Лапидус и др. Газы 2 части

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 21-

теля. Самое значительное преимущество природного газа его экологичность - он дает при сжигании гораздо меньше выбро­ сов по сравнению с другими массовыми энергоносителями - углем и мазутом. Природный газ обладает экономическими пре­ имуществами, так как имеются его большие запасы, дешевле его добыча. Природный газ более технологичен при использовании, чем другие энергоносители - аппаратура, применяемая для его сжигания и переработки менее громоздкая и металлоемкая, но более долговечная. Благодаря этим преимуществам, доля при­ родного газа в мировом энергобалансе постепенно растет.

Если XIX век можно назвать веком угля, XX век - веком нефти, то XXI век можно по праву назвать эрой метана. Есть все основания считать, что доля природного газа в энергетическом балансе будет возрастать, возможно, он станет главным энерго­ носителем этого века при одновременном использовании других видов энергоносителей.

Общие сведения о происхождении углеводородных газов

Природный газ, по мнению большинства геологов, является продуктом распада растительных и животных организмов, жив­ ших на Земле, покрытой мелководными морями. Именно в аква­ тории таких морей (палеоморей), богатых растительной органи­ кой и получающих в достаточных количествах энергию солнеч­ ного света, шла интенсивная жизнедеятельность организмов, продукты которой мы открываем теперь в виде новых нефтяных и газовых месторождений.

Часть газовых месторождений, открытых к настоящему времени, находится на суше, например, месторождения Повол­ жья, Северного Кавказа, Украины, Астраханской низменности, Урала и Западной Сибири. Однако, как показал анализ, эти ныне материковые территории, когда-то были также покрыты моря­ ми, существовавшими на них многие миллионы и десятки мил­ лионов лет. Другая часть открытых газовых месторождений на­ ходится в море, на так называемом континентальном шельфе, например, газовые и газоконденсатные месторождения Баренце­ ва и Карского морей. Анализ показывает, что эти территории были заняты когда-то мелководными морями, в которых шла

- 22-

..АЛ. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

интенсивная органическая жизнь. Не приходится сомневаться, что существует еще множество газовых месторождений, не от­ крытых к настоящему времени, находящихся в труднодоступ­ ных регионах нашей страны, возможно, в море Лаптевых, Вос­ точно-Сибирском и Охотском морях.

Абсолютно все осадочные породы содержат в разных кон­ центрациях, от 0,01 до 15% (от 0,1 до 150 г/кг), рассеянное орга­ ническое вещество. При относительно небольших температурах бО-ЮО°С, характерных для горных пород, могут протекать ката­ литические реакции деструкции органического вещества с обра­ зованием углеводородов. Катализаторами могут являться алю­ мосиликаты, входящие в состав различных, особенно глинистых пород, а также различные микроэлементы и их соединения. Для образования нефти достаточно иметь в тонкодисперсных глини­ стых осадках 0,5-2% органического вещества. Метан может об­ разовываться в промышленных объемах и из еще более рассе­ янной органики.

Кроме того, сейчас известно более десятка видов бактерий,

врезультате жизнедеятельности которых образуется метан. Они развиваются в основном при температурах от 0 до 55°С, но из­ вестны 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 пла­ стах нефтяных месторождений на глубине в несколько километ­ ров при температуре до 104°С и давлении до 100 атмосфер. Их концентрация достигает 50-160 тысяч в 1 мл, и они непрерывно

втечение миллионов лет производят метан.

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 ме­ тана. 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 се­ бе путь к верхним слоям земной коры. 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 глубин­

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 23-

ные резервы природного газа могут в огромное число раз пре­ вышать запасы газов биогенного происхождения. Многолетние исследования месторождений природных газов, в том числе изотопного состава углерода, который различен у метана био­ генного и абиогенного происхождения, не дают решающего пе­ ревеса ни одной из этих теорий. Видимо, обе гипотезы проис­ хождения природного газа справедливы, и различные месторо­ ждения имеют разное происхождение.

В последние годы появились данные о возможности абио­ генного каталитического синтеза углеводородов непосредствен­ но в земной коре. Многие типичные горные породы являются дисперсными системами с высокоразвитыми межфазными гра­ ницами, характерными для промышленных гетерогенных ката­ лизаторов, а химический состав пород нередко соответствует составу традиционных катализаторов синтеза углеводородов. Сравнение составов углеводородных смесей, искусственно син­ тезированных в различных условиях на металлосодержащих ка­ тализаторах и на каталитических металлооксидных системах в смеси с глинами, Si02, А120 3 и цеолитами с составом углеводо­ родов природных нефтегазовых месторождений показывает, что абиогенным неорганическим синтезом можно получать смеси углеводородов, идентичные природным. Рассматриваются два различных геохимических источника исходных газов для абио­ генного синтеза углеводородов. Во-первых, возможен их синтез из восходящих глубинных потоков первичных СО, С 02 и Н2, 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 превраще­ ний метана и воды в зонах, имеющих температуру более 800°С.

Нетрадиционные ресурсы природного газа. Газовые гидраты

Газообразные углеводороды и, прежде всего, метан широко распространены 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

- 24-

.A.J1. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

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 прихо­ дится до 0,1 м3 метана. В небольших концентрациях метан рас­ творен в пресной и морской воде, входит в состав почвенного воздуха и является одной из важных составляющих земной ат­ мосферы. Много метана растворено в пластовых водах на глу­ бинах 1,5-5 км. К нетрадиционным ресурсам природного газа относятся: метан угленосных толщ, водорастворенные газы под­ земной гидросферы, природные газовые гидраты.

Вследствие низкого газосодержания подземных вод газ подземной гидросферы рассматривается как весьма проблема­ тичный источник природного газа.

Важным источником практически чистого метана могут служить залежи каменного угля. Так как мировые ресурсы угля составляют примерно 104 млрд. т, содержание газа в угольных залежах сопоставимо с его содержанием в газовых месторожде­ ниях. Поэтому даже умеренная добыча газа из угольных пластов могла бы внести существенный вклад в обеспечение мира при­ родным газом.

Среди нетрадиционных источников углеводородных газов необходимо также отметить природные и антропогенные источ­ ники биогаза, преимущественно метана, образующегося в ре­ зультате бактериального брожения органического вещества. Биогаз может стать серьезным дополнительным источником уг­ леводородного сырья, т.к. ежегодные воспроизводимые ресурсы биомассы в мире оцениваются в 200 млрд. т. Еще одним нетра­ диционным источником углеводородных газов являются газогидратные залежи. Известна способность метана и других газо­ образных углеводородов при высоком давлении и пониженной температуре образовывать с водой газовые гидраты - твердые кристаллические соединения с общей формулой CnH2n4^.mH20 , которые при высоких давлениях существуют и при положитель­ ных температурах. По структуре газовые гидраты это соедине­ ния включения (клатраты), образующиеся при внедрении моле­ кул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды.

Возможность существования газогидратных залежей в при­ родных условиях была предсказана И.Н. Стрижовым в 1946 году.

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 25-

Известны так называемые техногенные газогидраты - твер­ дые вещества, образующиеся в ходе технологических процессов добычи и транспорта газа. Изучению механизма формирования гидратных пробок, условий их образования и разложения по­ священо значительное число исследований. Достаточно хорошо изучены методы предотвращения и разложения гидратов.

В природных условиях гидраты метана широко распростра­ нены 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, сосредоточен­ ных на материках, определяются величиной около 1014 м3, а ре­ сурсы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в аквато­ рии Мирового океана, в пределах шельфа и материкового скло­ на - в 1,5 1016 м3, хотя имеются и более высокие оценки.

Около 98 % ресурсов газовых гидратов сконцентрировано в акваториях Мирового океана на глубинах более 200-700 м, в придонных осадках толщиной до 400-800 м, и только 2% - в приполярных частях материков. Однако последний факт заслу­ живает серьезного внимания, поскольку это соответствуют 300 трлн. м3 газа, что вдвое превышает мировые разведанные запасы природного газа. Например, при современном уровне потребления выявленные запасы газа в гидратном состоянии в США могут обеспечить потребности страны в природном газе в течение 104 лет.

Природные газогидраты широко распространены в косми­ ческом пространстве и играли важную роль при формировании планет Солнечной системы, их атмосферы и гидросферы.

На сегодняшний день природные газогидраты рассматри­ ваются как один из главных нетрадиционных источников газа, который займет важное место в мировом энергетическом балан­ се нашего столетия.

В настоящее время залежи газогидратов открыты в России, США, Канаде, Японии, Индии.

Мощнейшие скопления газовых гидратов приурочены в ос­ новном к краевым частям океанического дна, где океанообразование продолжается, и где в современную нам эпоху происхо­ дит массовое поступление глубинного метана. Большая часть газогидратов обнаружена на дне океанов в молодых отложениях -

- 26-

.А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

метан продолжает поступать в гигантских объемах. Той же при­ чиной обусловлено образование нефти и газа на континентах. Более половины органического углерода в земной коре, видимо, содержится в составе газовых гидратов, что вдвое превышает все разведанные и неразведанные ресурсы нефти, угля и газа вместе взятые (рис. 1). Особенно важно, что эти гигантские ско­ пления метана содержатся в плейстоцен-современных отложе­ ниях, образовавшихся в последние пять миллионов лет. Это значит, что образовавший их метан выделился за время, состав­ ляющее одну тысячную всей истории планеты.

В настоящее время имеются сведения о более чем 100 вы­ явленных газогидратных залежах, а потенциальные мировые запасы газа в гидратном состоянии, по оценкам специалистов, превышают 16х1012 тонн в нефтяном эквиваленте (toe).

		Детритовое
		органическое
Наземные	Торф	вещество
растения	SQQ	60	Атмосфера
830			3.6 .
Растворенное в			Морские
воде			растения
			3
органическое

вещество

980

Рис. 1. Распределение органического углерода на Земле (1012кг).

Результаты исследования условий образования, стабильно­ го существования и свойств газовых гидратов в природных ус­

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 27-

ловиях позволяют уверенно прогнозировать их наличие в различных регионах суши и Мирового океана.

В пределах арктических и антарктических акваторий выяв­ лены огромные перспективные газогидратные залежи на глуби­ не вод от 200 до 700 м.

Около 30 % территории России является благоприятной для накопления гидратов, что позволит вовлечь в топливноэнергетический баланс страны в перспективе 300-1012 м3 запасов газа, залегаемых на суше Приполярья. Освоение газогидратных месторождений полностью удовлетворит потребность в энергии районов Крайнего Севера, Чукотки, Дальневосточного Приморья на многие десятилетия. Из таблицы 5 оценки запасов нетрадици­ онных источников газа осадочных бассейнов России следует, что газовые гидраты имеют наибольшие потенциальные ресурсы.

Т а б л и ц а 5. Нетрадиционные источники газа в России

№ п/п	Источники природного газа	Ресурсы газа, 10 м3
1	Газы гидратонасыщенных толщ	100-1000
2	Водорастворенные газы подземной	50-200
	гидросферы
3	Газы угленосных толщ	20-50
4	Газы многолетнемерзлых пород	10-40
5	Газы плотных формаций	50-70
6	Газы глубоких месторождений	50-200

Разработка природных газогидратов - единственная про­ мышленно значимая альтернатива разработке традиционных месторождений природного газа. Все большее число стран, включая США, Канаду, Индию, Китай, Японию принимает на­ циональные хорошо финансируемые программы по исследова­ ниям газогидратов и поискам их скоплений. Их оптимизм бази­ руется на том, что уже при небольших масштабах выполненных геофизических и буровых работ, открыты гигантские скопления газогидратов и газогитратные провинции. Удельная плотность метана в гидратоносных акваториях не уступает средней плот­ ности в обычных месторождениях газа. Однако остаются слож­ ности с созданием в обозримом будущем технологий, по кото­

-2 8 - .A.JI. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

рым извлечение метана из газогидратов станет не просто воз­ можным, но и рентабельным.

На основе равновесных условий существования газовых гидратов могут быть использованы термические и физико­ химические методы разработки таких месторождений независи­ мо или совместно с известными методами воздействия на сква­ жину и пласт с помощью волнового эффекта, гидроразрыва, за­ качки ингибиторов.

В РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина предложен термиче­ ский метод, сущность которого состоит в закачке жидкого теп­ лоносителя под непроницаемую подошву газогидратного пласта и создании условий эффективной теплопередачи с целью дос­ тижения условий разложения твердых газогидратов.

Сырьевая база газопереработки в России

Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам нефти, однако наиболее крупные месторождения характеризу­ ются высокой степенью выработки. Указанное обстоятельство в совокупности с происходившей реструктуризацией экономики привели к более чем двукратному снижению объемов добычи и переработки нефти в России.

Добыча нефти в России с 1988 года, когда был, достигнут максимальный уровень, падала вплоть до 1997 года. Впервые объем добычи в 1997 году превысил уровень предыдущего года. Однако говорить о стабилизации нефтяного комплекса пока преждевременно, ибо достигнутая стабилизация имеет неустой­ чивый характер.

Рассматривая долгосрочные перспективы добычи нефти в России, большинство экспертов оценивают их очень сдержанно. Из-за сокращений ассигнований на геолого-разведочные работы снизился прирост запасов. Открытые и вновь открываемые ме­ сторождения характеризуются большой долей трудно извлекае­ мых запасов и невысокой продуктивностью. Из-за отдаленности новых нефтяных провинций, суровых природно-климатических и тяжелых геолого-экономических условий, отсутствия инфра­ структуры возросли издержки при добыче и транспорте нефти. Требуются большие средства для того, чтобы поддерживать

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 29-

уровень добычи на действующих месторождениях. Поддержа­ ние добычи нефти на уровне 300 млн. тонн в год требует еже­ годных вложений в нефтедобычу порядка 8 млрд. долл.

Всвязи с этим, несмотря на наличие больших потенциаль­ ных запасов нефти, даже по оптимистическим оценкам в бли­ жайшие три десятилетия суммарный прирост ежегодной добычи нефти вряд ли превысит 10%.

Втабл. 6 приведены данные по добыче нефти в России, на­ чиная с 1988г. В последние годы намечается тенденция к росту добычи нефти.

Вто же время, по разведанным запасам газа и объемам его добычи Россия занимает первое место в мире. Запасы природно­ го газа составляют 40 трлн. куб. м., а разведанность неосвоен­ ных сырьевых ресурсов (НСР) - 24,6%. Всего на территории Российской Федерации и других стран СНГ сосредоточено око­ ло 40% всех мировых запасов природного газа, в то время как на долю США приходится 6-7%, стран Западной Европы 5-6% и Ирана 14%. Объемы добычи газа в РФ за последние годы имели тенденции к росту. Доказанные извлекаемые мировые запасы природного газа за последние 10 лет ежегодно увеличивались на 5 трлн. куб. м.

Та б л и ц а 6. Добыча нефти в России, млн.т.

1988г.	1989г.	1990г.	1991г.	1992г.	1993г.	1994г.	1995г.	1996г.
569	552	516	452	386	341	318	307	301
1997г.	1998г.	1999г.	2000г.	2001г.	2002г.	2003г.	2004г.	2005г.
305	303,4	305	323	348	378	415	459	470

На рис. 2 показана доля мировых запасов природного газа (ПГ) по странам, демонстрирующая лидирующие позиции, за­ нимаемые Россией и странами СНГ.

Более 70 газовых и газоконденсатных месторождений от­ крыто в Тюменской, Томской, Новосибирской областях, Крас­ нодарском крае. Из 680-700 млрд. куб. м, намечаемых к добыче в 2008 году 600-630 млрд. куб. м будет обеспечивать Западная Сибирь. На севере Тюменской области, относящейся к газонос­

- 30-

.А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМПЯ

ной области Западной Сибири, открыты крупные газоконден­ сатные месторождения - Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Надымское, Юбилейное, Песцовое. В рассматриваемую пер­ спективу начнется освоение Ямальского газодобывающего рай­ она. Темпы развития добычи газа будут определяться спросом на него на внешнем рынке.

Доля мировых запасов газа по странам

14%

Рис. 2. Мировые запасы и объемы добычи газа в мире

Мировые разведанные запасы ПГ	60 трлн м3
Прогнозные мировые запасы ПГ	200 трлн м3
Ежегодная добыча газа в мире	1,5 трлн м3
Текущие запасы ПГ в СНГ	49 трлн м3

В Восточной Сибири наиболее крупными газоконденсат­ ными месторождениями являются Усть - вилюйское, Средне - вилюйское, Мастахское.

Основными газоконденсатными месторождениями Саха­ линской области являются Тунгор, Эрри и некоторые другие.

Объемы газов, добываемых в Восточной Сибири и на Даль­ нем Востоке, могут к 2020 году полностью покрыть потребно­ сти в газе в этих регионах и направить более половины добы­ ваемого газа на экспорт в Китай, Японию, Южную Корею, Мон­