Возможна ли сланцевая революция в России?

В последнее время вопрос «что будет, когда нефть закончится?» интенсивно обсуждается в прессе и интернете, и практически всегда ответ на него имеет пессимистический оттенок.

Например, предполагается, что придется пересаживаться на автомобильные кареты мощностью в одну лошадиную силу (на облучке кареты предусмотрены два места: одно для владельца кобылы, другое - для бывшего владельца автомобиля). Другие предпочтут ездить по железной дороге на поездах с паровозной тягой, а вот художник И. Андреев предлагает летать на самолете, работающем на каменном угле, но поскольку уголь при каждом забросе в топку сильно дымит, автор установил на самолет четыре дымовые трубы, как на «Титанике».

Но есть и оптимистические ответы, которые утверждают, что только освоение новых энергетических технологий позволит не возвращаться к прошлому. В последнее время в мире возник чрезвычайный интерес к использованию в качестве топлива природного газа, получаемого из горючих сланцев.

Некоторые ученые считают, что сланцевый бум возник из-за политизации мировой энергетики и соответствующего ажиотажа вокруг этой проблемы, другие же считают, что использование природного сланцевого газа (ПСГ) может полностью заменить и вытеснить с рынка природного газа метан глубокого залегания, мировые запасы которого существенно ограничены (в 2-3 раза меньше, чем ПСГ).

Что собой представляют горючие сланцы, почему они привлекли повышенное внимание мировой общественности?

Горючий сланец - полезное ископаемое, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 млн лет назад на дне моря из растительных и животных остатков. Мировые ресурсы ПСГ - это около 21,8 % сланцевого газа - сосредоточены в США и Канаде. Большие запасы есть в Южной Америке - 13,1 %, КНР и Индии - 22 %, в Австралии - 16 %, на Ближнем Востоке - 14 %, в России - 5 %, меньшие - в Болгарии, на Украине, в Великобритании. В Эстонии развита добыча и переработка горючих сланцев месторождения в Кохтла-Ярве, там действуют шахты и даже работает музей сланца. Российская часть того же месторождения не разрабатывается.

По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 млрд т сланцевой смолы (искусственной нефти), т. е. в 4 раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти. В России запасы Волжского бассейна составляют 16,8 трлн м(3) сланцевого газа, не менее 5,6 млрд т жидких углеводородов (сланцевой нефти), более 39 млрд т сырья для производства цемента. Среди разведанных российских месторождений можно выделить: Ленинградское, Яренгское, Айювинское и Чоп-Лоптюгское в Республике Коми, Кашпирское под Сызранью, Боженовское в Западной Сибири, Озинкское в Саратовской области, Общесыртовское в Оренбургской области, месторождения на востоке Мордовии, в Чувашии, Кировской и Костромской областях.

Хотя теория гидроразрыва сланцевого пласта была предложена советским академиком С.А. Христиановичем в 1953 г. (он также предложил осуществлять гидроразрыв плазменным или инфразвуковым воздействием на пласт), в больших объемах добыча сланцевого газа осуществляется в США. Для его выделения из сланцев применяются горизонтальное бурение и гидравлический разрыв пласта. Благодаря «сланцевой революции» начала XXI века США стали крупнейшим производителем сланцевого природного газа в мире, что повлекло падение мировых цен на этот энергоноситель. Американские ученые считают, что ресурсы сланцевого газа неисчерпаемы, так как идет дегазация глубинного водорода, и прямо сейчас водород, реагируя с углеводородами, образует метан. При разрыве пласта метан по вертикальной скважине собирается в наземные хранилища (технология фрекинга). Американские специалисты предполагают, что цена на сланцевый газ может упасть до 60 долл. за баррель.

Американская технология добычи сланцевого газа предусматривает следующие этапы. С помощью буровой установки разрабатывают вертикальную скважину на глубину залегания сланцевого пласта. Затем бур отклоняют от вертикали и осуществляют горизонтальное бурение вдоль сланцевого пласта, после чего бур вытаскивают и в пласт под давлением 50-100 МПа впрыскивают смесь воды, песка и специальных реагентов. Гидроразрыв пласта осуществляется с помощью гидравлического удара, образующегося за счет воздействия высоконапорной водосодержащей струи, разрывающей возникшие в пласте газовые карманы. Сланцевый газ по вертикальной скважине направляется в наземные хранилища. Описанным выше способом американцы уже разработали более 10 000 скважин.

В России установка по производству сланцевого бензина и газа была построена в начале 1970-х годов на сланцеперерабатывающем заводе в Ленинградской области в г. Сланцы, но дальше экспериментов дело не пошло. Полученный на установке сланцевый газ имел, как правило, большое содержание негорючих балластных компонентов - диоксида углерода, азота и сероводорода. Выпускались также две марки сланцебензинов: газовый и тяжелый. Первый термохимически выделяли из газа камерных печей, второй - из фракций сланцевой смолы. Но они нуждались в дальнейшей дорогостоящей переработке, чтобы достичь сходства с обычными бензинами.

Добыча нефти из сланцев оказалась экономически невыгодной из-за дорогостоящей переработки и загрязнения среды обитания. Добыча нефти из угля оказалась более целесообразной. Но отказ в 1970-е годы от дальнейших исследований по получению газа из сланцев в г. Сланцы привел к серьезному вакууму в теории получения газа из сланцев - самой распространенной в мире осадочной породы с небольшой глубиной залегания. Сейчас вновь представляется целесообразным возобновить опыты по получению ПСГ в знаменитом городе Сланцы, имея в виду преимущества добычи газа с небольших глубин залегания на близком от потребителя расстоянии.

Особое развитие подобные работы получили в США в настоящее время, когда была разработана технология горизонтального бурения в сланцевом пласте и осуществления в нем так называемого гидроразрыва пласта (ГРП) с высоконапорной закачкой в пласт песка и воды со специальными реактивами и производства серии гидравлических ударов по длине пласта. Эта технология позволила, по американским данным, существенно увеличить дебит газовой сланцевой скважины, и после освоения технологии очистки сланцевого газа от диоксида углерода и сероводорода в США добыча сланцевого газа (практически метана) достигла в 2012 г. 214 млрд м(3) (35 % от добычи природного газа в России). Это привело к падению цены на природный газ и вызвало серьезную дискуссию по сланцевому вопросу среди российских специалистов и управленцев. Заметим, что дальнейшее развитие сланцевого бума может отразиться на всей энергетической доктрине нашей страны. Так, будучи министром энергетики РФ, С.И. Шматко заявил, что разработка сланцев является «ненужным и ажиотажным делом», а министр природных ресурсов и экологии РФ Ю.П. Трутнев признал, что возникший «сланцевый ажиотаж» - это проблема для «Газпрома». И остается только сожалеть, что Министерство энергетики РФ, «Газпром» и Росимущество необоснованно закрыли производство сланцевого газа и бензина на заводе «Сланец», несмотря на возражение коллектива завода, и выставили завод на торги.

Применение сланцевого газа в быту и промышленности имеет не только преимущества, но и недостатки. Главное преимущество сланцевого газа состоит в том, что горючих сланцев на планете так много, что природный газ глубокого залегания (3,5-6,5 км) не может с ними конкурировать: их запасов хватит на 100-200 лет.

Сланцевый газ представляет определенную опасность для экологии. Дело в том, что технология ГРП требует поддержания заданной пористости пласта. Для этого используются различные химикаты, называемые проппантами (от англ. propping agent - расклинивающий агент), предотвращающие смыкание образовавшихся после ГРП трещин в сланцевом пласте. Сюда относятся оксиды алюминия, кремния, титана и железа. Кроме этого, сами сланцы в своем составе содержат небезопасные примеси сероводорода, аммиака и диоксида углерода. Все эти вещества загрязняют атмосферу и артезианскую воду, являющуюся источником питьевого водоснабжения.

Особое внимание нужно уделить технологии ГРП, которая требует для своего осуществления создания ударного воздействия газа сверхвысокого давления (до 100 МПа). Такое давление особо опасно для неглубоко залегающих горючих сланцев. Складывается впечатление, что предлагаемая схема добычи сланцевого газа и нефти с помощью ГРП является еще не до конца отработанной и требует дополнительных длительных исследований. Но она уже используется как пиар для привлечения инвестиций и давления на «Газпром».

Дополнительной проработки требуют следующие вопросы:

1. Отсутствует сертификат применения для промышленных и бытовых целей, который должен быть утвержден на уровне национальных органов стандартизации: в России - Госстандарт РФ; в США - ANSI, Национальный институт стандартизации США; в Германии - DIN, Немецкий институт стандартизации; в Великобритании - BSI, Британский институт стандартизации; во Франции - AFNOR, Французская ассоциация стандартизации; в Японии - JIS, Японская ассоциация стандартов и др.

2. Нет подробного перечня физико-химических характеристик конечных продуктов, таких как теплотворная способность, примеси, запах и др. (теплотворная способность не должна превышать национальных нормативов, так как это может привести к оплавлению горелок бытовых газовых плит и к взрыву).

3. Должен быть предъявлен полный список химикатов, используемых при ГРП, с указанием их степени опасности для человека. В тех случаях, когда ГРП производится с применением термического или химического размягчения пласта, должен быть указан способ осуществления каждой операции. В США 70 % всех ГРП осуществляется с использованием в качестве жидкости разрыва смеси пресной воды с гуаровой смолой в различных рецептурах. Предлагаемая рецептура не обеспечена мировым промышленным производством.

4. Возникшие после ГРП в пласте каверны, заполненные метаном, быстро (за несколько месяцев) истощаются, и скважина выводится из эксплуатации. Это заставляет бурить в 100 раз больше скважин, чем при обычном бурении. До настоящего времени не объяснена причина образования пробок при движении проппанта вдоль трещины, приводящих к снижению дебита скважины.

5. При реализации ГРП возникает опасность повреждения артезианских скважин питьевого водоснабжения, а для неглубоких скважин - загрязнения грунтовых вод.

6. При осуществлении ГРП в Пенсильвании были отмечены случаи проникновения метана в водопровод так, что можно было поджечь воду, вытекающую из крана.

7. Для проведения одного ГРП требуется закачать в скважину не только проппант, но и несколько тонн пресной воды, которую можно считать безнадежно потерянной.

8. При проведении ГРП на неглубоких скважинах (до 1 км) возникает опасность сейсмического воздействия (с магнитудой до 2 баллов) на фундаменты высотных зданий.

9. Предлагаемая всему миру методика добычи сланцевой нефти и газа с помощью ГРП не обеспечена оборудованием и приборами (азотные компрессоры с напором до 100 МПа, пробковые и отсечные клапаны, мгновенно открывающие для обеспечения гидравлического удара полный просвет трубы). Не отработаны до необходимой степени совершенства компьютерные методики 3D-контроля за ГРП.

Последнее, что надо иметь в виду европейским странам, где плотность населения весьма высока: разработка огромного количества скважин потребует выделения больших открытых площадей, притом что с каждого квадратного километра площади можно получить в год от 0,2 до 3,2 млрд м(3) сланцевого газа. Особую настороженность относительно использования сланцевого газа проявляют «Гринпис» и ученые Корнелльского университет в США. В Австралии в 2011 г. наложен запрет на добычу сланцевого газа на 20 лет. Во Франции использование ГРП с июля 2011 г. является незаконным. Фрекинг запрещен также в Румынии и Болгарии.

Первый в мире ГРП был осуществлен в 1947 г. американской компанией «Halliburton» с использованием в качестве проппанта технической воды и речного песка. Первый ГРП в СССР был произведен в 1954 г. в Донбассе для получения метана из угольного пласта. Сегодня ГРП широко используется на многих газовых и нефтяных месторождениях мира, это основной инструмент увеличения эффективности любой скважины. Особый интерес ГРП имеет для скважин с падающим дебитом. В целях внедрения этого режима на российских нефтяных скважинах в США закуплено несколько мобильных комплексов для проведения гидроразрыва пласта. Он уже используется для возрождения некоторых скважин на Каспийском море и в Западной Сибири.

В России организован ряд новых фирм для изготовления подобных комплексов. На этих фирмах уже начато производство отечественного оборудования: машин для подготовки проппанта, насосных агрегатов для закачки в скважины смеси воды с проппантом с максимальным давлением 107 МПа и мощностью 2000 л. с., машин для обвязки оборудования с агрегатами подготовки упомянутой смеси, машин для прогрева скважин перегретым водяным паром и др.

Приступили к выпуску автобусов с оборудованием для дистанционного контроля работ по ГРП на основе программного обеспечения 3D, телеметрии и радиационного каротажа для определения местоположения скважин.

В заключение отметим, что нынешний бум вокруг сланцевого газа, конечно, может быть вызван и политическими мотивами. Но нужно иметь в виду, что запасы природного метана глубокого залегания, видимо, в этом веке подойдут к концу, и каким бы плохим ни был сланцевый газ, придется его использовать, приняв меры по его облагораживанию и обеспечению экологической безопасности.

Сланцевый газ не решает наболевшую проблему человечества. Есть еще одна задача, которая поможет на сотни лет уйти от дефицита нефти, - синтез нефти из каменного угля.

Топливо из угля производила Германия во время Второй мировой войны. В ЮАР компания «Sasol Limited» производит синтетическое топливо из угля с 1955 г. В начале 2006 г. в США рассматривались проекты строительства 9 заводов по непрямому сжижению угля суммарной мощностью 90-250 тыс. баррелей в день. Американская Национальная комиссия развития и реформ (NDRC) заявила, что суммарная мощность заводов по сжижению угля достигнет 16 млн т синтетического топлива в год, что составляет около 0,4 млн баррелей в день. Китай планирует инвестировать 15 млрд долл. до 2015 г. в строительство заводов по производству синтетического топлива из угля.

Как и в случае нефти из сланцев, серьезной проблемой получения топлива из угля является загрязнение окружающей среды, хотя и в меньших масштабах.

Метод получения моторного топлива из угля называется парофазной гидрогенизацией простейших углей. Впервые предложил этот метод известный русский ученый, академик Петербургской академии (после революции - Академии наук СССР) В.Н. Ипатьев (1867-1952) в 1920 г.

Процесс парофазной гидрогенизации угля, по Ипатьеву, осуществляется при температуре 450 °С и при давлении водорода до 20 МПа. В этом процессе главная задача состоит в получении из бурого угля наводороженной пасты без образования кокса, из которой известными методами гидроочистки, гидрокрекинга и риформинга можно получить бензин, керосин, дизельное топливо и другие тяжелые углеводородные фракции.

Когда в 1930-е годы в СССР начались чистки и аресты среди ученых, Ипатьев как бывший генерал-лейтенант царской армии не вернулся из заграничной командировки и эмигрировал в США. Это была большая потеря для нашей науки. Позже он многократно просил дать ему возможность вернуться на родину, но в 1951 г. получил окончательный отказ. В 1952 г. В.Н. Ипатьев скончался и был похоронен на русском кладбище в городе Джексон, штат Нью-Джерси. Только через 40 лет ему вернули российское гражданство и в звание академика РАН.

В 1931 г. немецкие химики Ф. Бергиус и К. Бош, не ссылаясь на труды Ипатьева, а его статья о парофазной гидрогенизции угля была опубликована еще в 1902 г. в немецком журнале «Journal fur pracktische Chemie», приступили к внедрению этого метода в промышленность и получили Нобелевскую премию (1931 г.). Всего до начала Второй мировой войны в Германии, не имевшей месторождений нефти, было построено 14 заводов по производству бензина из бурого баварского угля. Их производительность составляла 4 млн т в год, и эта продукция стала весомым вкладом в успех германской армии на западноевропейском направлении.

После победы над Германией все оборудование гидрогенизационных заводов было вывезено в СССР (в Кузбасс), однако попытки запустить хотя бы два завода не увенчались успехом в связи с трудностями восстановления народного хозяйства и нехваткой квалифицированных специалистов. В дальнейшем эти работы после открытия и освоения месторождений нефти в Поволжье и Западной Сибири были вообще прекращены.

Не исключено, что будут найдены и вовлечены в разработку новые нефтяные месторождения, но это не изменит ситуации: запасы нефти относительно невелики, до их исчерпания необходимо научно и технически подготовиться к получению синтетической нефти из угля. Геологические ресурсы угля почти в 30 раз превышают запасы нефти, т. е. их хватит человечеству на много столетий.

Наконец, отметим, что дефицит нефти в первую очередь наносит огромные потери реактивной авиации, которая может нормально функционировать только на авиационном керосине. Использование метанола крайне опасно, поскольку для человека это смертельный яд, а использование сжиженных природных газов (пропан-бутана) и жидкого водорода не может быть реализовано успешно из-за неудовлетворительных массо-габаритных характеристик топливных баков и высокой опасности взрыва при малейшей утечке газа.

В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н.Д. Кузнецова (Самара) были разработаны водородные авиационные турбореактивные двигатели, предназначенные для пассажирских самолетов А.Н. Туполева. Двигатели прошли стендовые и летные испытания. Исследовались различные синтетические топлива: жидкий водород, метанол, аммиак, ацетилен, гидразин, монометиламин, пропан-бутановая смесь. На первом этапе испытаний было принято решение использовать в качестве базового двухконтурный двигатель НК-8-2 с тягой 10,5 т. Двигатель был дооборудован для работы с жидким водородом, а экспериментальный самолет Ту-155, переоборудованный из пассажирского Ту-154Б, было решено оснастить только одним водородным двигателем, а другие два оставить работающими на керосине. В таком конструктивном исполнении обеспечивалась продолжительность полета на жидком водороде в течение двух часов.

Анализ результатов испытаний показал, что достоинства жидкого водорода как авиационного топлива превалируют над его недостатками (малая плотность, криогенное хранение, взрывоопасность). Так, несмотря на ухудшение летно-технических характеристик водородного самолета, он имеет преимущества по сравнению с обычным, работающим на керосине, как по запасу топлива, так и по массе самолета и по тяге двигателя, достигнутые за счет высокой теплотворной способности водорода, втрое превышающей теплотворную способность керосина.

Испытания подтвердили правильность выбранных конструктивных решений, однако вопросы обеспечения надежного хранения жидкого водорода и его безопасности потребовали проведения дополнительных дорогостоящих экспериментальных исследований как на жидком водороде, так и на сжиженном природном газе (СПГ), которые по известным причинам в 1988 г. не были проведены.

Лидерство по гидрогенизации угля перешло к компании «Sasol Limited» (ЮАР), где из бурого южноафриканского угля был впервые в 2008 г. получен авиационный керосин.

(с) Экология и жизнь