СЛАНЦЕВЫЙ И ВОДОРАСТВОРЕННЫЙ ГАЗ: ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ
Сланцы, состоящие в основном из минеральных (кальцит, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических веществ, образовавшиеся 450 млн лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков, не относятся к особо ценным полезным ископаемым. Теплоотдача при их горении раза в два меньше, чем у угля, и в четыре — по сравнению с нефтью. При этом они дают много шлаков. Тем не менее издавна их использовали как горючее, особенно там, где с качественным топливом были проблемы. Теперь же сланцевый газ все чаще называют прямым конкурентом традиционным углеводородам.
Не обошлось без этих сравнений и на выездной сессии Объединенного ученого совета СО РАН по энергетике, машиностроению, механике и процессам управления, в середине июля 2013 г. собравшейся на базе отдыха «Сосновый бор» Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе (г. Новосибирск), чтобы обсудить ресурсные, технологические и экономические аспекты сланцевой революции, а также определить позицию и роль в ней нашей страны. Председатель совета академик Василий Фомин и ученый секретарь кандидат физико-математических наук Виталий Зиновьев сделали на страницах газеты «Наука в Сибири» обстоятельный обзор прозвучавших докладов.
Согласно некоторым прогнозам, констатировали авторы, запасов сланцевого газа на земном шаре больше, чем традиционного, и его общие мировые ресурсы оцениваются свыше 700 трлн м3. В основном (50%) они сосредоточены в Китае, США, Аргентине и Мексике. В Европе промышленно значимыми бассейнами располагают Франция, Польша, Германия, Украина, а также южная часть Северного моря. В США в результате внедрения эффективных технологий удельная доля сланцевого газа в общей добыче природного возросла с 2 % в 2000 г. до 37% — в 2011 г. При сохранении такой динамики, утверждают авторы, после 2020 г. Америка может отказаться от импорта природного газа и к 2030 г. перейти на его экспорт. Эти факторы, по мнению специалистов, уже привели к уменьшению цен на мировом рынке голубого топлива.
С точки зрения доктора технических наук Сергея Сендерова (Институт систем энергетики им. Л.А. Ме-лентьева СО РАН, г. Иркутск), экономические показатели добычи сланцевого газа определяются геологическими особенностями залежей, стоимостью оборудования, наличием и качеством инфраструктуры, динамикой изменения суточных дебитов (объемов) в период эксплуатации скважины. В числе факторов, положи -тельно влияющих на перспективы развития промыслов, Сендеров назвал близость месторождений к рынкам сбыта, значительные запасы, заинтересованность
Типы природного газа: обычный (А), сланцевый (О, из жесткого песка (D), попутный (F), угольный метан ^). (В — изолирующий слой, Е — нефть, H — поверхность земли).
властей в снижении зависимости от импорта топливно-энергетических ресурсов, а среди недостатков — относительно высокую себестоимость, непригодность для транспортировки на большие расстояния, быструю истощаемость залежей, значительные экологические риски, вызванные особой технологией добычи, известной как фрекинг или гидроразрыв пласта.
Теоретическую базу под фрекинг, говорится в обзоре, заложили еще в 1955 г. выдающийся инженер, математик и механик академик Сергей Христианович и доктор технических наук Юрий Желтов, обосновавшие метод гидравлического разрыва нефтеносного пласта. Суть его заключается в следующем: в скважине путем закачки, например геля на основе воды, создается избыточное давление, значительно превышающее пластовое. В результате порода разрывается, образуя трещины, увеличивающиеся в размерах за счет продолжающегося поступления в них жидкости. Туда же транспортируют расклинивающий агент (проппант) и другие химические вещества для фиксации трещин в раскрытом состоянии после снятия давления. Экологи считают: закачка химических реагентов для извлечения природного газа из сланцевых по-
род может привести к загрязнению и существенному изменению состава грунтовых вод. Кроме того, вместе с водой на поверхность будут подняты и вредные вещества: бензол, мышьяк и радиоактивные материалы. В связи с этим страны Евросоюза — Франция, Румыния, Болгария и др. — уже запретили разведку природных ископаемых с применением фрекинга.
Тем не менее, замечают авторы статьи, резкий рост добычи сланцевого газа в США и, как следствие, замещение части угля газом и увеличение объемов его экспорта в страны Евросоюза могут ослабить позиции России в конкурентной борьбе на энергетических рынках Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона. А повышенное внимание к проблемам добычи сланцевого газа в Китае, где сосредоточены значительные объемы углеводородов в сланцах (до 20% мировых), может поставить под вопрос целесообразность сооружения газопроводов из Восточной Сибири в Поднебесную и существенно изменить современную структуру рынков Юго-Восточной Азии. В связи с этим, подчеркивают ученые, насущной необходимостью становится реструктуризация отечественной экономики, направленная на сокра-
48 сланцевых бассейнов (выделены коричневым цветом) в 38 странах (выделены белым цветом), включенных в отчет американского Управления по энергетической информации (U.S. Energy Information Administration).
щение доли энергоемких и увеличение вклада в ВВП высокотехнологичных производств.
Оценку ресурсному потенциалу сланцевого газа и нефти в нашей стране дал член-корреспондент РАН Владимир Каширцев (Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск). Значительные месторождения горючих сланцев, сообщил он, находятся на Русской платформе, в Оленёкском, Прибалтийском и Волжском бассейнах. В Западной Сибири сланцевая нефть сосредоточена главным образом в баженовской свите* — труднопроницаемых породах, залегающих среди традиционных нефтеносных горизонтов. В сущности это отечественный аналог знаменитого месторождения Баккен в Северной и Южной Дакоте (США). По мнению некоторых экспертов, ресурсы нефти в баже-новской свите, сопоставимые с запасами традиционных месторождений Западной Сибири, но при этом еще не поставленные на баланс, следует рассматривать как весьма перспективное сырье. Для отработки технологий добычи ее запасов и подтверждения существующей модели геологического строения запланировано сооружение 3—5 горизонтальных скважин специальной конструкции с проведением множественных гидроразрывов пласта.
*Баженовская свита — пачка горных пород, выявленных в Западной Сибири на двухкилометровых глубинах и распространенных на территории свыше 1 млн м2, при этом она имеет сравнительно небольшую толщину — 20—30 м (прим. ред.).
Доктор физико-математических наук Владимир Кузнецов (Институт теплофизики им. С.С. Кутате-ладзе СО РАН, г. Новосибирск) считает, что одна из основных проблем добычи сланцевого газа и нефти в настоящее время состоит в отсутствии прорывных технологий, позволяющих существенно снизить стоимость добычи этого сырья. Между тем именно такой технологией может стать заводнение трещиноватых нефтенасыщенных пластов, хотя она и достаточно сложна из-за возможного прорыва воды в добывающие скважины. Но эту проблему, утверждал Кузнецов, можно решить снижением расхода воды и активизацией капиллярной пропитки блоков породы. Причем ученые СО РАН располагают значительным опытом в данной области.
В докладе он рассмотрел также способ решения проблемы малотоннажного производства жидкого топлива посредством конверсии сланцевого газа в синтез-газ в микрореакторных установках, представил схемы таких агрегатов и методы получения высокоактивных катализаторов с оптимальными структурными и размерными характеристиками. В Институте теплофизики, сообщил он, разработаны основы создания конверторов — аппаратов для попутного и сланцевого газа с использованием микро- и нанотех-нологий, получены многокомпонентные наноструктуры, показавшие высокую эффективность при конверсии метана в синтез-газ и водород. Они были использованы для создания прототипов энергоэффек-
Технология добычи сланцевого газа: 1 — бурение вертикальной скважины; 2 — бур отклоняется от вертикали; 3 — бурение горизонтальной скважины; 4 — под давлением в скважину поступает смесь песка, воды и химикатов; 5 — происходит гидроразрыв пласта; 6 — газ собирают в трубу
да. Однако для пиролиза природного газа требуются дополнительные изыскания.
Большой практический интерес, подчеркнул Лихо-лобов, представляет также процесс одностадийного синтеза пропилена из этилена. Для его реализации в институте разработаны катализаторы на основе оксидов никеля и рения и показана возможность получения горючего газа с выходом не менее 80% от теоретического. В заключительной части докладчик рассмотрел перспективы малотоннажной технологии переработки природного газа в углеродные материалы, в частности получения высокодисперсного технического углерода, широко применяемого в качестве усиливающего компонента при производстве резины и других пластических масс.
Академик Михаил Эпов из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН (г. Новосибирск) обратил внимание участников сессии на вероятность появления новых глобальных некон-венциальных (нетрадиционных) ресурсов, способных, подобно сланцевому топливу, оказать влияние на мировую ситуацию. К разряду таковых он отнес прежде всего водорастворенные газы (ВРГ) и газогидраты, запасы которых, по некоторым оценкам, на один-два порядка превышают сланцевые. ВРГ, заметил Эпов, локализуются не в минерально-органическом комплексе пород, а в поровых водах. Механизмы «улавливания» углеводородов при формировании таких скоплений резко отличаются от аккумуляции газа в обычных залежах.
тивных процессоров, используемых для получения жидкого топлива из попутного и сланцевого газа.
Член-корреспондент РАН Владимир Лихолобов (Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск) остановился на традиционных способах химической переработки метана как главного компонента сланцевого газа, основанных на базовом варианте синтеза Фишера—Тропша*, для производства синтетических углеводородов, применяемых в качест
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.