В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики

Удельное газосодержание подземных вод относительно невелико (0,3—20 м3 газа на 1 м3 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 м3. 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 м3 на 1 м3 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 м3 при образовании бурого угля до 192 м3 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 СО2, СО, СН4 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 м3 газа. Так как мировые ресурсы угля составляют примерно 104 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 м3 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 м3, 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 м3/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 м3 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.

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 м3. 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.