История исследований газовых гидратов озера Байкал

История газогидратных исследований в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» наcчитывает более 40 лет. Возможность образования газогидратов в природных условиях была показана сотрудниками института в 1966 году; результаты научно-исследовательских работ по оценке масштабов газогидратообразования в природных условиях оформлены как научное открытие в 1970 году; впервые в мире в 1972 г. осуществлен отбор керна природных газогидратов из глубоководной части Черного моря.

В 1978 г. сотрудниками ООО «Газпром ВНИИГАЗ» было получено первое свидетельство существования газовых гидратов на дне оз. Байкал. В настоящее время в Обществе работает квалифицированная, признанная в мире группа газогидратных исследователей.
Значительный потенциал природных газогидратов требует разработки новых методов их поиска и картирования. Первоочередными объектами для поисково-разведочных работ на субаквальные газогидраты для ОАО «Газпром» являются Охотское и Черное моря. При этом отработка методов поиска газогидратов, а также разработка экономически эффективных способов добычи гидратного газа в морских условиях сопряжены с рядом значительных трудностей: необходимы научно-исследовательские суда океанического класса; исследования нередко сопровождаются опасной штормовой обстановкой; имеет место, как правило, большая удаленность объектов исследования от портов приписки судов и т.д.

Такие виды работ в условиях оз. Байкал являются экономически эффективными, благодаря «идеальным» природным условиям глубоководного озера - за непродолжительный рейс можно получить данные, которые могут быть использованы при поиске, картировании и разработке скоплений газогидратов морских акваторий.

В настоящее время лидером в газогидратных исследованиях озера Байкал является Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук (ЛИН СО РАН), возглавляемый академиком РАН М.А. Грачевым. В институте имеется научно-исследовательский флот, в состав которого входят суда, предназначенные для проведения различных исследований дна озера Байкал, включая исследования газогидратов.

Начиная с 1996 года, ЛИН СО РАН в рамках международного сотрудничества, совместно с российскими коллегами и учеными из Японии, Индии, Бельгии, Германии провел большое количество таких исследований, к результатам которых нужно отнести геологию озера, определения рельефа и топографии дна, BSR, поля распространения газогидратов, географию подводных вулканов, микробиологию озера Байкал и др. Регулярно на базе института проводятся международные научные конференции, посвященные результатам газогидратных исследований.

В 2007 году к исследованиям газогидратов озера Байкал вновь присоединилось ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Между ЛИН СО РАН и ООО «Газпром ВНИИГАЗ» было заключено соглашение о научном сотрудничестве, предусматривающее обмен научной информацией, проведение совместных семинаров и конференций, организацию совместных технологических экспедиций и т.д. В этой связи в 2008 году ООО «Газпром ВНИИГАЗ», совместно с ЛИН СО РАН, организовало первую технологическую экспедицию на озеро Байкал, в рамках которой был успешно осуществлен отбор газогидратов с глубины около 1 300 м, а также протестированы научные методы их поиска и разведки.

В 2009 году была организована и проведена вторая технологическая экспедиция «Байкальские гидраты 2009», ставившая перед собой более широкий круг задач: продолжение исследований поддонных скоплений природных газовых гидратов, в том числе реализацию полномасштабной программы погружений на глубоководных обитаемых аппаратах (ГОА) «Мир» для изучения гидратного поля подводного вулкана «Маленький», морфологии дна и отбора проб; выполнение экспериментов по моделированию поведения грунтов в глубоководных условиях под действием динамических нагрузок подводных трубопроводов и т.д.

Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании ресурсов нетрадиционных углеводородов, при разработке методов их разведки и обосновании постановки поисково-разведочных работ, а также для обеспечения промышленной безопасности инженерных объектов газовой отрасли.

История газогидратных исследований на оз. Байкал

Изучение газовых гидратов оз. Байкал имеет многолетнюю историю. В ней можно выделить три основных этапа.
Первый этап относится к 1978-1997 годам. Тогда были сформулированы теоретические предпосылки существования газовых гидратов на дне оз. Байкал и получены косвенные признаки присутствия газовых гидратов в донных осадках.

Первое свидетельство существования газовых гидратов на дне Байкала было получено летом 1978 года сотрудниками ООО «Газпром ВНИИГАЗ», в то время - Всесоюзного научно-исследовательского института природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) при изучении донных осадков в Южном Байкале. Первая публикация о возможности существования газовых гидратов в осадках пресноводного озера появилась в 1980 году. В ходе газовой съемки озера, проведенной авторами публикации - сотрудниками ООО «Газпром ВНИИГАЗ», в некоторых частях озера отбирались пробы поверхностных донных отложений. Вблизи дельты р. Селенга, в Кукуйском каньоне, был поднят керн, насыщенный газом и с нарушенной первичной текстурой. Подобные грунтовые текстуры авторы встречали ранее в Каспийском море в районе находок природных газовых гидратов - «текстура взрыва». А.Г. Ефремова с коллегами отнесла эти признаки к последствиям разложения газовых гидратов, тогда же была построена первая схема «области возможного накопления газовых гидратов» в осадках озера по термобарическим условиям.
В этот же период коллегами из других институтов, а также благодаря международному сотрудничеству, был проведен ряд специальных исследований дна оз. Байкал. В качестве основных результатов следует выделить следующие:

- Построена прогнозная карта глубины залегания нижней границы газогидратного слоя, исходя из изменений теплового потока вдоль береговой линии6.
- Обнаружен основной (на то время) геофизический признак гидратоностности донных отложений - Bottom-Simulating Reflectors (BSR). BSR в осадках Байкала был выявлен во время российско-американской геофизической экспедиции. По результатам этих работ вокруг района авандельты р. Селенга была составлена более точная карта глубины залегания нижней границы слоя газогидратов.

- Сделаны первые прогнозные оценки ресурсов газа в гидратах озера, которые оценивались от 8,8 х 1 011 до 9 х 1012 м3.
Ко второму этапу изучения байкальских газовых гидратов можно отнести период с 1997 по 2002 годы В 1997 году получено первое вещественное подтверждение (гидратосодержащий керн) существования газовых гидратов в осадках озера в процессе реализации международного проекта «Байкал-бурение». Целью глубоководного бурения скважины BDP-97 было получение геолого-геофизической информации в интервале осадочного разреза. На поверхность озера были подняты образцы донных отложений, представлявшие собой смерзшийся песчано-алевритовый материал, который при нагревании обильно выделял газ. Лабораторные исследования керна показали наличие в поровом пространстве гидратов биохимического метана.
В этот же период начинают реализовываться Интеграционные проекты СО РАН, а также международные проекты совместно с бельгийскими и немецкими учеными. Эти работы были связаны с поиском и изучением скоплений газовых гидратов в поверхностном слое осадков озера на небольшой (первые метры) поддонной глубине, а также с оценкой их роли в экосистеме озера. Целью этих проектов, прежде всего, являлись детальные систематические геофизические работы на небольших территориях, направленные на поиск на дне озера структур, связанных с глубоководной разгрузкой газа или газонасыщенного флюида - холодных сипов и грязевых вулканов. Именно к этим структурам и приурочены основные находки газовых гидратов вблизи дна Мирового океана.

В результате гидролокационных работ и детальной батиметрической съемки в южной впадине озера были обнаружены четыре структуры, расположенные вблизи одного из основных разломов. Выделенные неоднородности на дне озера имели размеры в диаметре от 200 до 800 м, а их высота достигала 60 м. Эпизодически в эхолотных записях над ними проявлялись аномалии типа «факела» или «плюма» различной высоты. Именно из-за размера возвышенностей и частоты образования «плюма» они названы «Большой», «Маленький», «Малютка» и «Старый». В Среднем Байкале по сходным признакам было выделено еще четыре структуры в районе Кукуйского каньона, получившие названия «К-1, 2, 3, 4» и две вблизи о. Ольхон - «Санкт-Петербург» и «Новосибирск».

Таким образом, по результатам геофизических работ к 2003 году на дне оз. Байкал было выявлено три отдельных района с обособленными возвышенностями в рельефе дна в областях аномального поведения BSR, приуроченных к активным разломам.
Основываясь на данных геофизических работ, в районах обнаруженных топоструктур было проведено детальное опробование верхнего слоя донных отложений. В районе первой же - структуры «Маленький» - в марте 2000 года были обнаружены в первом метре донных отложений приповерхностные (поддонные) скопления газовых гидратов.

Карта фактического материала второго этапа исследований байкальских гидратов (по данным ЛИН СО РАН) . Квадрат - точка бурения скважины BDP-97, кружки - грязевые вулканы и места подводной разгрузки флюидов. Черной заливкой отмечены места обнаружения газовых гидратов.

Третий этап газогидратных исследований оз. Байкал начинается в 2003 и заканчивается 2007 году. Этот этап характеризуется открытием новых районов приповерхностного залегания газовых гидратов. Благодаря накопленному обширному геологическому материалу и полученным до 2003 года высокоразрешающим сейсмоакустическим материалам из районов грязевых вулканов Маленький, Большой и К-2 было установлено, что все обнаруженные скопления приповерхностных газовых гидратов приурочены к относительно небольшим участкам грязевого вулкана. На временном разрезе такие места характеризуются сейсмоакустическими аномалиями, представляющими собой неглубокозалегающие жесткие отражающие рефлекторы на фоне «немой» (прозрачной) сейсмоакустической записи всего тела грязевого вулкана. Это являться одним из геофизических признаков поиска неглубоко залегающего слоя гидратов в осадках байкальского грязевого вулкана.

Используя этот поисковый признак, по вновь полученым геофизическим данным, в период с 2005 по 2007 годы в рамках российско-японского и российско-индийского сотрудничества были намечены районы возможного нахождения газовых гидратов вблизи дна. Геологическая заверка показала, что практически во всех подобных районах находятся значительные скопления газовых гидратов. Благодаря детальному опробованию донных отложений со льда, обнаружены некоторые закономерности в распределении скоплений газовых гидратов в верхнем слое осадков на некоторых грязевых вулканов. Установлено, что скопления гидратов не имеют сплошного приповерхностного распространения в контуре вулкана, а приурочены к небольшим участкам радиусом от 10 до 50 м на его склоне или вершине. Следует отметить, что практически все образцы газовых гидратов приурочены к глинистым осадкам, слагающим нетипичный для Байкала осадочный разрез.

Этот разрез был определен как потенциально газогидратосодержащий, а перечисленные выше особенности геологического разреза определены как поисковые, легко диагностируемые визуально в полевых условиях геологические признаки присутствия скоплений газовых гидратов в байкальских осадках.

Таким образом, к 2008 году на дне озера Байкал открыто четыре грязевулканических района, объединяющих 14 грязевых вулканов. В осадках семи из них обнаружены скопления газовых гидратов в верхней части осадочного разреза. Кроме того, в 2006 году приповерхностные газовые гидраты обнаружены еще в одном районе озера, не связанном с грязевулканической деятельностью, а приуроченном к подводной разгрузке нефти и газа, на глубине 900 м в зоне одного из активных разломов около восточного борта средней котловины озера - нефтепроявление «Горевой Утес».

Первые результаты технологических экспедиций ООО «Газпром ВНИИГАЗ» «Байкальские гидраты» (2008-2009 годы)

В настоящее время рано подводить окончательный итог исследований в рамках байкальских экспедиций ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в 2008-2009 годах - идут активные работы по лабораторному изучению отобранных кернов гидратосодержащих пород, по экспериментальному моделированию условий существования гидратов метана в породах района исследования, определению проницаемости грунтов по газу и воде и содержания органического материала в донных осадках озера и т.д. Лабораторные исследования ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проводит совместно с ведущими отечественными газогидратными школами - МГУ им. М.В. Ломоносова, ВНИИОкеангеология (Санкт-Петербург) и др. Идет обработка данных, полученных при погружениях сотрудников Общества на глубоководных обитаемых аппаратах «Мир» при изучении газогидратного поля и разломной системы района глубоководного грязевого вулкана Маленький, данных моделирования оползневых процессов в глубоководных условиях и проч. Однако промежуточные результаты исследований, проведенных ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в рамках экспедиционных работ на оз. Байкал показывают их уникальную научную ценность и большой прикладной потенциал.

Первая технологическая экспедиция «Байкальские гидраты 2008»

В июне 2008 года состоялась первая технологическая экспедиция «Байкальские гидраты 2008», организованная ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ЛИН СО РАН. Экспедицию возглавлял заместитель генерального директора ООО «Газпром ВНИИГАЗ» С.В. Анисимов. Целью экспедиции был отбор образцов придонных гидратов озера Байкал, их первичное исследование, консервация и дальнейшая транспортировка в Москву для детального лабораторного изучения. В рамках первой технологической экспедиции состоялась конференция молодых ученых и специалистов ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ЛИН СО РАН (г. Иркутск), ФГУП «ВНИИОкеанология» (г. Санкт-Петербург) и Новосибирского государственного университета.

Для осуществления целей экспедиции на судах научно-исследовательского флота Лимнологического института был проведен двухдневный рейс. В первый маршрутный день экспедиция, выйдя с базы в п. Листвянка, работала в районе подводного вулкана Маленький. После ночлега в бухте Песчанка, во второй маршрутный день, исследовался подводный газовый фонтан в районе устья р. Селенга.

Подъем кернов, содержащих газовые гидраты, осуществлялся с помощью гравитационных пробоотборников с глубины около 1 300 м. Было проведено четыре рейса по подъему гидратосодержащих кернов. Каждый образец был детально описан с указанием координат и глубины отбора. Кроме того, в судовой лаборатории научно-исследовательского судна (НИС) «Верещагин» был проведен полный комплекс петрографических исследований гидратонасыщенных кернов - поинтервальное определение водно-физических свойств пород, газо- и гидратосодержания и проч.
Для консервации образцов гидратов была разработана специальная методика, включающая тщательную упаковку в полиэтиленовую пленку и охлаждение до температуры −32 °С при помощи специальных хладоносителей. Затем законсервированные образцы были помещены для дальнейшего хранения и транспортировки в специальный термоконтейнер.

Ученые Лимнологического института Сибирского отделения РАН во время погружения на глубоководных аппаратах «Мир» в район грязевого вулкана Санкт-Петербург на озере Байкал доказали наличие в донных отложениях гидрата метана.
Газовые гидраты (гидраты природных газов) - это кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа. Пока нет способа добычи гидратов. Они могут существовать только при высоком давлении и низкой температуре, а на глубине выше 380 метров становятся неустойчивыми.

Эти вещества называют топливом будущего. «Когда нефть и газ кончатся, возможно, дойдут и до газовых гидратов, тем более, что это возобновляемый ресурс: накопления донных отложений образуются постоянно, в то время как запасы нефти и газа конечны», - рассказывает заведующий лабораторией гидрологии и гидрохимии Лимнологического института СО РАН Николай Гранин. Сегодня разработкой способов добычи гидратов занимаются Япония и Индия.

О существовании газовых гидратов на дне Байкала на основе косвенных данных было известно с 1990-х годов. В 2001 году во время реализации международного проекта «Байкал-бурение» газовые гидраты были впервые обнаружены в поверхностном слое донных отложений. В 2008 году экспедиция на аппаратах «Мир» пыталась найти залежи газовых гидратов, однако тогда не было специального судна, которое бы провело предварительную работу по картированию района. Только в 2009 году для этой цели был выделен специальный корабль, на котором ученые смогли определить точные координаты 900-метрового подводного газового факела.