Текст книги "Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики"

2.3. Генезис месторождений природного газа

Образование (генезис) нефти и природного газа в осадочных породах тесно связано с относительно недавней геологической историей верхних 10 км земной коры и образованием самих осадочных пород. По крайней мере часть природного газа, видимо, образовалась из биологического материала как растительного, так и животного происхождения в результате действия на него химических и микробиологических процессов в условиях высоких давлений и температур как конечный продукт образования углеводородов из биополимеров в ходе относительно прямого процесса последовательной потери кислорода и азота, вероятно, в виде диоксида углерода и аммиака.

Абсолютно все осадочные породы содержат в разных концентрациях, от 0,01 до 15 % (от 0,1 до 150 г/кг) рассеянное органическое вещество. При относительно небольших температурах 60—100°С, характерных для горных пород, могут протекать каталитические реакции деструкции органического вещества с образованием углеводородов. Катализаторами могут являться алюмосиликаты, входящие в состав различных, особенно глинистых пород, а также различные микроэлементы и их соединения. Для образования нефти достаточно иметь в тонкодисперсных глинистых осадках 0,5–2 % органического вещества. Метан может образовываться в промышленных объемах и из еще более рассеянной органики.

Кроме того, сейчас известно более десятка видов бактерий, в результате жизнедеятельности которых образуется метан. Они развиваются в основном при температурах от 0 до 55°С, но известны 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 пластах нефтяных месторождений на глубине в несколько километров при температуре до 104°С и давлении до 100 атмосфер. Их концентрация достигает 50—160 тысяч в 1 мл, и они непрерывно в течение миллионов лет производят метан. Более тяжелые газообразные углеводороды – этан, пропан и бутан – биогенным путем практически не образуются (Зорькин, Суббота, Стадник, 1986).

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 метана. 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 себе путь к верхним слоям земной коры (Голд, 1986). 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 глубинные резервы природного газа могут в огромное число раз превышать запасы газов биогенного происхождения. Многолетние исследования месторождений природных газов, в том числе изотопного состава углерода, который различен у метана биогенного и абиогенного происхождения, не дают решающего перевеса ни одной из этих теорий. Видимо, обе гипотезы происхождения природного газа справедливы, и различные месторождения имеют разное происхождение.

Даже при минимальных значениях потока углеводородной дегазации Земли (5 10¹³ г/год) за 500 млн лет к поверхности Земли могло быть вынесено 2,5 10¹⁶ т углеводородов. Это во многие тысячи раз превышает прогнозные глобальные запасы нефти (2 10¹¹ т), газов в залежах (2 10¹¹ т), нефтяных битумов (1 10¹² т), горючих сланцев (5 10¹² т) и свидетельствует о том, что нефтегазонакопление является побочным процессом на фоне глубинной углеводородной дегазации Земли. Данные о масштабах поступления углеводородных газов в атмосферу показывают, что ежегодное поступление в нее метана составляет примерно 2 трлн м³. Причем по результатам анализа изотопного состава доля биохимического метана не превышает 50–80 %, т. е. от 20 до 50 % этого потока приходится на глубинный метан, что составляет от 400 млрд м³ до 1 трлн м³/год (Валяев, 1997). Этот поток сопоставим с масштабами мировой добычи природного газа, что позволяет рассматривать его как частично возобновляемый ресурс.

В последние годы появились данные о возможности абиогенного каталитического синтеза углеводородов непосредственно в земной коре. Многие типичные горные породы являются дисперсными системами с высокоразвитыми межфазными границами, характерными для промышленных гетерогенных катализаторов, а химический состав пород нередко соответствует составу традиционных катализаторов синтеза углеводородов. Сравнение составов углеводородных смесей, искусственно синтезированных в различных условиях на металлосодержащих катализаторах и на каталитических металлооксидных системах в смеси с глинами, SiO₂, Al₂O₃ и цеолитами с составом углеводородов природных нефтегазовых месторождений, показывает, что абиогенным неорганическим синтезом можно получать смеси углеводородов, идентичные природным. Рассматриваются два различных геохимических источника исходных газов для абиогенного синтеза углеводородов. Во-первых, возможен их синтез из восходящих глубинных потоков первичных СО, СО₂ 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 превращений метана и воды в зонах, имеющих температуру более 800°С (Ионе и др., 2001).

Наряду с диоксидом углерода метан является одним из основных компонентов природных биохимических процессов кругооборота углерода. Попадающий в атмосферу метан составляет всего 0,5 % от полного кругооборота углерода в природе, хотя примерно половина всего количества углеводородов органического происхождения разлагается до метана анаэробной микрофлорой. Разница обусловлена деятельностью аэробных метанпоглощающих микроорганизмов, располагающихся между анаэробными отложениями, в которых происходит образование биогенного метана, и атмосферой. Есть данные, свидетельствующие о протекании и анаэробных биохимических процессов окисления метана в отложениях на морском дне с образованием диоксида углерода. То есть не исключено, что в условиях верхнего слоя осадочных пород происходит неоднократное взаимопревращение этих газов. Но в восстановительных условиях глубокозалегающих осадочных пород, где метан образует газовые залежи, метан, как самый устойчивый углеводород, может сохраняться неизменным десятки и сотни миллионов лет.

Соединения углерода с водородом также широко представлены в других телах Солнечной системы. Самое большое их количество сконцентрировано в массивных внешних планетах и их спутниках. В составе мощных атмосфер Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна значительная роль принадлежит углероду, в основном в виде углеводородов, и в частности метана. Атмосфера Титана, спутника Сатурна, содержит метан и этан. Облака над Титаном состоят из этих соединений, и, по-видимому, жидкая метан-этановая смесь покрывает поверхность планеты, концентрируясь наподобие воды в земных условиях, в океанах, реках, а также образуя полярные шапки охлажденного вещества (Голд, 1986).

2.4. Нетрадиционные ресурсы природного газа

Описанные выше механизмы образования в земной коре метана и других газообразных углеводородов обеспечивают их широкое распространение 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 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 приходится до 0,1 м³ метана. В небольших концентрациях метан растворен в пресной и морской воде. Он входит в состав почвенного воздуха и является одной из важных составляющих земной атмосферы. Много метана растворено в пластовых водах на глубинах 1,5–5 км. Такие источники природного газа, как метан угленосных толщ, водорастворенные газы подземной гидросферы, природные газовые гидраты и ряд других относят к нетрадиционным ресурсам природного газа.

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.

Рис. 28. Подготовка техники к гидроразрыву пласта

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_nH_2n+2.mH₂O, 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·46Н₂О, где М – СН₄, С₂Н₆, СО₂, H₂S, N₂) и типа II (8М·136Н₂О, где М – С₃Н₈, i-С₄Н₁₀); 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.46H₂O, где М – молекула гидратообразователя. Пропан и изобутан образуют гидраты структуры II с идеальной формулой 8M.136H₂O. 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 м³ гидрата метана при нормальных условиях выделяется 164,6 м³ газа. При этом объем, занимаемый газом в гидрате, не превышает 20 %. Таким образом, в гидратном состоянии 164,6 м³ газа занимают объем всего 0,2 м³ (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 10¹⁴ м³. А ресурсы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в акватории Мирового океана, в пределах шельфа и материкового склона – в 1,5 10¹⁶ м³ (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 СО₂. При температуре ниже 600°С эти газы вступают в реакцию, образуя воду и метан (СО + 3Н₂ → Н₂О + СН₄). Вода входит в кристаллическую решетку гидросиликатов, а метан накапливается в виде газовых включений, в т. ч. газовых гидратов.

Мощнейшие скопления газовых гидратов приурочены в основном к краевым частям океанического дна, где продолжается океанообразование и где в современную нам эпоху происходит массовое поступление глубинного метана. Большая часть газовых гидратов обнаружена на дне океанов в молодых отложениях – метан продолжает поступать в гигантских объемах. Той же причиной обусловлено образование нефти и газа на континентах. В геологические эпохи мезозое и кайнозое сформировались осадочные бассейны, ставшие резервуарами углеводородов, где расположено большинство известных месторождений нефти и газа. Разница лишь в том, что на континентах возникшая по той же причине и в тот же отрезок времени, что и океаны, впадина заполнялась осадками, в которых и накапливался метан, впоследствии химическим и биогенным путями преобразованный в нефть и углеводородные газы. Формирование различных типов залежей газовых гидратов схематически представлено на рис. 31.

Рис. 31. Формирование различных типов газогидратных залежей

По некоторым оценкам залегающий в плейстоцен-современных осадках газогидратный слой содержит не менее 11,3 10¹⁸ м³ или 8,5 10¹⁵ т метанового углерода. В то же время запасы некарбонатного углерода в морской биоте определяются в 3 млрд т; в атмосфере – 3,6; детритном органическом веществе – 60; торфе – 500; биоте суши – 830; органическом веществе, растворенном в воде, – 980; почве – 1400; извлекаемых и неизвлекаемых ископаемых топливах (нефть, природный газ, уголь) – 5000 млрд т, т. е. в сумме – 8,8 трлн т. Это на три порядка меньше приведенной выше оценки содержания в земной коре гидратного метана.

Другие источники не разделяют столь высоких значений гидратоносности, оценивая их ресурсы в 2 10¹⁶ м³. Тем не менее и по этой оценке 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. 32). Особенно интересно, что эти гигантские скопления метана содержатся в плейстоцен-современных отложениях, образовавшихся в последние пять миллионов лет. Это значит, что образовавший их метан выделился за время, составляющее одну тысячную всей истории планеты.

Рис. 32. Распределение органического углерода на Земле (10¹⁵ г)

В настоящее время имеются сведения о более чем 100 выявленных газогидратных залежах, а потенциальные мировые запасы газа в гидратном состоянии, по оценкам специалистов, превышают 16 10¹² тнэ (тонн нефтяного эквивалента). Около 98 % ресурсов газогидратов сосредоточено в акваториях Мирового океана на глубинах более 200–700 м, в придонных осадках толщиной до 400–800 м и более, и только 2 % – в приполярных частях материков. Однако и последний факт заслуживает серьезного внимания, поскольку это соответствуют 300 трлн м³ газа, что в полтора раза 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.

Разработка природных газогидратов – одна из наиболее промышленно значимых альтернатив разработке традиционных месторождений природного газа. Все большее число стран, включая США, Канаду, Индию, Китай, Японию, принимает национальные, хорошо финансируемые программы по исследованиям газогидратов и поискам их скоплений. Их оптимизм базируется 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 плотности в обычных месторождениях газа. Однако остаются сложности с созданием в обозримом будущем технологий, по которым извлечение метана из газогидратов станет не просто возможным, но и рентабельным.