СЛАНЦЕВЫЙ ГАЗ,
ВОДОРАСТВОРЁННЫЙ ГАЗ —
ВОЗМОЖНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В середине июля на базе отдыха «Сосновый бор» Института теплофизики
им. С. С. Кутателадзе прошла выездная сессия Объединённого учёного совета СО РАН по энергетике, машиностроению, механике и процессам управления, посвящённая теме «Ресурсные, технологические и экономические аспекты сланцевой революции. Позиции и роль России».
Председатель Совета академик В.М. Фомин,
учёный секретарь Совета к.ф.-м.н. В.Н. Зиновьев
Выездное заседание ОУС СО РАН по ЭММПУ состоялось 18–19 июля в расширенном составе, с приглашением представителей объединенных учёных советов по химическим наукам и наукам о Земле. Всего в работе приняли участие около 30 человек. Заседание было посвящено проблемам добычи нефти и газа из сланцевых пород, аспектам создания новых и развития существующих технологий переработки углеводородов, обсуждению вопросов экологии и энергетической безопасности России.
«Идея проведения выездного заседания именно в сочетании различных наук была высказана на предыдущем заседании ОУС ещё в апреле, — сказал, открывая сессию, председатель Совета академик В. М. Фомин. — В настоящее время достичь успеха можно только в интеграции, взаимном дополнении и во взаимодействии между различными науками. В условиях глубокой специализации и интенсификации современной науки зачастую невозможно в рамках одной отдельной научной дисциплины отыскать правильное и оптимальное решение практических проблем в силу их большой сложности и многосторонности. Преодолению этих сложностей и нахождению верных решений как раз и должен способствовать междисциплинарный подход специалистов различных научных направлений».
 |
| Академики В.М. Фомин, М.И. Эпов и чл.-корр. РАН Н.И. Воропай во время перерыва.
|
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 чл.-корр. РАН В. А. Каширцев (Институт нефтегазовой геологии и геофизики
им. А. А. Трофимука СО РАН) в своем докладе «Ресурсы горючих сланцев России». Значительные месторождения горючих сланцев находятся на Русской платформе, в Оленёкском, Прибалтийском и Волжском бассейнах. В Западной Сибири сланцевая нефть сосредоточена главным образом в баженовской свите, в нефтенасыщенных труднопроницаемых породах, залегающих среди нефтеносных горизонтов традиционных месторождений. В сущности, это отечественный аналог знаменитого месторождения Баккен в США. По мнению чл.-корр. РАН И. И. Нестерова, ресурсы нефти в баженовской свите огромны и сопоставимы со всеми запасами традиционных месторождений Западной Сибири. Очевидно, что нефти баженовского горизонта, которые ещё даже не поставлены на баланс, являются весьма перспективным сырьём.
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 д.ф.-м.н. В. В. Кузнецова (Институт теплофизики
им. С. С. Кутателадзе СО РАН) «Капиллярная гидродинамика и процессы переноса при фазовых превращениях и химических реакциях в микро- и наносистемах». Отмечено, что существующие технологии добычи сланцевого газа и сланцевой нефти основаны на многократном гидроразрыве пластов, применение которого загрязняет пластовые воды и ведет к интенсивному нарушению целостности пластов. Одной из основных проблем добычи сланцевого газа и нефти в настоящее время является отсутствие прорывных технологий, позволяющих существенно снизить стоимость добычи. При дальнейшем росте стоимости нефти такой технологией может стать заводнение трещиноватых нефтенасыщенных пластов. Реализация этой технологии является достаточно сложной задачей из-за возможности прорыва воды в добывающие скважины, но эту проблему можно решить снижением расхода воды и активизацией капиллярной пропитки блоков породы. В этой области учёными Сибирского отделения РАН накоплен значительный опыт как фундаментальных, так и прикладных исследований.
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 Ce–Zr–La в определенном соотношении, осуществить управление последовательностью реакций при изменении высоты активационных барьеров.
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 чл.-корр. РАН
В. А. Лихолобова (Институт проблем переработки углеводородов СО РАН) «Современные подходы к квалифицированной переработке сланцевого газа в ценные химические продукты». Сначала докладчик остановился на традиционных способах химической переработки метана как основного компонента сланцевого газа, основанных на базовом варианте синтеза Фишера-Тропша для производства синтетических углеводородов с целью их дальнейшего использования в качестве синтетического смазочного масла или синтетического топлива. Затем В. А. Лихолобов подробно рассмотрел аспекты комплексной технологии пиролиза природного газа c получением легких алкенов и компонентов моторных топлив.
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 (CaO–FexOy–Al2O3–SiO2) и ценосфер системы
(SiO2–Al2O3)» в реакциях превращения углеводородов в широком интервале изменения их химического и фазового состава рассказал в своем докладе «Каталитические и мембранные системы на основе железоалюмосиликатных микросфер энергетических зол для процессов переработки природного газа и тяжёлых нефтепродуктов» д.ф.-м.н. А. Г. Аншиц (Институт химии и химических технологий СО РАН).
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 д.ф.-м.н. С. В. Головин — «Моделирование трещины гидроразрыва с гетерогенным размещением проппанта»,
д.ф.-м.н. В. В. Шелухин — «Геоэлектрика и геодинамика слабопроницаемых нефтегазовых коллекторов» и д.ф.-м.н. С. В. Сухинин — «Гидроудар и градиентная катастрофа в канале гидроразрыва для повышения эффективного радиуса скважин».
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 чл.-корр. РАН С. В. Алексеенко, а в его лице всем организаторам — сотрудникам института, которые приняли участие в подготовке и проведении этого мероприятия. Благодаря их организованности, гостеприимству и радушию для участников была создана исключительно комфортная атмосфера, которая предопределила успешную и плодотворную работу.
стр. 12-13
|
