Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики

(Скоробогатов, Старосельский, Якушев, 2000). Согласно статистическим данным, более 90 % выявленных в мире залежей нефти и газа сосредоточено на глубинах до 3 км. Разведанность этого слоя очень высока, поэтому в будущем здесь будут открываться преимущественно мелкие залежи углеводородов. К сожалению, современные технологии добычи, транспортировки и использования углеводородных ресурсов, ориентирующиеся, прежде всего, на ресурсы крупнейших месторождений, практически не учитывают это обстоятельство.

Россия является страной, наиболее обеспеченной ресурсами природного газа. Около четверти доказанных (рис. 25) и более 40 % вероятных ресурсов традиционного природного газа приходится на территорию России. Именно это национальное богатство делает Россию великой энергетической державой XXI века. Несмотря на явное снижение темпов открытия новых месторождений традиционного природного газа в России, в немалой степени и из-за недостаточного объема в предыдущие годы геологоразведочных работ, она еще продолжительное время будет оставаться крупнейшим мировым производителем и экспортером газообразных ресурсов (табл. II).

В десятке крупнейших мировых производителей природного газа на протяжении многих десятилетий с огромным отрывом доминируют Россия и США. Благодаря сланцевой революции в добыче природного газа США в последние три года опередили Россию по объему его годовой добычи, однако объем потенциальных ресурсов позволяет России со временем вернуть лидерство. Основные нефтегазодобывающие регионы России с указанием примерных объемов ежесуточной добычи нефти и газа и их доли в общероссийской добыче показаны на рис. 25.

Рис. 25. Основные нефтегазодобывающие регионы России

Максимальные темпы прироста традиционных ресурсов природного газа, так же, как в свое время и ресурсов нефти, были достигнуты в 70-х годах прошлого века. А в начале текущего столетия, с задержкой примерно в 15 лет по сравнению с нефтяной отраслью, темпы мировой добычи традиционного природного газа сравнялись с темпом открытия новых крупных месторождений. То есть добыча традиционного газа также приближается к своему пику. Но в последние годы большое внимание стали привлекать гигантские ресурсы нетрадиционных видов природного газа. В первую очередь это связано с тем, что были разработаны новые технологии извлечения этих ресурсов. Это позволяет рассматривать огромные ресурсы нетрадиционного природного газа как реально доступный резерв развития мировой энергетики. Но прежде чем перейти к обсуждению этих новых ресурсов, очень коротко рассмотрим, как вообще образуются в земной коре нефть и природный газ.

2.3. Генезис месторождений природного газа

Образование (генезис) нефти и природного газа в осадочных породах тесно связано с относительно недавней геологической историей верхних 10 км земной коры и образованием самих осадочных пород. По крайней мере часть природного газа, видимо, образовалась из биологического материала как растительного, так и животного происхождения в результате действия на него химических и микробиологических процессов в условиях высоких давлений и температур как конечный продукт образования углеводородов из биополимеров в ходе относительно прямого процесса последовательной потери кислорода и азота, вероятно, в виде диоксида углерода и аммиака.

Абсолютно все осадочные породы содержат в разных концентрациях, от 0,01 до 15 % (от 0,1 до 150 г/кг) рассеянное органическое вещество. При относительно небольших температурах 60—100°С, характерных для горных пород, могут протекать каталитические реакции деструкции органического вещества с образованием углеводородов. Катализаторами могут являться алюмосиликаты, входящие в состав различных, особенно глинистых пород, а также различные микроэлементы и их соединения. Для образования нефти достаточно иметь в тонкодисперсных глинистых осадках 0,5–2 % органического вещества. Метан может образовываться в промышленных объемах и из еще более рассеянной органики.

Кроме того, сейчас известно более десятка видов бактерий, в результате жизнедеятельности которых образуется метан. Они развиваются в основном при температурах от 0 до 55°С, но известны и термофильные штаммы, оптимум развития которых приходится на 65–70°С, а максимальная для жизнедеятельности температура еще выше. Например, некоторые разновидности сульфатвосстанавливающих бактерий живут в водоносных пластах нефтяных месторождений на глубине в несколько километров при температуре до 104°С и давлении до 100 атмосфер. Их концентрация достигает 50—160 тысяч в 1 мл, и они непрерывно в течение миллионов лет производят метан. Более тяжелые газообразные углеводороды – этан, пропан и бутан – биогенным путем практически не образуются (Зорькин, Суббота, Стадник, 1986).

Существуют также гипотезы абиогенного происхождения природного газа. Предполагается, что в процессе концентрации и уплотнения звездной пыли, приведшего к образованию Земли, уже первичное вещество содержало высокую концентрацию метана. При этом огромное количество метана оказалось в мантии Земли, и в течение 4,5 млрд лет ее существования эти газы с помощью различных тектонических механизмов пробивают себе путь к верхним слоям земной коры (Голд, 1986). Согласно этим данным метан в земной коре абсолютно устойчив до глубин в 30 км, а практически может существовать на глубинах до 300 км и даже 600 км. Если этот взгляд на геологию Земли верен, то глубинные резервы природного газа могут в огромное число раз превышать запасы газов биогенного происхождения. Многолетние исследования месторождений природных газов, в том числе изотопного состава углерода, который различен у метана биогенного и абиогенного происхождения, не дают решающего перевеса ни одной из этих теорий. Видимо, обе гипотезы происхождения природного газа справедливы, и различные месторождения имеют разное происхождение.

Даже при минимальных значениях потока углеводородной дегазации Земли (5 10

г/год) за 500 млн лет к поверхности Земли могло быть вынесено 2,5 10

т углеводородов. Это во многие тысячи раз превышает прогнозные глобальные запасы нефти (2 10

т), газов в залежах (2 10

т), нефтяных битумов (1 10

т), горючих сланцев (5 10

т) и свидетельствует о том, что нефтегазонакопление является побочным процессом на фоне глубинной углеводородной дегазации Земли. Данные о масштабах поступления углеводородных газов в атмосферу показывают, что ежегодное поступление в нее метана составляет примерно 2 трлн м

. Причем по результатам анализа изотопного состава доля биохимического метана не превышает 50–80 %, т. е. от 20 до 50 % этого потока приходится на глубинный метан, что составляет от 400 млрд м

до 1 трлн м

/год (Валяев, 1997). Этот поток сопоставим с масштабами мировой добычи природного газа, что позволяет рассматривать его как частично возобновляемый ресурс.

В последние годы появились данные о возможности абиогенного каталитического синтеза углеводородов непосредственно в земной коре. Многие типичные горные породы являются дисперсными системами с высокоразвитыми межфазными границами, характерными для промышленных гетерогенных катализаторов, а химический состав пород нередко соответствует составу традиционных катализаторов синтеза углеводородов. Сравнение составов углеводородных смесей, искусственно синтезированных в различных условиях на металлосодержащих катализаторах и на каталитических металлооксидных системах в смеси с глинами, SiO

, Al

O

и цеолитами с составом углеводородов природных нефтегазовых месторождений, показывает, что абиогенным неорганическим синтезом можно получать смеси углеводородов, идентичные природным. Рассматриваются два различных геохимических источника исходных газов для абиогенного синтеза углеводородов. Во-первых, возможен их синтез из восходящих глубинных потоков первичных СО, СО

и Н

, которые входили в состав протопланетного вещества еще на стадии формирования Земли. Во-вторых, возможен абиогенный синтез углеводородов из аналогичных по составу «вторичных» газовых смесей, появившихся в результате глубинных превращений метана и воды в зонах, имеющих температуру более 800°С (Ионе и др., 2001).

Наряду с диоксидом углерода метан является одним из основных компонентов природных биохимических процессов кругооборота углерода. Попадающий в атмосферу метан составляет всего 0,5 % от полного кругооборота углерода в природе, хотя примерно половина всего количества углеводородов органического происхождения разлагается до метана анаэробной микрофлорой. Разница обусловлена деятельностью аэробных метанпоглощающих микроорганизмов, располагающихся между анаэробными отложениями, в которых происходит образование биогенного метана, и атмосферой. Есть данные, свидетельствующие о протекании и анаэробных биохимических процессов окисления метана в отложениях на морском дне с образованием диоксида углерода. То есть не исключено, что в условиях верхнего слоя осадочных пород происходит неоднократное взаимопревращение этих газов. Но в восстановительных условиях глубокозалегающих осадочных пород, где метан образует газовые залежи, метан, как самый устойчивый углеводород, может сохраняться неизменным десятки и сотни миллионов лет.

Соединения углерода с водородом также широко представлены в других телах Солнечной системы. Самое большое их количество сконцентрировано в массивных внешних планетах и их спутниках. В составе мощных атмосфер Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна значительная роль принадлежит углероду, в основном в виде углеводородов, и в частности метана. Атмосфера Титана, спутника Сатурна, содержит метан и этан. Облака над Титаном состоят из этих соединений, и, по-видимому, жидкая метан-этановая смесь покрывает поверхность планеты, концентрируясь наподобие воды в земных условиях, в океанах, реках, а также образуя полярные шапки охлажденного вещества (Голд, 1986).

2.4. Нетрадиционные ресурсы природного газа

Описанные выше механизмы образования в земной коре метана и других газообразных углеводородов обеспечивают их широкое распространение в природе не только в виде крупных залежей традиционного природного газа в пористых и трещиноватых осадочных породах или в растворенном виде в нефти. Огромное количество метана рассеяно в осадочных и изверженных горных породах и в илах озер, морей и океанов. Метан содержится в кристаллических сланцах, мраморах, гнейсах, гранитах и других горных породах, причем на каждый килограмм породы приходится до 0,1 м

метана. В небольших концентрациях метан растворен в пресной и морской воде. Он входит в состав почвенного воздуха и является одной из важных составляющих земной атмосферы. Много метана растворено в пластовых водах на глубинах 1,5–5 км. Такие источники природного газа, как метан угленосных толщ, водорастворенные газы подземной гидросферы, природные газовые гидраты и ряд других относят к нетрадиционным ресурсам природного газа.

Удельное газосодержание подземных вод относительно невелико (0,3—20 м

газа на 1 м

воды), что делает нерентабельной добычу газа в промышленных масштабах. Но общие ресурсы газа в подземных водах до глубин в 4500 м могут достигать 10 000 трлн м

. Вследствие низкого газосодержания промышленная добыча возможна лишь в небольших объемах и в местах аномально высокой газонасыщенности подземных вод. Например, в месторождении Мобара в Японии газосодержание подземных вод в хорошо проницаемых породах на глубине 200–600 м достигает 25–28 м

на 1 м

добываемой воды. Поэтому газ подземной гидросферы пока рассматривается как весьма проблематичный источник природного газа (Скоробогатов, Старосельский, Якушев, 2000).

Важным источником практически чистого метана могут служить залежи каменного угля. Большие объемы метана выделяются в угольных пластах при метаморфизме угля, который сопровождается низкотемпературным термохимическим распадом органического вещества. Количество выделяющегося метана на одну тонну угольного вещества увеличивается от 161 м

при образовании бурого угля до 192 м

при образовании каменного угля. В процессе метаморфизма происходит изомеризация углеродсодержащих группировок атомов с образованием более устойчивых структурных элементов ароматической графитоподобной решетки. Распад функциональных групп приводит к переходу части органического вещества в газовую фазу в виде молекул СО

, СО, СН

и др. Гомогенный твердофазный процесс изомерной перегруппировки атомов протекает самопроизвольно и имеет низкую энергию активации 29–53 кДж/моль (Кизильштейн, Булгаревич, 2002).

Метан скапливается благодаря адсорбции в угле в вертикальных разломах и трещинах угольных пластов, расслоениях и трещинах между ними. При добыче из одной тонны угля обычно выделяется 6–8 м

газа. Так как мировые ресурсы угля составляют примерно 10

млрд т, содержание газа в угольных залежах сопоставимо с его содержанием в традиционных газовых месторождениях. По разным источникам в угленосных толщах угольных бассейнов мира содержится от 85 до 262 трлн м

природного газа. Поэтому даже умеренная добыча газа из угольных пластов могла бы внести существенный вклад в обеспечение мира природным газом.

«Нетрадиционный» угольный метан уже сейчас занимает заметное место в объеме газодобычи ряда стран. В США активная добыча угольного метана ведется с 50-х годов, а ее годовой объем в настоящее время превышает 55 млрд м

, что составляет более 7 % от общей добычи природного газа. Добыча угольного метана ведется также в Канаде, Австралии, Китае, Индии, Индонезии и др. странах.

Большинство каменноугольных бассейнов России (Кузнецкий, Печорский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский и др.) фактически являются газоугольными. Метаноносность таких высокометаморфизованных угольных пластов возрастает с увеличением глубины их залегания и достигает 40–50 м

/т. Предварительная дегазация угольных пластов – необходимое условие безопасной работы шахтеров и источник сопутствующего метана. Хотя отечественными шахтами ежегодно выбрасывается в атмосферу свыше 7,5 млрд м