Углеводороды представляют собой особые соединения широко распространенных элементов — водорода и углерода. Эти природные соединения добывают и используют уже тысячи лет: при строительстве дорог и зданий в качестве связую-щего материала, при строительстве и изготовлении водонепроницаемых корабельных корпусов и корзин, в живописи, для создания мозаичных полотен, для приготовления пищи и освещения. Сначала их добывали из редких выходов на поверхность, а затем из скважин. За последние два столетия добыча нефти и газа достигла беспрецедентных масштабов. Сейчас нефть и газ являются источниками энергии для почти всех видов человеческой деятельности.

XXI век уже давно прогнозируется, как век исчерпания основной части ресурсов углеводородов, вначале нефти, а затем и газа. Процесс этот неизбежен, поскольку все виды сырья имеют тенденцию выработки запасов, причем с той интенсивностью, с которой оно осваивается и реализуется. Если учесть, что современные мировые энергопотребности обеспечиваются в основном нефтью и газом -60% (нефть-36%, газ-24%), то все виды прогнозов об их исчерпании не могут вызывать сомнений. Меняются лишь сроки завершения углеводородной эры человечества. Естественно, что время выхода на заключительный этап освоения углеводородов не одинаково на разных континентах и в разных странах, но для большинства оно настанет при текущих объемах добычи нефти в пределах 2030- 2050 гг., при условии достаточно заметного воспроизводства их запасов. Однако уже около 20 лет добыча нефти в мире опережает прирост ее запасов.

Понятие традиционных и нетрадиционных ресурсов углеводородов не имеет однозначного определения. Большинство исследователей, понимая, что природные процессы и образования часто не имеют четких разграничений, предлагают использовать при определении нетрадиционных запасов и ресурсов такие понятия, как трудноизвлекаемые запасы и нетрадиционные ресурсы углеводородов. Трудноизвлекаемые запасы, добычной потенциал которых практически не используется, мало чем отличаются от традиционных запасов нефти и газа — за исключением ухудшения их геолого-промысловых характеристик. К нетрадиционным ресурсам углеводородов относятся, как принципиально отличные от традиционных по физико-химическим свойствам, так и по формам и характеру их размещения во вмещающей породе (среде).

1. Нетрадиционные виды и источники углеводородного сырья

Нетрадиционные ресурсы углеводородов, это та их часть, подготовка и освоение которых нуждается в разработке новых методов и способов выявления, разведки, добычи, переработки и транспорта. Они сосредоточены в сложных для освоения скоплениях, либо рассеяны в непродуктивной среде. Они плохо подвижны в пластовых условиях недр, в связи с чем нуждаются в специальных способах извлечения из недр, что повышает их себестоимость. Однако, достигнутый в мире прогресс в технологиях добычи нефтегазового сырья допускает освоение некоторых из них.

На начальном этапе исследований считалось, что их резервы практически неисчерпаемы, учитывая их масштабы (рисунок 1) и широкое распространение. Однако, многолетнее изучение различных источников нетрадиционных ресурсов углеводородов, проведенное во второй половине прошлого века, оставило в качестве реальных для освоения только тяжелые нефти, нефтяные пески и битумы, нефтегазонасыщенные низкопроницаемые коллектора и газы угленостных отложений. Уже на 14- Мировом нефтяном конгрессе (1994 г., Норвегия) нетрадиционные нефти, представленные только тяжелыми нефтями, битумами и нефтяными песками, были оценены в 400- 700 млрд. т, в 1,3- 2,2 раза больше традиционных ресурсов -. Проблематичными и дискуссионными в качестве промышленных источников газа оказались водорастворенные газы и газогидраты, несмотря на их широкую распространенность.

Рисунок 1 — Геологические ресурсы углеводородов

2. Обзор альтернативных источников углеводородного сырья

Тяжелая нефть и нефтяные пески

Геологические ресурсы в мире этого вида сырья огромны- 500 млрд. т. Запасы тяжелых нефтей с плотностью более вполне успешно осваиваются. При современных технологиях их извлекаемые запасы превышают 100 млрд. т. Особенно богаты тяжелыми нефтями и битуминозными песками Венесуэла и Канада. В последние годы растут объемы добычи тяжелых нефтей, составляя по разным оценкам около 12-15% от общемировой. Еще в 2000 г. в мире из тяжелых нефтей добывалось лишь 37, 5 млн.т. в 2005 г.- 42,5 млн.т., а к 2010-2015 гг. по прогнозу может составить уже около 200 млн.т., но при мировых ценах на нефть не ниже 50-60$/брр.

Нефтяные пески успешно разрабатывают в Канаде c 60-х годов прошлого века. Сегодня примерно половина нефти добываемой в этой стране приходиться на нефтяные пески. Под нефтяным песком, на самом деле, подразумевается смесь песка, воды, глины, тяжелой нефти и природного битума. Выделяют три нефтяных региона в Канаде со значительными запасами тяжелой нефти и природного битума. Это Athabasca, Peace River и Cold Lake. Все они находятся в провинции Альберта.

Для добычи нефти из нефтяных песков применяют два принципиально различных метода:

1) Открытым карьерным способом и 2) Непосредственно из пласта.

Карьерный способ добычи подходит для неглубоких залежей (глубиной до 75 м) и залежей, выходящих на поверхность. Примечательно, что в Канаде все залежи подходящие для карьерного способа добычи, расположены в районе Athabasca.

Карьерный способ добычи подразумевает, что нефтяной песок, попросту говоря, грузиться на самосвалы и перевозится на установку переработки, где его промывают горячей водой и таким образом отделяют нефть от всего прочего материала. Требуется добыть примерно 2 тонны нефтяного песка, чтобы получить 1 баррель нефти. Если это кажется вам довольно трудозатратным способом получить 1 баррель нефти, то вы правы. Зато коэффициент нефтеотдачи при этом способе добычи очень высок и составляет 75%-95%.

Рис. 1 Карьерный способ добычи нефтяного песка

Для извлечения тяжелой нефти непосредственно из пласта используют, как правило, тепловые способы добычи, такие как парогравитационное воздействие. Существуют также и «холодные» методы добычи, предполагающие закачку в пласт растворителей (например, метод VAPEX или технология N-Solv). Способы добычи тяжелой нефти непосредственно из пласта менее эффективны в плане нефтеотдачи по сравнению с карьерным способом. В то же время эти способы имеют некоторый потенциал к снижению себестоимости получаемой нефти за счет совершенствования технологий ее добычи.

Тяжелая/высоковязкая/битумная нефть привлекает все большее внимание нефтяной промышленности. Поскольку основные «сливки» в мировой нефтедобыче уже сняты, нефтяные компании просто вынуждены переключаться на менее привлекательные месторождения тяжелой нефти.

Именно в тяжелой нефти сосредоточены основные мировые запасы углеводородов. Вслед за Канадой, поставившей на свой баланс запасы тяжелой/битумной нефти, то же самое сделала и Венесуэла, имеющая огромные запасы этой нефти в поясе реки Ориноко. Этот «маневр» вывел Венесуэлу на первое место в мире по запасам нефти. Значительные запасы тяжелой нефти есть и в России, а также во многих других нефтедобывающих странах.

Огромные запасы тяжелой нефти и природных битумов требуют разработки инновационных технологий добычи, транспорта и переработки сырья. В настоящее время операционные затраты по добыче тяжелой нефти и природных битумов могут в 3-4 раза превосходить затраты на добычу легкой нефти. Переработка тяжелой высоковязкой нефти также более энергоемка и, как следствие, во многих случаях низкорентабельна и даже убыточна.

В России различные способы добычи тяжелой нефти испытывались на хорошо известном Ярегском месторождении высоковязкой нефти расположенном в Республике Коми. Продуктивный пласт этого месторождения, залегающий на глубине

200 м, содержит нефть плотностью 933 кг/м3 и вязкостью 12000-16000 мПа·с. В настоящее время на месторождении осуществляется термошахтный способ добычи, зарекомендовавший себя как достаточно эффективный и экономически оправданный.

На Ашальчинском месторождении сверхвязкой нефти, расположенном в Татарстане, реализуется проект по опытно-промышленному испытанию технологии парогравитационного воздействия. Эта технология, правда без особого успеха, испытывалась также на Мордово-Кармальском месторождении.

Результаты разработки месторождений тяжелой высоковязкой нефти в России пока не внушают особого оптимизма. Требуется дальнейшее совершенствование технологий и оборудования для повышения эффективности добычи. В то же время потенциал к снижению себестоимости добычи тяжелой нефти есть, и многие компании готовы принимать в ее добыче активное участие.

Сланцевая нефть — «модная» тема в последнее время. Сегодня целый ряд стран проявляют повышенный интерес к добыче сланцевой нефти. В США, где добыча сланцевой нефти уже идет, с ней связывают значительные надежды по снижению зависимости от импорта этого вида энергоресурса. В последние годы основной прирост добычи американской сырой нефти происходит преимущественно за счет сланцевых месторождений Bakken в Северной Дакоте и Eagle Ford в Техасе.

Развитие добычи сланцевой нефти — прямое следствие той «революции», которая случилась в США в добыче сланцевого газа. Поскольку цены на газ обвалились в результате резкого роста объемов его добычи, компании стали переключаться с добычи газа на добычу сланцевой нефти. Тем более что технологии их добычи ничем особенным не отличаются. Для этого, как известно, бурят горизонтальные скважины с последующими множественными гидроразрывами нефтесодержащих пород. Постольку поскольку дебит таких скважин очень быстро падает, для поддержания объемов добычи требуется бурить значительное количество скважин по очень плотной сетке. Поэтому затраты на добычу сланцевой нефти неизбежно оказываются выше, чем затраты на добычу нефти традиционных месторождений.

Пока цены на нефть высоки проекты по добыче сланцевой нефти, несмотря на высокие издержки, остаются привлекательными. За пределами США наиболее перспективными считаются залежи сланцевой нефти Vaca Muerta в Аргентине и Баженовская свита в России.

На сегодняшний день технологии добычи сланцевой нефти все еще находятся в начальной стадии развития. Себестоимость получаемого сырья хотя и имеет тенденцию к снижению, но, тем не менее, значительно выше себестоимости добычи традиционной нефти. Поэтому сланцевая нефть остается пока скорее перспективным резервом на будущее и вряд ли значительно повлияет на существующий рынок нефти. Такой же «революции», какая случилась на газовом рынке в связи с развитием добычи сланцевого газа, на рынке нефти ждать не приходится.

углеводородный газогидрат нефтяной топливо

Процесс Фишера-Тропша был разработан в 20-х годах прошлого века немецкими учеными Францем Фишером и Гансом Тропшем. Заключается он в искусственном соединении водорода с углеродом при определенной температуре и давлении в присутствии катализаторов. Получаемая таким образом смесь углеводородов сильно напоминает нефть и обычно называется синтез-нефть.

Рис. 2 Производство синтетического топлива на основе процесса Фишера-Тропша

CTL (Coal-to-liquids) — суть технологии состоит в том, что уголь без доступа воздуха и при высокой температуре разлагается на угарный газ и водород. Далее в присутствии катализатора из этих двух газов синтезируется смесь различных углеводородов. Затем эта синтезированная нефть также как и обычная проходит разделение на фракции и дальнейшую переработку. В качестве катализаторов используется железо или кобальт.

Во время Второй Мировой войны немецкая промышленность активно использовала технологию Coal-to-liquids для получения синтетического топлива. Но поскольку процесс этот экономически нерентабелен и к тому же экологически вреден, то после окончания войны выработка синтетического топлива сошла на нет. Немецкий опыт впоследствии был использован всего дважды — один завод был построен в ЮАР и еще один в Тринидаде.

GTL (Gas-to-liquids) — процесс производства жидких синтетических углеводородов из газа (природного газа, попутного нефтяного газа). Cинтез-нефть, получаемая в результате GTL процесса, не уступает, а по отдельным характеристикам превосходит высококачественную легкую нефть. Многие мировые производители используют синтез-нефть для улучшения характеристик тяжелой нефти, путем их смешивания.

Несмотря на то, что интерес к технологиям преобразования сначала угля, потом газа в синтетические нефтепродукты не угасает с начала 20 века, в настоящее время в мире функционирует всего четыре крупнотоннажных GTL завода — Mossel Bay (ЮАР), Bintulu (Малайзия), Oryx (Катар) и Pearl (Катар).

BTL (Biomass-to-liquids) — суть технологии та же что и уголь-в-жидкость. Единственное существенное отличие в том, что исходным материалом является не уголь, а растительный материал. Масштабное использование этой технологии затруднено в связи с отсутствием значительного количества исходного материала.

Недостатками проектов по производству синтетических углеводородов на основе процесса Фишера-Тропша являются: высокая капиталоемкость проектов, значительные выбросы углекислого газа, высокое потребление воды. В результате проекты либо совсем не окупаются, либо находятся на грани рентабельности. Интерес к таким проектам повышается в периоды высоких цен на нефть и быстро угасает при снижении цен.

Шельфовые месторождения