Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики

метана, в промышленных масштабах его утилизация до сих пор практически не осуществляется.

Важным источником газообразного углеводородного сырья являются газы нефтеперерабатывающих заводов. В отличие от природных газов, в нефтезаводских газах содержатся не только насыщенные, но и ненасыщенные углеводороды. Кроме того, в состав этих газов обычно входят водород, сероводород и небольшое количество органических сернистых соединений. Основным источником нефтезаводских газов являются процессы деструктивной переработки нефти, а их состав зависит от конкретных процессов, применяемых на данном производстве.

Среди нетрадиционных источников углеводородных газов необходимо также отметить природные и антропогенные источники биогаза, преимущественно метана, образующегося в результате бактериального брожения органического вещества. В ряде стран, бедных энергоресурсами, например Индии, биогаз активно используется в бытовом секторе. Швеция, Германия и другие европейские страны реализуют проекты переработки отходов сельскохозяйственной продукции и деревообработки в биогаз с последующим производством из него электроэнергии и синтетических моторных топлив. Биогаз может стать серьезным дополнительным источником углеводородного сырья, т. к. ежегодные воспроизводимые ресурсы биомассы в мире оцениваются в 200 млрд т.

2.4.1. Сланцевый газ – очередная революция в энергетике

Крупнейшим событием в мировой энергетике за последние годы стало создание в США промышленной технологии разработки еще одной разновидности нетрадиционных ресурсов природного газа – сланцевого газа. Фактически создание технологии экономически рентабельной добычи сланцевого газа, который до этого момента даже не рассматривался как реально извлекаемый ресурс, можно рассматривать как крупнейшую за последние полвека научно-техническую революцию в энергетике. Превращение огромных запасов сланцевого газа в доступное энергетическое сырье многократно увеличило мировые энергетические ресурсы и сняло, по крайней мере на несколько ближайших десятилетий, острейшую проблему глобального дефицита энергии.

По своему составу сланцевый газ практически не отличается от традиционного газа. Главное отличие месторождений сланцевого газа от месторождений традиционного газа в том, что они расположены на глубинах в 1,5–2 км в слабопроницаемых для газа осадочных породах, где собственно и протекает генезис (т. е. образование) газа (рис. 26).

Рис. 26. Зоны формирования традиционного и сланцевого газа

Из-за большой глубины залегания сланцевых пород и их слабой газопроницаемости разработка этих ресурсов потребовала решения нескольких сложнейших технических проблем. Помимо освоения экономически эффективных технологий бурения глубоких скважин потребовалось создание методов повышения притока газа к скважине и поддержания ее достаточно высокого дебита в течение продолжительного времени, необходимого для оправдания больших издержек на глубинное бурение. Эти методы включают создание эффективных технологий горизонтального бурения на больших глубинах и гидравлического разрыва пласта, что в совокупности значительно увеличивает эффективную площадь газосбора и скорость диффузии газа к скважине. При гидравлическом разрыве (гидроразрыве) в пласт под большим давлением закачивается смесь воды, песка и различных химикатов. В ходе разрыва породы под действием давления в горизонтальной части скважины, длина которой достигает 1,5–2 км, образуется большое количество трещин, увеличивающих общую площадь газосбора (рис. 27). Песчинки закрепляют образовавшиеся трещины, не давая им схлопываться под действием пластового давления, а химические вещества, в основном ПАВы, увеличивают отдачу.

Рис. 27. Схема добычи сланцевого газа методом гидроразрыва пласта

После гидроразрыва и выхода закачанной воды эффективная эксплуатация скважины может продолжаться в течение нескольких лет, хотя уже в течение первого года дебит скважины падает почти вдвое. В целом экономически эффективная эксплуатация скважины сланцевого газа продолжается всего несколько лет, что в разы меньше, чем в случае традиционного газа, добыча которого обычно ведется из ловушек, заполненных хорошо проницаемыми для газа породами, перекрытыми сверху газонепроницаемыми породами, и может продолжаться несколько десятилетий. Однако если обнаружение больших ловушек с традиционным газом, куда он диффундировал в течение миллионов лет из слабопроницаемых материнских пород, большая геологическая удача, то добыча сланцевого газа ведется по площадям путем последовательного бурения скважин через определенное расстояние. То есть добыча сланцевого газа может планомерно вестись на огромных территориях, расположенных над зонами с газосодержащими сланцевыми породами.

Тем не менее, сама технология добыча сланцевого газа, на разработку которой американские компании затратили пару десятков лет и миллиарды долларов, остается крайне сложной и дорогостоящей. Сейчас стоимость подготовки одной скважины к эксплуатации оценивается примерно в 5 млн долл. и продолжает постепенно снижаться, что позволяет американским добывающим компаниям поставлять газ на внутренний рынок по беспрецедентно низкой цене порядка 120 долл./1000 м

. Это примерно в два-три раза ниже, чем цена газа в Европе и Японии.

О сложности технологии добычи сланцевого газа свидетельствует рис. 28, демонстрирующий обилие сложнейшей техники, привлекаемой для осуществления гидроразрыва пласта. Пока только американские компании владеют этой технологией, оставаясь в этой области монополистами.

Рис. 28. Подготовка техники к гидроразрыву пласта

2.4.2. Газовые гидраты – главный мировой резерв углеводородного топлива

Важное значение для формирования в земной коре ресурсов природного газа имеет свойство метана и других газообразных углеводородов при высоком давлении и пониженной температуре образовывать с водой газовые гидраты – твердые кристаллические соединения с общей формулой C

H

.mH

O, которые при высоких давлениях существуют и при положительных температурах. По структуре газовые гидраты – это соединения включения (клатраты), образующиеся при внедрении молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды. Существуют два типа решетки гидратов: структура I, построенная из 46 молекул воды и имеющая 8 полостей, и структура II – 136 молекул воды, 16 малых полостей и 8 больших (рис. 29). Молекулы газа-гидратообразователя находятся в полостях решетки, которая может существовать только при наличии этих молекул (Бухгалтер, 1986).

Рис. 29. Полости в структурах газовых гидратов типа I (8М·46Н

О, где М – СН

, С

Н

, СО

, H

S, N

) и типа II (8М·136Н

О, где М – С

Н

, i-С

Н

); модель каркаса из молекул воды с находящейся внутри молекулой метана

Метан, этан, углекислый газ, сероводород и азот образуют гидраты структуры I, при которой формула полностью насыщенного газом гидрата 8M.46H

O, где М – молекула гидратообразователя. Пропан и изобутан образуют гидраты структуры II с идеальной формулой 8M.136H

O. Углеводороды с размерами молекул, большими, чем у изобутана, гидратов не образуют, так как уже не помещаются в полость, образуемую молекулами воды. Один объем воды при образовании гидрата связывает от 70 до 210 объемов газа, при этом удельный объем воды возрастает на 26–32 %. При образовании гидрата метана один объем воды связывает 207 объемов метана. А при разложении 1 м

гидрата метана при нормальных условиях выделяется 164,6 м

газа. При этом объем, занимаемый газом в гидрате, не превышает 20 %. Таким образом, в гидратном состоянии 164,6 м

газа занимают объем всего 0,2 м

(Макогон, 2001).

Внешне гидраты метана выглядят как лед или плотный снег, а при разложении (таянии) выделяют воду и метан, который можно поджечь (рис. 30). В природных условиях они широко распространены и образуют крупные залежи метанового газа. Например, на океанском дне даже при температуре +10°С уже на глубине 700 м давление достаточно для образования газовых гидратов. Мировые ресурсы газа в газогидратных залежах, сосредоточенных на материках, определяются величиной около 10

м

. А ресурсы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в акватории Мирового океана, в пределах шельфа и материкового склона – в 1,5 10

м

(Макогон, 1985), хотя имеются и более высокие оценки. Энергия, высвобождающаяся при разложении газогидратных залежей, столь велика, что этот процесс может инициировать тектономагматические процессы в литосфере Земли.

Рис. 30. Тающий кусок газового гидрата с горящим пламенем выделяющегося метана

Целый ряд закономерностей в распространении скоплений газовых гидратов, а также изотопно-геохимический облик газогидратных газов и вод свидетельствует о глубинном генезисе углеводородных газов, вошедших в состав газогидратов. Только в случае признания ведущей роли глубинных углеводородных и углеводородно-водных флюидов в формировании скоплений газогидратов главные геологические закономерности их распространения получают непротиворечивое объяснение. Водород и углерод являются основными химическими элементами, поднимающимися из земных глубин к поверхности в процессе постоянно идущей дегазации планеты. Водород диффундирует сквозь толщу земных пород в атомарном и молекулярном виде, а углерод – в химически связанном виде, в составе оксидов углерода СО и СО

. При температуре ниже 600°С эти газы вступают в реакцию, образуя воду и метан (СО + 3Н

? Н

О + СН

). Вода входит в кристаллическую решетку гидросиликатов, а метан накапливается в виде газовых включений, в т. ч. газовых гидратов.