. № 100013. DOI: 10.1016/j.enrev.2022.100013
  51. Mingjun Yang, Jie Zhao, Jia-nan Zheng, Yongchen Song. Hydrate reformation characteristics in natural gas hydrate dissociation process: A review // Applied Energy. 2019. Vol. 256. № 113878. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113878
  52. Goel N. In situ methane hydrate dissociation with carbon dioxide sequestration: Current knowledge and issues // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2006. Vol. 51. Iss. 3-4. P. 169-184. DOI: 10.1016/j.petrol.2006.01.005
  53. Sadeh E., Farhadian A., Mohammadi A. et al. Energy-efficient storage of methane and carbon dioxide capture in the form of clathrate hydrates using a novel non-foaming surfactant: An experimental and computational investigation // Energy Conversion and Management. 2023. Vol. 293. № 117475. DOI: 10.1016/j.enconman.2023.117475
  54. Gautam, Sahoo S. Experimental investigation on different activated carbons as adsorbents for CO2 capture // Thermal Science and Engineering Progress. 2022. Vol. 33. № 101339. DOI: 10.1016/j.tsep.2022.101339
  55. Yi Lu, Hui Wang, Qingping Li et al. CO2 storage behavior via forming hydrate from N2/CO2 gas mixtures in the presence of initial SI CO2 hydrate seeds // Chemical Engineering Journal. 2022. Vol. 450. Part 2. № 138001. DOI: 10.1016/j.cej.2022.138001
  56. Bhattacharjee G., Kumar A., Sakpal T., Kumar R. Carbon Dioxide Sequestration: Influence of Porous Media on Hydrate Formation Kinetics // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2015. Vol. 3. Iss. 6. P. 1205-1214. DOI: 10.1021/acssuschemeng.5b00171
  57. Du Wang, Xin Ren, Jinkun Zhang et al. Comparative investigation on techno-economics of cascade supercritical CO2 combined cycles for waste heat recovery of typical gas turbines // Thermal Science and Engineering Progress. 2023. Vol. 42. № 101941. DOI: 10.1016/j.tsep.2023.101941
  58. Yao Liu, Biyu Chen, Yulong Chen et al. Methane Storage in a Hydrated Form as Promoted by Leucines for Possible Application to Natural Gas Transportation and Storage // Energy Technology. 2015. Vol. 3. Iss. 8. P. 815-819. DOI: 10.1002/ente.201500048
  59. Lunxiang Zhang, Lei Yang, Jiaqi Wang et al. Enhanced CH4 recovery and CO2 storage via thermal stimulation in the CH4/CO2 replacement of methane hydrate // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 308. P. 40-49. DOI: 10.1016/j.cej.2016.09.047
  60. Chun-Yu Geng, Hao Wen, Han Zhou. Molecular Simulation of the Potential of Methane Reoccupation during the Replacement of Methane Hydrate by CO2 // The Journal of Physical Chemistry A. 2009. Vol. 113. Iss. 18. P. 5463-5469. DOI: 10.1021/jp811474m
  61. Xin Huang, Wenjiu Cai, Linsen Zhan, Hailong Lu. Study on the reaction of methane hydrate with gaseous CO2 by Raman imaging microscopy // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 222. № 115720. DOI: 10.1016/j.ces.2020.115720
  62. Azimi A., Ansarpour M., Mofarahi M. Natural gas hydrate–related disasters and case studies // Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications. Elsevier, 2024. Vol. 3: Natural Gas Hydrates. P. 191-207. DOI: 10.1016/B978-0-443-19219-7.00004-7
  63. Misyura S.Y., Donskoy I.G. Dissociation of gas hydrate for a single particle and for a thick layer of particles: The effect of self-preservation on the dissociation kinetics of the gas hydrate layer // Fuel. 2022. Vol. 314. № 122759. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122759
  64. Misyura S.Y., Donskoy I.G., Manakov A.Y. et al. Studying the influence of key parameters on the methane hydrate dissociation in order to improve the storage efficiency // Journal of Energy Storage. 2021. Vol. 44. Part A. № 103288. DOI: 10.1016/j.est.2021.103288
  65. Gaidukova O.S., Dorokhov V.V., Misyura S.Y. et al. Dissociation of methane and carbon dioxide hydrates: Synergistic effects // Fuel. 2024. Vol. 359. № 130399. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.130399
  66. Nagibin P.S., Vinogrodskiy K., Shlegel N.E., Strizhak P.A. Using methane hydrate to intensify the combustion of low-rank coal fuels // Energy. 2024. Vol. 304. № 132044. DOI: 10.1016/j.energy.2024.132044
Статистика
Просмотр аннотаций
28
Просмотр полного текста
6
Процитировано
Scopus:
0
Crossref:
0
Меню статьи

Похожие статьи

Экспериментальное исследование загрязнения приземной атмосферы металлами при разработке Озерного полиметаллического месторождения (Западное Забайкалье)
2026 А. М. Плюснин, А. В. Украинцев, М. К. Чернявский
Геометрические модели типовых сложноструктурных блоков уступов
2026 Б. Р. Ракишев, А. И. Едильбаев, А. С. Сакабеков, А. А. Орынбай, Н. А. Мекебай, Т. С. Ибырханов
Влияние сезонных изменений физико-химических свойств пресной воды на реологические характеристики жидкостей для гидроразрыва пласта (на примере Альметьевского района Республики Татарстан)
2026 И. А. Аленькин, А. В. Насыбуллин, А. В. Кочетков, Р. Р. Закиров, Т. Л. Гайфуллин, Р. Р. Сахибгараев
Проблемы мониторинга складированных отходов горнорудного производства в холодных климатических зонах: возможности использования геофизических методов
2026 Н. В. Юркевич, Л. Ю. Епонешникова, В. Н. Гуреев, Н. А. Мазов
Реагентная очистка фторсодержащих сточных вод перерабатывающей промышленности
2026 Ю. Д. Пересунько, А. А. Писарева, С. В. Азопков, Е. Н. Кузин, Н. Е. Кручинина
Проблема идентификации нижнекоровых гранат-клинопироксеновых гранулитов и мантийных эклогитов на примере ксенолитов трубки им. В.Гриба
2026 Е. В. Стецкая, Л. И. Салимгараева, А. В. Березин, В. Н. Устинов, Р. Н. Пенделяк