Лапидус и др. Газы 2 части
.pdf1. 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