среда, 4 декабря 2013 г.

Посланцы сланца

Из всех энергетических рынков, сложившихся к началу XXI века, наименьших сюрпризов следовало ожидать от рынка ископаемого топлива. За полтора века разведки и эксплуатации человек нанес на карту все существующие на Земле бассейны с углеводородами и извлек заметную часть хранящихся в них нефти, газа и каменного угля. Поскольку пригодными для разработки считались сравнительно немногие месторождения, на горизонте уже маячил энергетический голод, когда — благодаря отчасти технологическим прорывам, отчасти экономическим факторам — стало ясно, что и теоретически «непродуктивные» природные подземные резервуары нефти и газа (так называемые горючие сланцы) тоже могут быть включены в разработку. Они-то за последние пять лет и перекроили энергетическую карту мира, пообещав с лихвой перекрыть запасы «классических» углеводородов и даже оттянуть на неопределенный срок переход к «чистой энергетике».

Согласно доминирующей (биогенной) теории, газ, нефть и каменный уголь образовались в результате длительного, многоэтапного геологического процесса. Вначале останки микроорганизмов скапливались на дне морей и перегнивали, образуя органическое вещество, которое принято называть керогеном. Оказавшись на глубине, в виде отложений на шельфе, кероген за 50-500 млн лет под воздействием высокого давления и температуры трансформировался в зависимости от конкретных условий в нефть, природный газ или каменный уголь. Процесс этой подземной «переработки» сильно растянут во времени и далеко не завершен, так что недра содержат огромные запасы «недозревших» углеводородов. Это и есть сланцы — ископаемая основа пресловутой сланцевой революции.


Горючие сланцы — категория полезных ископаемых с довольно размытыми рамками. Обобщая, можно сказать, что это залегающая на глубинах от сотен метров до нескольких километров мелкозернистая порода самого различного состава — от кварцевого песка до субстанции, напоминающей обычную глину, — которая насыщена керогеном в различных концентрациях (от 10% в «бедных» сланцах до 50% в самых «богатых»). Если извлечь кусок такой породы и поджечь, он будет гореть. В древности человечество употребляло сланцы в качестве топлива. Однако чтобы отделить углеводороды от «пустой» породы, необходимо проделать дополнительную работу, в результате которой выделится либо сланцевый газ, либо сланцевая нефть: ее часто называют «искусственной», противопоставляя нефти «натуральной», которая истекает сама.

Ажиотаж вокруг сланцевых углеводородов легко понять. Во-первых, они более равномерно распределены по планете — в отличие от обычных нефтяных и газовых месторождений. Это не только делает доступ различных государств к топливно-энергетическим ресурсам более справедливым, но и упрощает логистику между местом добычи и потребления. Во-вторых, сточки зрения запасов сланцы способны по-настоящему поразить воображение. Сланцевой нефти недра нашей планеты содержат з трлн баррелей — немного больше, чем нефти обычной. Сланцевого же газа больше, чем природного, в три с лишним раза: 900 трлн кубометров (самые скромные оценки) против 289 трлн. Правда, при существующих технических возможностях лишь пятая часть этого объема считается извлекаемой. Но почти наверняка запасов сланцевого газа гораздо больше, чем принято считать: ведь о них судят по сравнительно небольшому числу хорошо изученных районов, расположенных главным образом в развитых странах, а на остальные регионы цифры просто экстраполируют.

СТАРАЯ НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Промышленная разработка сланцевых пластов стартовала еще в XIX веке — в Шотландии и США. В начале двадцатого столетия добычей сланцев также занялись в Российской империи (преимущественно в Эстляндской губернии — на территории нынешней Эстонии) и Китае. Однако велась она в основном открытым способом в карьерах или неглубоких шахтах — точно так же, как и в случае с каменным углем. Большого размаха разработка сланцевых месторождений в то время не получила и особого влияния на нефтегазовый рынок не оказывала. Привлекательность сланцев меркла в сравнении с месторождениями обычной нефти, которая фонтанировала из скважины сама и не требовала больших усилий для извлечения.

О сланцах западные страны вспомнили было лишь во время нефтяного кризиса 1970-х годов, но и то ненадолго: цены на нефть обрушились, и сланцы вновь отступили на второй план. И только в последние десять лет сланцевые технологии постепенно вышли на достаточный уровень, чтобы составить конкуренцию традиционным способам добычи нефти и газа.

В США сначала «выстрелила» сланцевая газодобыча, теперь за ней подтягивается и сланцевая нефть. Такая очередность объясняется технической стороной дела. Сланцевая нефтедобыча требует более сложных и дорогих технологий и оборудования, а также больших ресурсов. Если сланцевый газ в США — сфера деятельности в том числе и малого бизнеса, то нефть — безусловно, занятие для больших компаний с солидными инженерными и R&D-подразделениями. Бурение и эксплуатация одной сланцевой нефтяной скважины может обойтись чуть ли не на порядок дороже, чем традиционной.

Это означает, что в ближайшее время не стоит ждать буквального повторения нефтяной лихорадки конца XIX века, когда скважины бурили все кому не лень. Сланцевая нефть будет выходить на рынок постепенно.

В настоящее время в США десятки компаний разрабатывают полдюжины крупных сланцевых залежей, и прогноз на добычу непрерывно увеличивается. Пока аналитики осторожно говорят о том, что в ближайшие два десятилетия США смогут сами полностью обеспечить внутренние потребности в нефти. А это само по себе обещает обрушить нефтяные цены на мировом рынке. Помимо США, в этой гонке есть и другие участники. Один из них — Израиль, который не имеет традиционных месторождений нефти, зато по запасам сланцевой может дать фору Саудовской Аравии. Есть еще Китай, владеющий значительными разведанными и перспективными месторождениями горючих сланцев, а также густонаселенные (что создает определенные трудности для добычи) европейские страны.

Если для сланцевой нефти революция только намечается, то для сланцевого газа она уже свершилась — по крайней мере в США. В начале этого века сланцевый газ в Америке занимал в суммарном объеме газодобычи лишь 1%, а в 2010-м — уже одну пятую. При этом объемы добычи непрерывно растут и будут расти, по прогнозам аналитиков, минимум еще два десятилетия. Благодаря этому цена на газ в США уже опустилась более чем втрое, примерно к отметке в $100 за тысячу кубометров. Это в разы дешевле, чем в европейских странах, и сравнимо с российской внутренней ценой на газ для промышленных потребителей. Следующее, к чему нужно готовиться («Газпрому» и всем нам), — это поступление больших объемов американского сжиженного газа на экспорт. Это грозит обвалить цены на европейском газовом рынке, который Россия так старательно пыталась навеки привязать к себе нитками многочисленных газотрубопроводов. Если считать совокупно нефть и газ, то США по итогам 2013 года наверняка сместят Россию с первого места в мировом списке крупнейших производителей углеводородов — как это ни обидно для нашего национального самосознания. Давайте посмотрим на технологию, которая позволила им этого добиться.

ФРЕКИНГ, РЕТОРТИНГ И ПРОЧАЯ МАГИЯ

Специалисты предпочитают разделять сланцевые ресурсы на разведанные и извлекаемые, что обусловлено сравнительной сложностью их разработки. Если месторождение классических нефти или газа достаточно «проткнуть» вертикально направленным буром, чтобы внутреннее давление в пластах заставило добываемый ресурс поступать наверх, то с горючими сланцами этот номер не пройдет. «Недозревшие» углеводороды сами на поверхность не двинутся: их концентрация мала, и они связаны с сопутствующей породой. Теоретически из тонны нефтеносного сланца можно получить 200 литров нефти (нефть немного легче воды); на практике же результат сильно зависит от множества слабопредсказуемых обстоятельств.

Две технологии, которые пришли на смену добыче сланцев в карьерах и шахтах и применяются последовательно, — это горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта.

При горизонтальном бурении скважина, начиная с некоторой глубины, направлена не отвесно вниз, а под острым углом к горизонту или вообще горизонтально. Эту технологию изобрели в США еще в 1930-х годах прошлого века, но довели до коммерчески пригодного состояния только к 1980-м — благодаря прорыву в технологиях бурения и мониторинга скважин. А по-настоящему рентабельной она стала в двухтысячные. Необходимость бурить горизонтально обусловлена простым фактом: сланцы насыщены углеводородами сравнительно слабо и, чтобы добиться приемлемой производительности скважины, пласт необходимо пронизывать вдоль.

Однако и этого мало. Сланцы — плотная и весьма слабопроницаемая порода, которая имеет слоеную структуру и «схлопывается», не давая хода добываемому ресурсу. А значит, чтобы открыть ему путь, нужно пронизать породу сетью трещин. Этого и добиваются с помощью технологии гидроразрыва пласта (по-английски — hydraulic fracturing), или, как еще говорят, фрекинга. Фрекинг тоже был изобретен сравнительно давно, в 1947 году, однако вплоть до начала нашего века применялся преимущественно лишь для повышения производительности скважин на обычных месторождениях. Суть манипуляции проста: в готовую скважину закачивается большой объем жидкости, которая приблизительно на 97% состоит из воды, а на 3% — из химически активных добавок и песка. Давление, создаваемое водой, образует вдоль скважины сеть трещин-протоков, которые ускоряют отделение углеводородов; песчинки же не дают им «схлопываться». Обычно гидроразрыв перемежают с бурением: к моменту окончания работ скважина может достигать нескольких километров в длину, и на ней бывает проведено несколько десятков этапов (стадий) гидроразрыва.

Горизонтальное бурение и фрекинг применяются для разработки сланцевых пластов, отдающих углеводороды сравнительно легко, то есть преимущественно газовых. Нефтяные сланцы разрабатываются иначе. Здесь первую скрипку играет так называемый ретортинг, то есть ускоренное «дозревание» сырья в специальном резервуаре (реторте, откуда и название). В случае карьерной добычи предварительно измельченный сланец подается в промышленный конвертер, где подвергается нагреву без кислорода: испарившиеся углеводороды конденсируются и могут быть направлены на традиционную нефтепереработку. Выход нефти здесь сравнительно высок, а энергозатраты невелики, поскольку процесс в значительной степени «самообслуживается»: энергию на его проведение дает сам сланец.

Однако наиболее перспективным считается ретортинг «на месте» — это так называемый in situ conversion process, сокращенно — ICP. Суть его состоит в преобразовании керогена в нефть прямо под землей, в сланцевых пластах на километровых глубинах. Эти технологии, разрабатываемые в настоящее время несколькими компаниями, разнятся деталями, но суть у них одна. В сланцевый пласт закачивается какой-либо теплоноситель (природный газ, электролит и т. п.), который нагревает породу до температуры выше двухсот градусов Цельсия и запускает процесс преобразования углеводородов. Это медленное и весьма трудно предсказуемое дело, отнимающее порой до четырех лет. Тем не менее ICP предпочтительнее экономически, поскольку происходящая внутри пласта работа удешевляет последующее извлечение ресурса и переработку на заводе, а поверхностные разрушения минимальны.

ЛОЖКА ДЕГТЯ В БАРРЕЛЕ НЕФТИ

На данный момент безусловный лидер в разработке горючих сланцев с помощью современных технологий — США. Именно эта страна первой выявила главные преимущества и столкнулась с основными недостатками «сланцевой энергетики». Сланцы оказались породой капризной, приручить их нелегко. Если на обычном газовом месторождении скважина способна работать со стабильной отдачей десятилетие, то сланцевая сильно сдает в производительности уже в первые год-два (к счастью, не до нуля, так что эксплуатироваться все-таки может в десять раз дольше). В результате с самого начала сланцевое месторождение требует бурения большего числа скважин и постоянного ввода в эксплуатацию новых — для поддержания объемов добычи.

Новички, которые, как ожидается, присоединятся к сланцевой гонке в ближайшие годы, — это прежде всего Китай, страны Южной Америки и Европы. Это обещает щедрые контракты американским нефтесервисным и инжиниринговым компаниям, которые за последнее десятилетие отточили технологии сланцевой добычи у себя дома.

Впрочем, американцам рано почивать на лаврах. Десять лет для массовой технологии, связанной с разработкой недр, — слишком малый срок. Предстоит решить еще целый ряд специфических проблем. Одна из них заключается в том, что сланцевая нефть по химическому составу заметно отличается от обычной: в ней больше азота, серы, иной ассортимент углеводородных конструкций. Это требует особых методов при переработке и способно ограничить применение сланцевых углеводородов для современных «экологичных» видов автомобильного топлива.

Сложность еще и в том, что добыча сланцевой нефти требует большого количества воды: из расчета примерно семь баррелей воды на один — добытой нефти. Именно этот фактор остается, пожалуй, главным препятствием на пути к разработке горючих сланцев даже в развитых странах. К примеру, Иорданию сланцы способны в два года сделать крупным экспортером нефти, однако взамен страна наверняка получит недопустимый дефицит воды, которой там и без того мало. По той же причине, как считается, пока воздерживается от масштабной разработки своих сланцевых залежей Китай, где вода критически важна для сельского хозяйства и во многих районах тоже уже в дефиците. Решить проблему надеется Израиль, продвинувшийся в разработке новаторских ICP-методов, которые не только не нуждаются в воде, но и сами производят ее. Считается, что безводные сланцевые технологии — будь они разработаны — обеспечат рывок в добыче сланцевой нефти по всему миру и собьют ее себестоимость ниже 40 долларов за баррель.

Другая большая проблема — значительные затраты энергии на разработку сланцевых пластов. Один из важнейших показателей, которым оперируют специалисты ТЭК, когда дело касается добычи энергоносителей, — это так называемый EROEI. Он демонстрирует удельную энергетическую эффективность производства энергоресурсов. Упрощенно говоря, сколько энергии удается добыть на каждую затраченную на процесс добычи условную единицу энергии. В сланцевой нефтедобыче в середине 2000-х годов этот показатель был близок к двум (тратишь единицу — получаешь две), что считалось малоцелесообразным и нерентабельным для бизнеса. Сейчас его удалось поднять до 5. Для сравнения: среднестатистический EROEI для классической нефти превышает 30, а в гидроэнергетике он — 100 и выше. Отдельные эксперты в США убеждены, что EROEI сланцевых технологий можно увеличить до уровней сопоставимых и даже превосходящих обычную нефтегазодобычу, тем более что у американской нефтегазодобычи этот показатель падает: свежие оценки говорят об 11 единицах в среднем по США. И даже специалистам встать на чью-то сторону трудно из-за большой неопределенности, сохраняющейся пока в оценках производительности сланцевых месторождений. Тем более что саму технологию до сих пор во многом можно считать экспериментальной.

Наконец, технологии разработки сланцев сопряжены с риском загрязнения поверхностных и грунтовых вод нефтепродуктами, метаном и технологическими жидкостями, а атмосферы — угарным газом. С последним проще: его можно использовать в процессе добычи, а потом улавливать. С остающимися на поверхности химреагентами и прочими отходами тоже можно разобраться, накапливая и утилизируя. Нивелировать же риск загрязнения грунтовых вод пионеры сланцевой добычи предлагают весьма нетривиальными методами. Так, Shell разработала технологию ограждения зоны добычи замораживающими скважинами, a Chevron бурит вокруг разрабатываемого участка большое число скважин для откачки воды. В теории риск просачивания нефтепродуктов в водоносный горизонт, который проходит значительно выше, ничтожен, но периодически случающиеся аварии с выбросами и детонацией газа и жидкостей не позволяют общественности успокоиться. Именно они сформировали для фрекинга негативный имидж.

ДУТЫЕ НЕДРА

Среди рисков новой технологии добычи, которые трудно нивелировать, — сейсмический. Гидроразрыв сланцевых пластов предполагает разрушение целостности недр, что неизбежно приводит к слабым землетрясениям. Магнитуда подземных толчков, которые фиксировались в последнее время, чрезвычайно мала: они едва регистрируются сейсмометрами. Однако невозможно полностью игнорировать опасность того, что за масштабным «растрескиванием» подземных пластов рано или поздно могут последовать и какие-либо разрушительные явления на поверхности. Вопрос этот сложный, и точку в споре ставить рано. В некоторых странах именно отсутствие ответа на него сдерживает начало сланцевых разработок — например, в Великобритании, где мораторий на применение соответствующих технологий истекает лишь в следующем году.

Несмотря на массу неясностей, западные эксперты настроены оптимистично по отношению к сланцевой нефти и умеренно оптимистично к сланцевому газу. Первая, согласно их прогнозам, в ближайшее десятилетие окажет неизбежное влияние на мировой рынок, и споры идут лишь вокруг того, собьют ли сланцы цену сильно или очень сильно. Сланцевый газ составит от трети до половины добычи в США, займет заметное место в Китае и, возможно, распространится на Европу, где тоже его найдено немало.

Пессимистами остаются главным образом государства, владеющие значительными запасами классических углеводородов — Россия и Саудовская Аравия. Мнение экспертов здесь можно свести к следующему: сланцевый рынок «дутый», для поддержания роста добычи существующими темпами необходим постоянный ввод значительного числа новых дорогостоящих скважин, так что пик сланцевой добычи в США будет пройден уже до конца десятилетия и в отдаленной перспективе влияния на мировой рынок не окажет. Сюда же следует отнести и граничащее с конспирологией мнение, что сланцевый газ в США сильно и разнообразно — от прямых субсидий до налоговых льгот — субсидируется государством, за счет чего и подешевел до рекордных отметок. Подтверждение найти трудно, но идея не лишена здравого смысла: природный газ сегодня — политическое оружие, позволяющее России влиять, в частности, на Украину и европейских партнеров. А те в ближайшие пару лет уже готовятся принять сжиженный сланцевый газ из США.

К счастью, даже без грязных политических игр в сланцевой индустрии есть на что посмотреть. Согласно самым свежим официальным данным, добыча сланцевых нефти и газа в США не просто увеличивается с рекордной скоростью, но и, что особенно важно, растет прежде всего благодаря увеличению эффективности бурения и повышенной производительности вводимых в строй новых скважин. Иначе говоря, мы наблюдаем не экстенсивный (путем наращивания количества скважин), а качественный прогресс. И это дает надежду, что мировая сланцевая революция все-таки состоится. А уж выиграем от нее лично мы или проиграем — тема для отдельного разговора.

(с) Евгений Золотов