Сланцевая нефть

Как добывается сланцевая нефть

Добыча сланцевой нефти за последнее десятилетие породила много дискуссий – как среди политиков, так и среди экологов. Кто-то уже говорит о целой сланцевой революции, когда добыча такой нефти постоянно растет, несмотря на возможный урон для окружающей среды и сомнительные экономические показатели.

Сланец – это мелкозернистая порода, в которой содержится легкая нефть. Эта порода достаточно плотная, что не позволяет добывать из нее нефть традиционным способом (хоть открытый способ добычи и существует): в породе недостаточно пор, чтобы в них скапливалась нефть. Первые данные о добытой сланцевой нефти относятся к далекому 1821 году, однако фактически технологии для коммерческой добычи такой нефти появились лишь в 80-90-е годы прошлого века.

Идею того, как из глубоко залегающих сланцев добыть нефть и газ, приписывают американскому нефтяному промышленнику Джорджу Митчеллу, который объединил 2 способа добычи:

горизонтальное бурение – цель состоит в том, чтобы пробурить скважину до нефтесодержащих сланцев, а после того, как скважина пробурена, ее направление меняется на горизонтальное, вглубь пласта;
гидроразрыв пластов – в скважину под давлением закачивается специальный раствор, который разрывает пласт, формируя множество трещин и формируя коллектор. Через эти трещины нефть может проникать в коллектор, откуда ее можно откачать через скважину.

Раствор состоит из технической воды, а также гранулированного кварцевого песка, который не дает трещинам закрываться. Правда, некоторые ученые считают, что раствор может быть токсичным для человека и живой природы, и даже радиоактивным, поэтому его утилизация – тоже сложный процесс.

Схема бурения и гидроразрыва пластов

Технология позволяет добывать и нефть, и газ (в случае с газом его вытесняет из пласта подаваемый раствор), но у нее есть свои недостатки. Прежде всего, это быстрое истощение месторождения – в первый год дебет скважины снижается на 80%, то есть, отдача от нее сильно сокращается. Также это весьма дорогая технология, нужно не только иметь возможность бурить глубоко и со сменой направления, но также регулярно обслуживать сложное оборудование, а получаемую нефть очищать от технологического раствора.

Очевидно, что себестоимость добычи каждого барреля нефти при такой сложной и дорогой технологии будет выше, чем для традиционных месторождений, однако в США таким образом добывается уже около 60% всей нефти, что расценивается американскими властями не столько как коммерческий проект (хоть добыча и может быть выгодной), сколько как проект политический.

Среди экологических проблем называют и другие – то, что при добыче сланцевой нефти компаниям приходится бурить множество скважин (так как каждая работает всего 1-2 года), для приготовления раствора нужны огромные количества воды, песка и химикатов. Но главный минус, о котором говорят – сама технология гидроразрыва пластов, которая нарушает их естественное строение, и может быть сейсмически опасной.

Однако с точки зрения экологии все может быть не так очевидно: технологии не стоят на месте, в том числе и в сланцевой нефти. По основным показателям добыча сланцевой нефть, хоть и опаснее добычи нефти традиционной, разрыв в цифрах небольшой:

выбросы углекислого газа на баррель ниже, чем при традиционной добыче – от 74 до 285 кг на баррель нефти, тогда как для обычной нефти это от 100 до 400 кг;
расход пресной воды – на добычу каждого литра сланцевой нефти нужно примерно 3 литра, у традиционной нефти этот расход может составлять от 1 до 5 литров;
на каждую затраченную единицу энергии при добыче сланцевой нефти приходится от 2,4 до 15,8 единиц энергии добытой, для обычной нефти эта цифра – около 11.

Сейчас добывающие компании ищут способы сократить потребление воды при добыче, а по остальным показателям сланцевая нефть может быть не хуже для окружающей среды, чем нефть традиционная.

Перспективы сланцевой революции

Стоит сказать, что на данный момент добыча сланцевой нефти в США является в настоящее время единственной в мире, поскольку в других странах такое сырье не добывают.

Это позволило Штатам впервые за последние сорок лет начать экспорт собственных энергоносителей.

Однако, после падения нефтяных котировок, стало ясно, что американские сланцевики столкнулись с серьезными проблемами, связанными с высокой себестоимостью добычи такого сырья. Дело в том, что ходя сланцевая скважина и начинает давать хорошую отдачу сразу после фрекинга, этот процесс очень быстро заканчивается.

Во многих случаях такие скважины перестают приносить сырье уже через год. Иногда получается качать сланцевую нефть в течение двух-трех лет, но даже в этих случаях объем добываемого сырья через год падает минимум на 40 процентов.

Еще одной проблемой является то, что нефть из сланца получается извлечь далеко не всю (процент получаемого сырья по сравнению с общими запасами гораздо меньше, чем при разработке традиционных месторождений). В связи с этим постоянно приходится бурить все новые и новые скважины, а это – большие капитальные вложения (в среднем одна скважина стоит 8,5 миллионов долларов).

Новости об объемах сланцевого бурения поражают своими масштабами. Например, в 2012-ом году в США было пробурено 45 468 скважин, а во всех остальных странах мира (без учета Канады) – 3 921-на.

На удорожание добычи влияет и высокое содержание в сланцевой нефти растворённого природного газа, вследствие чего требуется серьезная подготовка (сепарирование) такого сырья к транспортировке, иначе оно становится взрывоопасным.

Сланцевая нефть

К примеру, США активно подталкивала Европу к сланцевым разработкам, чтобы снять с неё зависимость от поставок российского газа. Больше всего европейской сланцевой нефти нашли в Польше, где и начали пробное бурение. Новости об этом проекте таковы: потратили порядка миллиарда долларов; пробурили 69-ть скважин; для промышленной добычи не подошла ни одна из них.

Список используемой литературы:

Нефть и Нефтепродукты — Википедия
Хаустов, А. П. Охрана окружающей среды при добыче нефти/ Хаустов, А. П., Редина, М. М. Издательство: «Дело», 2006. 552 с.
Алекперов, В.Ю. Нефть России: прошлое, настоящее и будущее /Алекперов В.Ю. М.: Креативная экономика, 2011. – 432 с.
Издательство: «Нефть и газ», 2006. 352 с. Сургутнефтегаз.
Экономидес, М. Цвет нефти. Крупнейший мировой бизнес: история, деньги и политика/ Экономидес М., Олини Р. Издательство: «Олимп-Бизнес», 2004. 256 с.

Баженовская свита

Баженовской свитой называют породы в Западной Сибири, лежащие на глубине 2000-3000 м. и имеющие толщину 10…100 м. Ее площадь составляет примерно 1 млн км2. По наиболее оптимистичным прогнозам, баженовская свита хранит в себе 100-160 млрд. тонн нефти.

Что касается стратегии «Газпром нефти», то она предусматривает добычу нетрадиционной нефти в не столь уж далеком будущем. Сегодня компанией реализуются проекты по оценке ее запасов и отработке возможных способов добычи.

Опытно-исследовательские работы проводились на Красноленинском месторождении, входящем в баженовскую свиту. Специалистами «Газпромнефть-Хантос» на глубине 2300 м были выполнены горизонтальные скважины протяженностью в 1 км и произведен 9-стадийный ГРП. В результате нефтяники смогли получить фонтанирующий приток сланцевой нефти с дебитом не менее 45 тонн/сут.

В планировании работ и обработке их результатов принимали участие специалисты НТЦ «Газпром нефти». Большой объем накопленной информации о фактических параметрах залежей сланцевой нефти позволил им создать геомеханическую и геологическую модели нефтеносных пластов, которые использовались при планировании буровых работ. При реализации проекта были опробованы различные технологии, повышающие эффективность добычи нетрадиционной нефти. В качестве закрепляющего агента, в частности, использовался эластичный цемент. Его отличие от обычного состоит в том, что он хорошо сохраняет свои закрепляющие способности при многократных нагрузках, качественно и надежно изолируя трещины. Использовался также способ МГРП с высокоскоростной закачкой жидкостей. В отличие от стандартного ГРП, он позволяет создать вместо одной целую сеть трещин, охватывающих протяженную зону нефтеносного пласта.

Опробовалась технология гибридного гидроразрыва, при котором используется комбинация обладающих разными свойствами жидкостей, позволяющих повысить эффективность их закачки в пласт. С целью изучения эффективности закрепления скважин различными способами использовались разные технологии – сначала применялась обычная вода, а в дальнейшем – вязкие гели. Разделение стадий производилось с помощью метода Plug&Perf (разбуриваемые пробки).

В рамках изучения и усовершенствования технологии добычи было выполнено закачивание с цементированием хвостовика.

Одним из способов повышения эффективности нефтедобычи является снижение трения между проппантом и стенками скважины. Технология Slick Water, что в переводе означает «скользкая вода», предполагает использование для этого специальных добавок, свойства которых также были исследованы во время выполнения проекта.

ГРП – единичный гидравлический разрыв пласта – способ получения сланцевой нефти, заключающийся в закачивании в пласт смеси жидкости с расклинивающим (закрепляющим) компонентом – проппантом. В результате гидроразрыва в пластах образуются и фиксируются трещины, по которым нефть начинает поступать в скважину. В отличие от единичного ГРП многостадийный гидравлический разрыв (МГРП) позволяет осуществить в одной скважине сразу несколько гидроразрывов, вследствие чего многократно возрастает протяженность рабочей зоны пласта.

В течение 2015-2016 гг. в пальяновской зоне были пробурены две 1000-метровые горизонтальные скважины с эффективностью проходки более 90%. При работе с ними были опробованы считающиеся наиболее современными методы ГРП. С учетом того, что Россия в настоящее время испытывает известные ограничения во внешнеэкономическом сотрудничестве с компаниями, обладающими самыми современными технологиями добычи сланцевой нефти, полученные результаты можно назвать очень успешными.

Результаты работ подтверждают перспективность добычи нетрадиционной нефти в месторождениях баженовской свиты. По мнению 1-го замгендиректора «Газпром нефти» Вадима Яковлева, работы по изучению перспективы добычи российской нетрадиционной нефти можно считать большим шагом вперед.

Дальнейшие перспективы

Они весьма туманны. Технологические трудности, требующие колоссальных инвестиций, быстрое истощение скважин, экологические риски, сильнейшая конкуренция со стороны нефтедобытчиков, занятых извлечением традиционной нефти – всё это играет весьма существенную отрицательную роль.

Но с другой стороны, жизнь не стоит на месте. Появляются новые перспективные разработки, а дебит скважин постепенно снижается. Поэтому такие страны, как Китай и Россия, начали активно заниматься поиском и возможностями добычи сланцевых топливных ресурсов:

Китай в июне текущего года обнаружил в бассейне Ордос, что расположен на территории провинции Ганьсу в северной части центрального Китая, 1 млрд т сланцевой нефти.
Россия в рамках весьма перспективного в технологическом отношении проекта «Бажен» вот-вот начнёт активно заниматься добычей трудно извлекаемых нефтяных запасов из месторождений знаменитой Баженовской свиты. Это обещает пополнить российский бюджет к 2025 году на 60-70 млрд рублей, и дать возможность отечественным производителям оборудования заработать порядка 150 млрд рублей.

Получение нефти

Сокращение запасов нефти, добываемой традиционными способами, заставляет нефтяников обратить внимание на горючие сланцы, запас которых на порядок больше открытых нефтяных запасов. Горючие сланцы при нагреве без доступа воздуха образуют газ и сланцевое масло, которое близко по составу к нефти и называется условно сланцевой (нетрадиционной) нефтью

Добыча сланцевой нефти целесообразна, с экономической точки зрения, только на крупных месторождениях с толщиной пласта от 30 метров и содержанием нефти не менее 90 литров на тонну сланца.

Получение сланцевой нефти возможно с помощью установок-реакторов, в которых происходит переработка сланцевой породы, добытой открытым или шахтным способом. На этих установках выделяют сланцевую смолу (нефть) с помощью пиролиза без доступа воздуха. Этот способ весьма затратный, конечный продукт отличается высокой себестоимостью.

Второй способ получения нефти — бурение горизонтальных скважин с применением технологии гидроразрывов пласта. Такая нефть тоже имеет высокую себестоимость.

Недостатком метода получения нефти из пласта является быстрое падение дебита скважины. Уже через год работы происходит резкое, до 80%, снижение объёмов поступающей нефти. Оба способа имеют проблемы утилизации больших объёмов углекислого газа, который образуется в процессе отделения сланцевой смолы. Выпуск его в атмосферу недопустим во избежание экологической катастрофы.

Нефть vs альтернативные источники энергии

Есть и другие, возобновляемые источники энергии. Именно на них переключаются крупнейшие страны-потребители энергии, считая такой способ генерации энергии более экологичным. Вторая причина перехода на альтернативные источники — перестать зависеть от нефтяных держав, которые используют нефть в геополитических целях.

Объем инвестиций стран и регионов в возобновляемые источники энергии и альтернативные виды топлива

Фото: REN21

_{Полная версия отчета Renewables 2019 в формате PDF (см. стр. 148)}

Основные виды возобновляемых источников энергии (ВИЭ):

Гидроэнергетика: источник энергии — вода.

Самый распространенный способ, при котором энергию вырабатывают с помощью плотины и турбин, которые вращают воду внутри. Потенциальная емкость гидроэнергетических станций — 30-40 Тераватт-час в год. Однако этот способ приводит к изменению уровня воды в водоемах, сокращению в них кислорода, нарушению нерестового цикла рыб и другим негативным последствиям для флоры и фауны.

Ветроэнергетика: источник энергии — ветер.

Энергия также вырабатывается с помощью турбин, которые вращают ветер. Они гораздо дешевле, чем водяные, располагаются на высоте от 100 метров: это значит, что землю под ними можно использовать под сельхозугодья.

Дания, Германия и Нидерланды к 2050 году планируют возвести искусственный остров в море и разместить на нем ветроэнергетическую станцию, которая сможет вырабатывать до 100 Гигаватт/час энергии в год.

Главный минус этого источника — нестабильность: нужно дожидаться ветра, причем определенной силы. Это возможно только вдали от населенных пунктов, а значит, доставка энергии будет слишком дорогой.

Гелиоэнергетика: источник энергии — Солнце.

Такие станции могут быть устроены по-разному: например, накапливать солнечный свет с помощью батарей, которые преобразуют его в энергию. Второй способ гораздо проще и популярнее, но во многих северных регионах солнечного света не хватает для того, чтобы полностью обеспечивать их энергией. И даже в очень солнечных местах есть смена суток и сезонов, поэтому выработка энергии будет неравномерной.

Волновая энергетика: источник — морские волны.

В этом случае специальные модули качаются на волнах и генерируют энергию из движения. Помимо генерации дешевого электричества такие станции защищают берега, а также мосты и опоры от разрушения. Однако их потенциал — всего 2 Тераватт-час в год, они могут быть опасны для водного транспорта и создают шум, который пугает водных обитателей.

Зеленая экономика

Анатолий Чубайс — о потенциале зеленой энергетики в России

Геотермальная энергетика: источник — тепло + вода.

На глубине роют две скважины, в одну из которых подают воду. Она испаряется, нагреваясь от земли, пар проходит через вторую скважину и по трубам направляется в турбины, попутно очищаясь от примесей. Это достаточно стабильный источник энергии, потенциал которого — 47 Тераватт-час в год. Однако сейчас мы можем получить лишь 2% от этого объема.

По данным аналитической компании Enerdata, в Норвегии около 97% электроэнергии добывается из альтернативных источников, в Новой Зеландии и Бразилии — около 80%, в Германии, Италии, Испании и Великобритании — 30-40%. В России доля потребления из ВИЭ — 17,2%.

Билл Гейтс, один из влиятельнейших идеологов ВИЭ, приводит такие цифры: в Токио 3 дня в году действует циклон, из которого можно было бы сгенерировать колоссальное количество энергии. Этого хватило бы на весь 27-миллионный мегаполис. При этом электричество, полученное традиционным способом, создает 25% от всех вредных выбросов.

Билл Гейтс — об энергии ветра и Солнца

Технология добычи сланцевого газа в США

Добыча сланцевого газа предполагает горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта. Горизонтальная скважина прокладывается через слой газоносного сланца. Затем внутрь скважины под давлением закачиваются десятки тысяч кубометров воды, песка и химикатов. В результате разрыва пласта газ по трещинам поступает в скважину и далее на поверхность.

Схема добычи сланцевого газа

Гидроразрыв пласта в США

соляная кислота помогает растворять минералы;
этиленгликоль борется с появлением отложений на стенках труб;
изопропиловый спирт используется для увеличения вязкости жидкости;
глютаральдегид борется с коррозией;
лёгкие фракции нефти используются для минимизации трения;
гуаровая камедь увеличивает вязкость раствора;
пероксодисульфат аммония препятствует распаду гуаровой камеди;
формамид препятствует коррозии;
борная кислота поддерживает вязкость жидкости при высоких температурах;
лимонная кислота используется для предотвращения осаждения металла;
хлорид калия препятствует прохождению химических реакций между грунтом и жидкостью;
карбонат натрия или калия используется для поддержания баланса кислот.

Десятки тонн раствора из сотен наименований химикатов смешиваются с грунтовыми водами и вызывают широчайший спектр непрогнозируемых негативных последствий. При этом разные нефтяные компании используют различные составы раствора. Опасность представляет не только раствор сам по себе, но и соединения, которые поднимаются из-под земли в результате гидроразрыва. В местах добычи наблюдается мор животных, птиц, рыбы, кипящие ручьи с метаном. Домашние животные болеют, теряют шерсть, умирают. Ядовитые продукты попадают в питьевую воду и воздух. У американцев, которым не посчастливилось жить поблизости от буровых вышек, наблюдаются головные боли, потери сознания, нейропатии, астма, отравления, раковые заболевания и многие другие болезни.

Отравленная питьевая вода становится непригодной для питья и может иметь цвет от обычного до чёрного.
В США появилась новая забава поджигать питьевую воду, текущую из крана.

Воспламенение питьевой воды

Это скорее исключение, чем правило. Большинству в такой ситуации реально страшно. Природный газ не имеет запаха. Тот запах, который мы чувствуем, издают одоранты, специально подмешиваемые для выявления утечек. Перспектива создать искру в доме, полном метана, заставляет перекрыть водопровод наглухо в такой ситуации.
Бурение новых скважин для воды становится опасным. Можно нарваться на метан, который ищет выход на поверхность после гидроразрыва. Например, так произошло с этим фермером, который решил сделать себе новый колодец вместо отравленного.

Фонтан метана бил три дня. По подсчётам специалистов в атмосферу ушло 84 тысячи кубометров газа.

Американские нефтегазовые компании применяют к местному населению следующую примерную схему действий.

1. «Независимые» экологи делают экспертизу, согласно которой с питьевой водой все в порядке. На этом все заканчивается, если пострадавшие не подают в суд.

2. Суд может обязать нефтяную компанию пожизненно снабжать жителей привозной питьевой водой, либо поставить очистное оборудование. Как показывает практика, очистное оборудование не всегда спасает. Например, этиленгликоль проходит сквозь фильтры. На видео фермер получает пластик из очищенной питьевой воды при помощи нагревания.

3. Нефтяные компании выплачивают компенсации пострадавшим. Размеры компенсаций измеряются десятками тысяч долларов.

4. С получившими компенсацию пострадавшими обязательно подписывается договор о конфиденциальности, чтобы правда не выплыла наружу.

Не весь ядовитый раствор смешивается с грунтовыми водами. Примерно, половина «утилизируется» нефтяными компаниями. Химикаты сливают в котлованы, а для увеличения скорости испарения включают фонтаны.

Ещё химикаты сбрасывают в море, и они иногда возвращаются с ураганами и торнадо.

Что такое сланцевая нефть

Для ответа на данный вопрос введём несколько промежуточных понятий:

Сланцы – горные наслоения разнообразных минералов слоистой структуры.
Горючие сланцы – это возникшие в жидкой среде структуры, содержащие в себе лёгкую нефть и останки живых организмов водной среды. Их (организмы) ещё называют «протонефтью» или «керогеном», так как процесс нефтеобразования из них не завершился.
Лёгкая нефть – фракция с удельным весом до 0,84-0,88 г/см3. Большая часть добываемой нефти – лёгкая.
Сланцевая нефть – субстанция, получаемая из керогена по определённой технологии (SO). Иногда её называют сланцевым маслом.
Иногда этот термин применяют для обозначения лёгкой нефти, добываемой из пластов сланца или находящихся рядом с ними низкопроницаемых коллекторов (LTO по терминологии Международного Энергетического Агентства, или TO по версии Мирового Энергетического Совета).
Углеводородный коллектор – полость внутри горной породы, содержащая ископаемое топливо.
Сланцевый плей – совокупность однотипных месторождений, в данном случае – сланцевых.

Отличие от обычной нефти

По своим химическим и топливно-энергетическим свойствам оба вида мало чем отличаются друг от друга. Речь идёт о готовом к продаже товаре эксплуатационного качества. Различия между видами лежат в способах добычи, затратах, а также воздействии на окружающую среду.

Топливо, извлечённое из сланцевых пород, требует больших затрат, значительных технологических усилий, кроме того, оказывает негативное влияние на природу.

Разведанные запасы сланцевой нефти в 2,3 раза больше традиционной. Также имеются перспективы новых способов её добычи.

Запасы

По состоянию на 2013 год сланцевые нефтяные запасы оценивались следующим образом:

первое место с 75 млрд баррелей занимала Россия;
на втором с 58 млрд барр. были США;
третье – 32 млрд барр. держал Китай;
четвёртое – 27 млрд барр. за Аргентиной;
пятое место с 26 млрд барр. принадлежало Ливии.

Общее количество запасов во всём мире составляет 345 млрд. барр. (данные 2016 года).

Шесть лет проведённых исследований внесли существенные коррективы. В декабре 2018 года США сообщили о двукратном увеличении запасов сланцевой нефти по сравнению с 2016 годом. В Америке присутствует наивысшая концентрация мест, удобных в плане нефтедобычи. Знаменитая Баккеновская формация (запас – 733 млн тонн), Форт Игл (335 млн тонн), плюс новые разведанные запасы в Техасе и Нью-Мехико позволяют стабильно наращивать объёмы добываемого сырья и открывают широкие возможности потребления нетрадиционных углеводородов.

Разведанные ресурсы нельзя оценивать однозначно. Имеется целый ряд проблем сдерживающего характера. Это глубина залегания, проницаемость геологических пластов, климатические условия, наличие необходимых водных объёмов.

По мере продвижения в будущее и с перспективами разработки новых технологий они вполне могут стать разрешимы. Уже есть сообщения из России, Китая, Израиля о создании безводных способов добычи сланцевой нефти. Активизируется работа в российской Баженовской свите на территории ХМАО-Югра (начальные запасы – 100 млн тонн).

Виды

На сегодняшний день их два:

Tight Oil (TO). Нефть малопроницаемая, состоит из фракций незначительной плотности (лёгких). Залегает в геологических слоях низкой проницаемой способности. Способы извлечения: прокладка горизонтальных скважин и гидроразрыв пласта.
Shale Oil (SO). Углеводород, получаемый в результате термического воздействия на кероген. Фактически, это обычная нефть, образованная ускоренным процессом собственного созревания.

Качество первой, извлекаемой из Пальяновского месторождения на территории России, практически идеальное. Со второй возникают проблемы, вызванные высокой плотностью и вязкостью, а также наличием в её составе смол, масел, серы. При производстве керогенной нефти дополнительно выделяется метан и реагенты, ухудшающие экологию.