Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография

ebooks@prospekt.org

Информация о книге

УДК 553.98

ББК 26.325.4

К79

Крейнин Е. В. – д.т.н., профессор, действительный член РАЕН, удостоен звания «Заслуженный изобретатель РСФСР». Им опубликовано 330 печатных работ, в том числе 9 монографий, получено 135 российских авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Современные тенденции развития мировой энергетики направлены на вовлечение в топливно-энергетический баланс нетрадиционных углеводородных источников: метансланцевых, угольных и газогидратных месторождений, а также высоковязкие нефти и битумы, извлечение которых пока проблематично.

В монографии изложены инженерные и научные основы разработки нетрадиционных трудноизвлекаемых углеводородных источников, добыча которых стала приоритетной задачей современного мирового топливно-энергетического комплекса. Предлагаемые технические решения подтверждены многочисленными патентами Российской Федерации.

Особый интерес представляет перспектива производства синтетических углеводородов (жидких и газообразных) из угля при его подземной газификации.

Практическая реализация разработанных технологий позволит существенно расширить ресурсную базу экологически чистых органических топлив.

УДК 553.98

ББК 26.325.4

© Крейнин Е. В., 2015

© ООО «Проспект», 2015

СОКРАЩЕНИЯ

В книге применяются следующие сокращения:

CRIP – The Controlled Retracting Injection Point (пер. с англ.: контролируемый перенос очага горения – метод КРИП);

CTL – coal-to-liquids (пер. с англ.: уголь в жидкость);

GTL – gas-to-liquids (пер. с англ.: газ в жидкость);

ЕЭС – Европейское экономическое содружество;

ЗПГ – заменитель природного газа;

КПД – коэффициент полезного действия;

ОНГКМ – Оренбургское нефте-газоконденсатное месторождение;

ПГУ – подземная газификация угля;

ПГУ-СФТ – подземная газификация угля – синтез Фишера-Тропша;

ПДК – предельно допустимая концентрация;

СФТ – синтез Фишера-Тропша;

ТЭС – тепловая электрическая станция.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Посвящается 65-летию со времени основания института ВНИИПодземгаз (июль 1949 г.), последовательно переименованного во ВНИИПромгаз, ВНПО «Союзпромгаз» и сегодняшнее ОАО «Газпром промгаз».

В последнее время мировая энергетика вынуждена активно заниматься проблемой освоения нетрадиционных газов (угольный метан, сланцевый газ, природные газовые гидраты, газ подземной газификации угля и др.). Энергетическая безопасность и устойчивость будущего общества требуют вовлечения этих нетрадиционных источников углеводородного сырья в промышленное потребление.

Кроме того, нетрадиционные газы особенно значимы для регионов, далеко расположенных от источников трубопроводного природного газа. К ним, в первую очередь, следует отнести регионы с угольными и сланцевыми месторождениями.

Поэтому ученые и инженеры всего мира начали активно заниматься проектами их промышленного освоения. Появилась острая необходимость в новых прорывных технологиях.

Современные тенденции развития мировой энергетики направлены на вовлечение в ее топливно-энергетический баланс нетрадиционных трудноизвлекаемых углеводородных источников. К ним относят метан угольных, сланцевых и газогидратных месторождений, в том числе содержащийся в малопроницаемых породных коллекторах. Велики также ресурсы высоковязких нефтей и битумов, извлечение которых пока проблематично.

На рис. 1 обобщены отдельные данные по ресурсам основных видов трудноизвлекаемых топлив.

Рис. 1 – Виды трудноизвлекаемых топлив

Особое место отведено возможности превращения угля в углеводородное сырье. Современные передовые технологии в мире посвящены синтезу углеводородов из газа, генерируемого при газификации угля. При этом в рамках настоящей монографии рассматривается подземная газификация угля на месте его естественного залегания и превращения получаемого газа через синтез Фишера-Тропша в газообразные и жидкие углеводороды.

Одновременно с необходимостью разработки экологически чистых топливных (угольных) технологий надо принимать во внимание современную направленность поисков «зеленой» энергетики и экономики [1].

Под «зеленой» энергетикой понимают, прежде всего, возобновляемые неуглеводородные источники, работающие на энергии ветра, солнца и воды.

Ускорению развития «зеленой» энергетики в существенной мере содействуют риски крупномасштабных аварий, подобные катастрофам на атомных электрических станциях в Чернобыле (СССР, 1986 г.) и Фукусиме (Япония, 2011 г.).

Эксперты-энергетики прогнозируют масштабное использование возобновляемых энергетических источников только во второй половине нынешнего века.

Характерными особенностями топливно-энергетического комплекса являются неполнота извлечения его традиционных ресурсов (подвижные нефти, газовый конденсат, природный газ и уголь на глубине до 400–500 м) и практическая неосвоенность нетрадиционных источников углеводородного сырья (высоковязкие нефти, природные битумы, нефтегазоносные породы с низким коэффициентом проницаемости, газогидратные месторождения, уголь на глубине более 800 м, угольный метан). Ресурсы неизвлеченных (оставленных) традиционных и сегодня неизвлекаемых нетрадиционных источников углеводородного сырья на порядки превышают запасы традиционных видов топлива.

С учетом ограниченности доступных запасов нефти и природного газа (по экспертным оценкам, их хватит на 30–50 лет), возникает острая проблема, с одной стороны, повышения степени их извлечения и, с другой стороны, освоения нетрадиционных топливных ресурсов. Нужны новые технологии, характеризующиеся минимальными материальными затратами и эффективными техническими решениями.

В то же время масштабность запасов угля в Российской Федерации и мире (по некоторым оценкам, угля хватит на срок более 500 лет), бесшахтные методы его добычи и переработки могли бы заметно увеличить долю угля в топливно-энергетическом балансе страны. К сожалению, в 2010 г. она составила всего 13 %.

Информация о ресурсах нетрадиционных углеводородных газов была детально рассмотрена на ХХIV Международном газовом конгрессе, который проходил в г. Буэнос-Айрес в 2009 г.

Международное энергетическое агентство обобщило в своем последнем докладе [2] исследования нескольких авторов [3–5] и представило информацию о состоянии ресурсов нетрадиционных газов по регионам мира (табл. 1).

Таблица 1

Мировые ресурсы нетрадиционного газа, трлн м3

Состояние использования топлива в тепловых электростанциях стран «Большой Восьмерки» иллюстрируется данными табл. 2 [6].

Таблица 2

Структура первичных энергоносителей на тепловых электростанциях «Большой Восьмерки» в 2000 г.

В странах «Большой Восьмерки» доля тепловых электростанций превышает 60 %. Наиболее низкая доля тепловых электростанций во Франции – 9,5 % (основная часть электроэнергии – более 77 % – вырабатывается на атомных электростанциях) и в Канаде – 25,9 %, где электроэнергия вырабатывается в основном на гидроэлектростанциях (60,4 %).

На тепловых электростанциях в большинстве стран, за исключением Японии и Италии, используется уголь. Доля природного газа – от 15 до 20 %, и только в Великобритании она достигает 55 %. В Японии доля отдельных первичных энергоносителей на тепловых электростанциях примерно одинакова. В Италии тепловая электроэнергетика ориентируется преимущественно на использование мазута и природного газа (табл. 2).

В соответствии со стратегией развития электроэнергетики Российской Федерации на ближайшие годы, доля природного газа останется равной 67–68 %, угля – 25–26 %, мазута – 3,1–3,3 %.

Вместе с этим сегодня эксперты-энергетики и политические круги ставят вопрос о необходимости планомерного замещения газа углем [7]. Это неизбежно потребует корректировки ранее разработанной энергетической стратегии, тем более что потенциал российской угледобывающей промышленности далеко не исчерпан и позволяет наращивать объемы добычи угля. При этом нельзя не учитывать опыта развитых стран Запада в вопросах рационального использования топлива.

Однако увеличению доли угля в топливно-энергетическом балансе страны в существенной мере препятствуют экологические последствия. Традиционные технологии добычи и сжигания угля сопряжены с негативным воздействием на земную поверхность и воздушный бассейн. Для угольных тепловых электрических станций характерны существенные выбросы токсичных газообразных веществ и твердых частиц.

Нами были изучены многочисленные источники информации по выбросам, образующимся при сжигании различных видов органического топлива (табл. 3), в соответствии с которыми наиболее экологически грязным является твердое топливо [8].

При этом самым экологически чистым энергоносителем (при применяемых в настоящее время общепринятых технологиях сжигания топлива) является природный газ. Результаты исследований показывают, что при используемых в настоящее время технологиях, в случае сокращения объемов применения газа и замены его углем, на тепловой электрической станции значительно возрастут объемы выбросов не только газообразных веществ, но и токсичных микроэлементов.

Однако это не означает, что твердое и жидкое топливо целесообразно заменять газообразным. С учетом того, что запасы природного газа и нефти – на порядки меньше запасов угля, природный газ следует использовать главным образом в сферах его максимальной эффективности.

Таблица 3

Удельные выбросы основных компонентов отходящих газов при сжигании различных видов органического топлива, кг/т у. т.

Примечания:

1) тяжелый мазут;

2) легкий мазут.

Доля твердого топлива в топливно-энергетическом балансе страны должна непрерывно возрастать, причем его добычу и применение необходимо осуществлять на экологически чистой основе [9]. В мировой теплоэнергетической практике уже внедряются прогрессивные угольные технологии: внутрицикловая газификация угля, создание циркулирующего кипящего слоя угольной мелочи, водоугольные суспензии и т. д. В электроэнергетике Российской Федерации эти достижения пока не используются.

• Природные угли всех видов, в особенности малоценные породы (бурый уголь и др.), содержат минеральные компоненты, соединения серы, азота, тяжелых металлов и т. д. Их присутствие сдерживает перспективы применения угля в качестве топлива в связи с возможностью загрязнения окружающей среды [10]. В атмосферу при переработке угля попадают газообразные продукты окисления содержащихся в угле примесей. В частности, только при энергетическом сжигании угля ежегодно в атмосферу попадает 90 млн т оксидов серы и 30 млн т оксидов азота. Вместе с золой в атмосферу ежегодно попадают 60 тыс. т свинца, 50 тыс. т никеля, 30 тыс. т мышьяка, 300 т ртути и 60 т кадмия. Все эти вещества могут вызывать болезни органов дыхания. Соединения тяжелых металлов могут становиться причиной болезней почек. Ароматические соединения обладают канцерогенным и мутагенным действием. Серьезной проблемой является и относительно высокая доля углекислого газа, образующегося при сжигании угля, по сравнению с другими видами топлива. Парниковый эффект, вызываемый большими количествами диоксида углерода, попадающими в атмосферу, является одной из серьезнейших и пока еще нерешенных мировых проблем [11].

На современном этапе лишь с очень большой степенью приближения можно говорить об экологически чистых угольных технологиях. Однако мнение, что применение угля вообще неприемлемо, с точки зрения его воздействия на окружающую среду, является ошибочным. Уже сейчас существует широкий спектр технологий по переработке и утилизации угля, которые совместимы с окружающей средой. Эти технологии основаны на меньшем потреблении энергии и ресурсов, рециркуляции части отходов и продуктов, получении меньшего количества отходов, к тому же более приемлемых для окружающей среды. Развитие таких технологий способствует продвижению угля в качестве конкурентоспособного и безопасного источника энергии.

Только такие угольные технологии, которые позволят резко снизить выбросы в атмосферу вредных примесей, а также уменьшить эмиссию диоксида углерода при увеличении энергетической и технологической эффективности, можно рассматривать как экологически чистые угольные технологии, совместимые с окружающей средой.

Традиционные методы добычи и потребления угля обусловливают превращение угольных регионов в зоны экологического бедствия. Особенно это характерно для производств, на которых сжигают уголь. Так, на каждый киловатт установленной мощности угольной электростанции ежегодно выбрасывают в атмосферу 500 кг золы и шлаков, 75 кг окислов серы и 10 кг окислов азота. В результате небольшая электростанция мощностью 200 МВт в течение года выбрасывает в атмосферу 100 тыс. т твердых частиц, 15 тыс. т сернистых соединений и 2 тыс. т окислов азота.

В связи с этим отечественной топливной энергетике крайне необходимы новые современные экологически чистые угольные технологии!

К нетрадиционным экологически чистым технологиям разработки угольных пластов и сжигания угля в первую очередь следует отнести подземную газификацию угля. При подземной газификации уголь на месте залегания превращают в газообразный горючий энергоноситель путем подвода к раскаленной угольной поверхности (через систему дутьевых скважин) окислителя и отвода (через другую систему газоотводящих скважин) образовавшегося горючего газа.

Теплота сгорания газа, полученного при подземной газификации угля на воздушном дутье, может достигать 4,6–5,4 МДж/м3. При применении дутья, обогащенного кислородом (концентрация кислорода в дутье – 65 %), теплота сгорания газа достигает 6,7 МДж/м3, а на чистом техническом кислороде (концентрация кислорода в дутье – 98 %) – до 10–11 МДж/м3.

Новые технологические приемы и конструктивные решения существенно превосходят уровень подземной газификации угля семидесятых годов двадцатого века, когда СССР была продана лицензия на технологию подземной газификации угля в США. Новые конструкции дутьевых и газоотводящих скважин, а также управляемая система выгазования угольного пласта позволяют получить следующие преимущества:

• устойчиво получать газ с теплотой сгорания 4,6–5,4 МДж/м3 на воздушном дутье и 10–11 МДж/м3 на кислородном дутье;

• повысить степень выгазования угольного пласта до 90–95 %;

• снизить утечки газа из подземного газогенератора до 5 %;

• повысить коэффициент полезного действия газификации до 80 %;

• минимизировать экологическое воздействие на подземную гидросферу;

• отрабатывать оставленные запасы угольных шахт, в том числе закрывающихся, методом нагнетательно-отсосной технологии подземной газификации угля;

• разрабатывать глубоко залегающие угольные пласты и учитывать при этом проявление горного давления;

• уменьшить количество буровых скважин и снизить расходы на бурение в себестоимости газа с 30 до 10 %;

• получать газообразный энергоноситель, себестоимость которого в 1,5–2 раза ниже, чем себестоимость условного топлива на соседних угольных шахтах;

• получать из газа подземной газификации угля заменитель природного газа, себестоимость которого – $60–70/1000 м3.

Для предприятия подземной газификации угля оптимальным является выгазование 400–500 тыс. т у. т. / год, при этом размер инвестиций на строительство такого предприятия составляет 2500–2600 руб. / т у. т. [9]

Подземная газификация угля, в отличие от традиционных способов его добычи, не создает экологические ущербы при добыче, хранении и транспорте угля, а главное – при его сжигании, т. к. в отходящих продуктах не содержатся твердые частицы (зола и несгоревший уголь) и существенно меньше экологически вредных компонентов (NОх, SО2 и СО). Поэтому одновременно с разработкой экологически чистых угольных технологий необходимо активизировать разработку эффективных технологий добычи нетрадиционных углеводородных ресурсов, о которых было сказано выше (рис. 1).

Большинство каменноугольных месторождений Российской Федерации – газоугольные. Метаноносность высокометаморфизованных угольных пластов таких месторождений возрастает с увеличением глубины их залегания и достигает 45–50 м3/т. Сорбированный метан угленосной толщи, а также метан свободных скоплений, с одной стороны, становится причиной взрывов в угольных шахтах, которые приводят к гибели шахтеров, а с другой стороны – ценным газообразным энергоносителем.

Задача заключается в изыскании экономически выгодных и эффективных технологий извлечения угольного метана. Дегазация угольных месторождений возможна как из существующих шахтных горных выработок, так и заблаговременно, до начала строительства шахты. На наш взгляд, наиболее целесообразна и безопасна предварительная дегазация угольных пластов.

Существующая в настоящее время в Российской Федерации традиционная технология дегазации угольных пластов [12, 13] экстенсивна и малоэффективна. Она основана, прежде всего, на бурении из горных выработок и с поверхности большого количества различных скважин (веерных, кустовых, параллельных, перекрещивающихся и др.). Диаметр дегазационных скважин, как правило, составляет 50–100 мм, а их длина колеблется от 5 до 40 м. Иногда через эти скважины осуществляют гидроразрыв угольного пласта.

Коэффициент дегазации (степень извлечения метана) угольных пластов по традиционной технологии колеблется от 10 до 40 %. Невысокая степень извлечения угольного метана обусловлена, прежде всего, малой поверхностью фильтрации каналов дегазации, а следовательно, малыми притоками к ним газа.

Есть целая группа видов углеводородного сырья, критериями отнесения которых к нетрадиционным видам являются не столько экономические, сколько технологические и геологические параметры. Для многих из них не выявлена возможность эффективного промышленного освоения даже в долгосрочной перспективе. Но сам факт их наличия и широкого распространения уже доказан.

К таким нетрадиционным источникам углеводородного сырья могут быть отнесены все виды нефтенасыщенных пород с низкими коэффициентами проницаемости и извлечения, а также высоковязкие нефти и природные битумы. Их ресурсы на порядки превышают ресурсы традиционных источников. Они могут реально компенсировать падающую добычу углеводородного сырья и заметно снизить дефицит в местном энергоснабжении. При этом нельзя забывать о наличии во многих скоплениях тяжелых нефтей и битумов редкоземельных элементов, например ванадия.

Так, по оценке Всероссийского нефтяного научно-исследовательского геологоразведочного института, рациональное и комплексное освоение тяжелых нефтей и природных битумов позволит в ближайшей перспективе ежегодно дополнительно добывать (в пределах бывшего СССР) 30–40 млн т нефтепродуктов и ликвидировать дефицит редкоземельных элементов, например ванадия для металлургии [3].

Объективных данных о мировых запасах природных битумов не существует. Однако есть отдельные оценки, в соответствии с которыми мировые ресурсы природных битумов оцениваются в 2800 млрд баррелей (или 445 млрд т), в том числе в пределах бывшего СССР – 380 млрд баррелей (или 60 млрд т).

Ресурсы тяжелых нефтей в мире оцениваются в 306 млрд баррелей (или 50 млрд т). В 1987 г. в мире добывали 2300 млн баррелей тяжелых нефтей (или 360 млн т), что составляло 11 % от общего уровня добычи нефти. В бывшем СССР добыча тяжелых нефтей была также ограничена техническими трудностями и составляла 10 % от общего уровня добычи нефти в СССР.

Для того чтобы нетрадиционные источники углеводородного сырья стали составной частью сырьевой базы нефтегазовой промышленности, необходимы интенсивные поиски новых эффективных технологий их освоения.

В настоящее время термические методы увеличения нефтеотдачи (помимо методов заводнения) рассматриваются как единственная, реализуемая на промышленном уровне, альтернатива.

К сожалению, термическим методам присущи определенные ограничения, которые препятствуют их широкому распространению. Физико-технические и экологические аспекты этих методов широко изучаются. Психологическим аспектом этой проблемы является страх перед сложностью природы тепловых процессов. Существенным вкладом в осознание результатов термического воздействия на нефтеносный пласт является труд французских ученых [14], что, на наш взгляд, поможет более активному распространению термических методов.

К таким технологиям мы относим термические и гидродинамические методы, которые в сочетании с протяженными горизонтальными буровыми каналами позволяют резко повысить степень извлечения не только традиционных, но и нетрадиционных ресурсов топлива.

Физико-химические процессы предлагаемых новых технологий основаны на окислении и нагреве пласта топлива, превращении части последнего в новое агрегатное состояние, изменении, благодаря этому, теплофизических параметров топлива и коллектора пласта, которые обуславливают повышение степени извлечения углеводородного сырья.

Мировые ресурсы нетрадиционных углеводородных газов представлены в табл. 1. Прогнозируемые Международным энергетическим агентством ресурсы нетрадиционного метана малопроницаемых пород, угольных и сланцевых месторождений превышают 900 трлн м3. Задача заключается в разработке эффективных технических решений для добычи этих нетрадиционных углеводородных газов.

В ОАО «Газпром» уделяют внимание проблеме нетрадиционных углеводородных источников. Так, 25 апреля 2012 г. Совет директоров ОАО «Газпром» рассмотрел на своем заседании перспективы добычи в Российской Федерации нетрадиционных газов (угольный метан, сланцевый газ, биогаз). Отраслевой журнал «Газовая промышленность» в своих специальных выпусках [15, 16] представил обширный материал (в виде отдельных статей) по геологии, экономике и добыче трудноизвлекаемых углеводородов.

В связи с этим в рамках настоящей монографии автор обобщил мировой опыт освоения нетрадиционных источников углеводородного сырья и детально рассмотрел физико-химические основы новых технических решений, которые направлены на разработку промышленных технологий эффективного извлечения таких видов углеводородного сырья.

Глава 1

МЕТАН УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Метан угольных месторождений впервые начали добывать в США в восьмидесятых годах двадцатого века. Сегодня его добывают в Канаде, Австралии, Китае и других странах (рис. 2). Примечательно, что в 2011 г его промышленная добыча в США составила 55 млрд м3, в Канаде – 9,3 млрд м3, в Австралии – 5,5 млрд м3, в Китае – 1,4 млрд м3 [15]. В Индии и Российской Федерации осуществляют первые попытки по опытному его извлечению.

Рис. 2 – Масштабы промышленной добычи метана из угольных пластов в мире в 2011 г.

Начало работ по освоению ресурсов угольного метана в Российской Федерации можно отнести к апрелю 1998 г. (соглашение между РАО «Газпром» и Администрацией Кемеровской области), а 12 февраля 2010 г. в присутствии Президента Российской Федерации Д. А. Медведева состоялась официальная церемония пуска первого опытного метаноугольного промысла. Этим подчеркивали создание новой подотрасли топливного энергетического комплекса – метаноугольной [17]. Перспективными метаноугольными бассейнами являются Кузнецкий и Печорский.

При этом извлечение угольного метана одновременно решает несколько проблем:

• снижение рисков взрывов метана при добыче угля в шахтах за счет существенного сокращения метаноносности;

• дополнительная (к углю) добыча газообразного углеводородного энергоносителя;

• предотвращение выброса в атмосферу метана, характерного для традиционной добычи угля, путем заблаговременного и предварительного его извлечения, а следовательно, сокращения эмиссии парникового газа в угледобывающих регионах.