«Наука в Сибири» СЛАНЦЕВЫЙ ГАЗ,
|
Академики В.М. Фомин, М.И. Эпов и |
Согласно некоторым прогнозам запасов сланцевого газа в мире больше, чем традиционного, и его общие мировые ресурсы оцениваются в объеме более 700 трлн кубических метров, хотя точных данных нет. В основном запасы технически извлекаемого сланцевого газа сосредоточены в Китае, США, Аргентине и Мексике, где его находится более 50 %. В Европе промышленно значимыми бассейнами сланцевого газа располагают Франция, Польша, Германия, Украина, а также южная часть Северного моря. В начале XXI века в США в результате внедрения эффективных технологий добычи газа из сланцевых пород его удельная доля в общей добыче природного газа возросла с 2 % в 2000 году до 37 % в 2011 году. При сохранении такой динамики его добычи США после 2020 года могут отказаться от импорта природного газа, а к 2030 году перейти к его экспорту. Несмотря на то, что в настоящее время добычей газа из сланцев занимаются только в США, это уже привело к серьезному изменению ценообразования на мировом рынке энергоносителей в сторону уменьшения цен на природный газ.
Обстоятельный обзор и анализ состояния дел по этой актуальной теме сделал д.т.н. С. М. Сендеров (Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН), в своем докладе «Возможные перспективы добычи сланцевого газа за рубежом и энергетической безопасности России». Экономические показатели добычи сланцевого газа определяются геологическими особенностями залежей, стоимостью оборудования, наличием и качеством инфраструктуры, динамикой изменения суточных дебитов в период эксплуатации скважины. Последнее особенно важно, поскольку быстрая потеря продуктивности скважин делает необходимым для сохранения добычи на месторождении на достигнутом уровне постоянное наращивание фонда скважин, что требует значительных дополнительных затрат. В числе факторов, положительно влияющих на перспективы добычи сланцевого газа, называют близость месторождений к рынкам сбыта, значительные запасы, заинтересованность властей ряда стран в снижении зависимости от импорта топливно-энергетических ресурсов. В то же время, у сланцевого газа есть и недостатки, негативно влияющие на перспективы его добычи. Среди таких недостатков отмечаются относительно высокая себестоимость, непригодность для транспортировки на большие расстояния, быстрая истощаемость месторождений, значительные экологические риски при добыче в результате применения технологии гидроразрыва пласта или фрекинга.
Теоретическая база этой технологии была заложена ещё в 1955 году в работе советских учёных С. А. Христиановича и Ю. П. Желтова о гидравлическом разрыве нефтеносного пласта, где они предложили математическую модель вертикальной трещины и впервые дали теоретическое обоснование данного метода. Суть его заключается в том, что в скважине путем закачки специальной жидкости, например, геля на основе воды, создается избыточное давление, значительно превышающее пластовое. В результате этого порода продуктивного пласта разрывается, и за счёт продолжающейся закачки жидкости образовавшиеся трещины увеличиваются в размерах. Вместе с этой жидкостью в трещину транспортируются расклинивающий агент (проппант) и другие химические вещества для того чтобы зафиксировать её в раскрытом состоянии после снятия давления. Закачка химических реагентов, необходимых для извлечения природного газа из сланцевых пород, может привести к загрязнению и существенному изменению состава грунтовых вод, так как из скважины поднимается только их часть. Кроме того, вместе с этой водой из сланцевых пластов на поверхность будут подняты такие вредные вещества, как бензол, мышьяк и радиоактивные материалы. Как результат этого страны Евросоюза — Франция, Румыния, Болгария и некоторые другие — уже запретили разведку сланцевого газа с применением технологии фрекинга из-за опасений загрязнения окружающей среды.
Тем не менее, резкий рост добычи сланцевого газа в США и, как следствие, замещение в энергетике части угля газом и увеличение объёмов экспорта газа в страны Евросоюза может ослабить позиции России в конкурентной борьбе на газовых рынках Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона. Значительное увеличение внимания к проблемам добычи сланцевого газа в Китае, где сосредоточены обширные объемы углеводородов (до 20 % мировых ресурсов) в сланцах, может поставить под вопрос целесообразность сооружение газопроводов из Восточной Сибири в Китай и существенно изменить современную структуру газовых рынков юго-восточной Азии. В связи с этим становится насущной необходимостью проведение реструктуризации российской экономики в направлении сокращения доли энергоёмких производств и увеличения вклада в ВВП наукоёмких, высокотехнологичных производств, интеллектуальных и социальных услуг. Важнейшей компонентой этой реструктуризации является сокращение экспорта ТЭР с целью ослабления соответствующей зависимости экономики.
В России, как и в остальном мире, также имеются значительные ресурсы сланцев, сланцевого газа и нефти, но пока их добыча в нашей стране незначительна, отметил
Сегодня нефть из баженовской свиты добывают в промышленных масштабах на Салымском нефтяном месторождении. По информации из открытых источников, «Сургутнефтегазом» за последние 30 лет на нефть в баженовской свите пробурено более 600 скважин. Результаты бурения выглядят противоречиво: в 37 % скважин притоков нефти не зафиксировано, а в 63 % притоки получены (максимальные — до 300 тонн в сутки). По данным на май прошлого года, из баженовской свиты компания добыла свыше 1,2 млн тонн нефти, а за всё время эксплуатации планируется добыть более 5,0 млн тонн. «Газпром нефть» намерена приобрести опыт в разработке баженовской свиты на Верхне-Салымском нефтяном месторождении.
Предстоящему началу работ по освоению баженовской свиты предшествовал большой подготовительный период. Сегодня есть прогресс в понимании геологических особенностей строения баженовской свиты на Верхне-Салымском месторождении, достигнутый на основании анализа нового материала и обработки имеющихся старых данных. Для отработки технологий выработки запасов и подтверждения существующей модели строения баженовской свиты запланировано строительство от трёх до пяти горизонтальных скважин специальной конструкции с проведением множественных гидроразрывов пласта.
Академик М. И. Эпов (Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН) в своём сообщении «Водорастворённый газ: ресурсы и добыча» рассмотрел другие возможные аспекты обеспечения энергоресурсами. В частности, он отметил, что с выходом на промышленные уровни добычи сланцевого газа в США все прогнозы о ценах и соотношении между основными игроками на мировом рынке топливно-энергетических ресурсов претерпели существенное изменение. Теперь все сценарии строятся с учётом изменившихся условий, но при этом забывается о возможности появления новых глобальных неконвенциальных ресурсов, которые также могут оказать влияние на мировую ситуацию, подобное сланцевому газу, а возможно и более существенное.
К разряду таких ресурсов наряду с традиционными и сланцевыми газами следует отнести водорастворённые газы (ВРГ), газогидраты, угольные газы, глубинные газы и газы плотных пород. При этом следует отметить, что по оценкам запасы ВРГ превышают на два порядка, а газогидратов на порядок, соответствующие запасы сланцевых газов. ВРГ локализуются не в минерально-органическом комплексе пород, а в поровых водах. Механизмы «улавливания» углеводородов при формировании скоплений ВРГ резко отличаются от аккумуляции газа в обычных залежах. Ресурсы свободных газов в залежах уступают ресурсам ВРГ в тех же продуктивных комплексах. И для отдельных крупных и гигантских газовых и газоконденсатных скоплений, и для их совокупностей в пределах нефтегазоносных комплексов существует прямая корреляция запасов свободного газа с ресурсами сопутствующего водорастворенного метана (ВРМ).
Для ВРМ характерны крайне неравномерные глобальное и внутрирегиональное распределения, и пока современные объёмы добычи ВРМ сравнительно невелики. Для скоплений сланцевого и водорастворённого газов ловушки необязательны, а ограничения добычи связаны с экологическими (утилизация извлечённой воды) и транспортными (низкое давление и малые дебиты) проблемами. Идея о практической возможности утилизации ВРГ в СССР была сформулирована ещё в 1974 году, когда предлагалось самотёком перепускать высоконапорные газонасыщенные воды в верхние сравнительно слабонапорные горизонты. Рассматривалась возможность засоления предельно газонасыщенных подземных вод при помощи перепуска рассолов в нижние горизонты газонасыщенных вод, что также ведёт к разгазированию пластовых вод и образованию залежей. Рассматривались также возможности нарушения фазового равновесия для усиления дегазации вод как следствие сверхмощных глубинных взрывов.
Основная проблема при разработке месторождений ВРГ заключается в транспортировке подземных вод на дневную поверхность, где они будут дегазироваться при атмосферном давлении и в утилизации рассолов. Однако требуемые материальные вложения, необходимые для решения этих проблем, стоят того. Например, для Губкинского месторождения с давлением насыщения пластовых вод около 7,5 МПа снижение давления в контурных водах на 2–3 МПа приведет к выделению газа в объёме 150–200 млрд м3. Кроме того, это вполне возможно. Так, в качестве примера можно привести Японию, где добыча ВРГ достигала 300 млн м3, что составляло около 30 % от общего количества потребляемых горючих газов.
Таким образом, сказал в заключение академик М. И. Эпов, хотя проблема использования ВРГ и сопряжена с большими инженерными и технологическими трудностями, но уже сейчас можно и нужно ставить вопрос об использовании ВРГ геопрессированных зон с целью их промышленной добычи.
Проблемы добычи сланцевого газа и сланцевой нефти, переработки попутного и сланцевого газа в компактных системах для получения водорода и жидкого топлива были рассмотрены в докладе
В докладе В. В. Кузнецова был рассмотрен также способ решения проблемы малотоннажного производства жидкого топлива посредством конверсии сланцевого газа в синтез-газ и процесса Фишера-Тропша в микрореакторных установках на основе каналов малого размера. Представлены технологические схемы таких установок и методы получение высокоактивных катализаторов с оптимальными структурными и размерными характеристиками. Полученные в Институте теплофизики результаты в области разработки основ создания конверторов попутного и сланцевого газа с использованием микротехнологий и наноструктурных материалов позволили на основе синтеза наночастиц катализатора с размером меньше 2 нм в композитной среде, допированной
Теоретически и экспериментально установлены закономерности тепло- и массопереноса при паровой конверсии метана в микроканальных реакторах, разработаны методы управления последовательностью реакций в условиях контролируемых полей температур и концентраций компонент. Созданные сотрудниками института многокомпонентные наноструктуры показали высокую эффективность получения синтез-газа с различным соотношением водорода и монооксида углерода. Они были использованы для создания прототипов энергоэффективных процессоров паровой конверсии углеводородов как первой стадии получения жидкого топлива из попутного и сланцевого газа.
Дальнейшее развитие вопросы использования природного газа в качестве сырья нашли в докладе
Он отметил, что на лабораторном уровне уже проведены исследования по осуществлению стадий пиролиза метана в ацетилен и этилен, гидрирования ацетилена в растворителе в этилен, синтеза пропилена из этилена, олигомеризации олефинов в полимер-бензин. Данная технология предполагает возможность получения из одной тонны метана: пропилена — 680 кг, ароматических углеводородов — 75 кг, жидкого топлива — 36 кг, водорода — 88 кг. Однако для коммерциализации комплексной технологии пиролиза природного газа требуется дальнейшее проведение НИР по оптимизации условий проведения процессов, дополнительных НИОКР по технологиям получения катализаторов, выработке инженерных решений по реакторным и абсорбционным разделительным устройствам. Необходимо также создание пилотной и демонстрационной установок.
Большой практический интерес представляет также процесс одностадийного синтеза пропилена из этилена. Для реализации этого синтеза через осуществление процессов димеризации этилена, позиционной изомеризации бутенов и метатезиса бутенов-2 с этиленом на одном катализаторе в ИППУ СО РАН разработаны катализаторы на основе оксидов никеля и рения. По результатам кинетических исследований показано, что лимитирующей стадией процесса является олигомеризация этилена, а реакции изомеризации и метатезиса протекают быстро до состояния равновесия. Показана возможность осуществления процесса получения пропилена с выходом не менее 80 % от теоретического. В заключение докладчик рассмотрел перспективы разработки малотоннажной технологии переработки природного газа в углеродные материалы с высокой добавленной стоимостью, а именно для получения высокодисперсного технического углерода, широко применяемого в качестве усиливающего компонента при производстве резин (в частности, автомобильных шин) и других пластических масс.
О получении узких фракций микросфер постоянного состава из всех известных типов летучих зол, о взаимосвязи «состав — строение — каталитические свойства ферросфер
В ИХХТ СО РАН изучена каталитическая активность узких фракций ферросфер постоянного состава системы в реакции окислительного превращения метана. При этом в ферросферах формируется алюмо-магний-ферритовая шпинель, количество и параметр решётки которой увеличивается с ростом содержания железа. Активность ферросфер в реакции глубокого окисления метана определяется концентрацией феррошпинели и стеклофазы. При высоком содержании стеклофазы каталитически активный компонент блокируется, и активность ферросфер снижается. Исследования проницаемости ценосфер в отношении гелия, водорода и неона показали, что проницаемость для этих газов резко увеличивается с ростом содержания фазы муллита в алюмосиликатной оболочке. Снижение содержания оксида алюминия в составе стеклофазы приводит к увеличению проницаемости гелия в 100 раз при комнатной температуре.
Об особенностях и механизмах возникновения и развития трещин, о динамике падения давления в трещине, имеющих место при организации гидроразрыва пласта, рассказали в своих обстоятельных докладах сотрудники Института гидродинамики
им. М. А. Лаврентьева СО РАН
По итогам всех выступлений в ходе выездного заседания проходили активные дискуссии с обсуждением самых разнообразных, порой весьма неожиданных, аспектов проблематики, нашедшей то или иное отражение в презентациях докладчиков. Закрывая заседание, председатель ОУС СО РАН по ЭММПУ академик В.М. Фомин выразил общее мнение, прозвучавшее на выездной сессии, сказав, что в ближайшем будущем основным фактором, определяющим соотношение сил и сфер влияния на мировом топливно-энергетическом рынке станет обладание передовыми наукоёмкими технологиями добычи и переработки природных энергоресурсов, а не наличие их абсолютных запасов. И наша задача заключается в том, чтобы в первую очередь развивать те фундаментальные исследования, которые смогут составить основу прикладной базы для развития и внедрения таких технологий.
В заключение нельзя не отметить прекрасные условия проведения выездной научной сессии Объединённого учёного совета СО РАН по энергетике, машиностроению, механике и процессам управления на базе отдыха ИТ СО РАН «Сосновый бор». Хочется от всей души выразить искреннюю благодарность и сказать самые теплые и добрые слова директору Института теплофизики
стр. 12-13