Хронология основных событий, знаменующих изучение и освоение НИУ

Тема 1. Сущность НИУ

Начнем с уточнения сути нетрадиционных источников углеводородов, масштабах и площадном размещении их скоплений, а также возможности освоения отдельными государствами.

Нужно сказать несколько слов об основах и эволюции энергетики. Первоначально это был уголь, потом нефть и газ, а затем появился их недостаток. Сейчас человечество стоит на пороге решения новой энергетической проблемы - целесообразности приступить к освоению той группы УВ, которую принято называть нетрадиционной.

В данном разделе будет рассмотрено несколько частных вопросов. Суть тех пород, которые могут вмещать сланцевый или другой газ, а также само это понятие. Тем более что в этой области существует не только большое разнообразие терминов, но и разнобой или даже терминологическая путаница. Необходимость собрать разного рода литературные источники по нетрадиционным углеводородам, которые существовали и ранее, но резко возросли в последние годы. Общая схема площадного размещения таких УВ с выявлением тех стран, которые заинтересованы в их изучении и разработке.

Термин и понятие «сланцевый газ» (СГ) имеет двусмысленность, поскольку свыше 200 лет «СГ» и «сланцевой нефтью (маслом)» назывались продукты перегонки горючих сланцев. Учитывая высокую энергоемкость получения из них синтетического горючего газа и нерентабельность его производства в значительных масштабах при современном уровне газовой добычи, важно подчеркнуть, что в данном случае речь будет идти об определенном типе природного УВ газа, который будет извлекаться из недр.

В отличие от традиционных и хорошо изученных скоплений обычного природного газа в форме залежей, образующих в коллекторе или резервуаре сплошную массу, СГ, наряду с центральнобассейновым газом и угольным метаном, относится к дисперсным или рассеянным газам горных пород. Газовая фаза приурочена к закрытым порам (кавернам, трещинам) и взаимосвязана с газом, сорбированным минеральным и органическим веществом. Таким образом, речь идет о сложной системе, общая газовая емкость которой намного больше, чем общая пористость. В отличие от центральнобассейнового газа, связанного преимущественно с терригенными обломочными породами (песчаники, алевролиты) или трещиноватыми известняками, СГ приурочены к малопроницаемым пелитоморфным, существенно, глинистым породам.

Вещественный состав сланцевых пород, которые могут содержать горючие газы в связанном состоянии, достаточно разнообразен. Кроме обычных пористых и трещиноватых пород, содержащих нефть и газ в свободном состоянии, выделяется большая группа преимущественно глинистых пород, получивших название сланцев. Это общее название для метаморфических пород наиболее слабых степеней метаморфизма, которые формируются в условиях эпизоны или фации зеленых сланцев. Главными особенностями сланцев являются мелкозернистость, сланцеватость, наличие реликтовых структур. В зависимости от химико-минералогического состава глинистых пород выделяют сланцы аспидные, хлоритовые, серицитовые, кремнистые, углистые и многие другие.

Здесь будут упомянуты или даже кратко охарактеризованы сланцы, содержащие органическое вещество и углеводороды, в частности. Среди таких пород нужно назвать углистые, битуминозные, менилитовые и другие; иногда выделяются горючие сланцы или сланцевые породы, содержащие горючие газы и другое органическое вещество - битумы, кероген, кукерсит, озокерит, парафин, сапропель. Говорят также о газах угольных месторождений, газоконденсатах, черных сланцах и других скоплениях органического вещества в недрах земной коры. Попробуем разобраться в основных из этих понятий.

Начнем с уточнения понятия «сланцеватость», которая лежит в основе термина сланцы. Сланеватостью называют свойство горных пород, подвергшихся давлению, раскалываться на плитки по поверхностям, обычно перпендикулярным направлению давления. Она трактуется также как рассланцевание (листоватость) пород, которая является одной из разновидностей кливажа. Плоскости делимости в сланцах располагаются параллельно таблитчатым, чешуйчатым и вытянутым минералам. По происхождению различают первичную и вторичную сланцеватость горных пород. Первичная сланцеватость возникает в породах одновременно с процессом осадконакопления или диагенеза, а вторичная - уже при метаморфизме, динамическом воздействии на скопившиеся отложения.

Сланцеватость нужно отличать от трещиноватости. Таким термином называют повсеместную рассеченность горных пород трещинами. Развиты такие трещины во всех разновидностях обломочных и хемогенных осадочных породах, а также в магматических и метаморфических породах. Очень выразительной является фотография на рис. 1, показывающая трещиноватость в обломочных горных породах и сланцеватость в глинистых породах, которые мы можем наблюдать в одном и том же обнажении.

Рис. 1. Трещиноватость и сланцеватость в горных породах

Органическое вещество в горных породах делят на две основные группы - углистое вещество, образовавшееся при накоплении растительной органики преимущественно в континентальных условиях; содержание органи­ческого вещества углерода может быть здесь различным в углистых сланцах, торфе, буром и каменном угле, антра­ците. И битумы - обобщенное название бескислородных углеводородов, в состав которого входит нефть, нефтяные газы, озокерит, асфальт. Так образуются битуминозные сланцы и много других их разновидностей. Хотя метан практически повсеместно может содержаться в шахтных газах угольных бассейнов.

Горючими сланцами называют осадочную породу глинистого, известкового или кремнистого состава, содержащую органическое вещество (кероген) в количестве от 10-15 до 60-80%. Такие сланцы обладают способностью в тонкой пластинке загораться от спички. Горючая часть сланцев сапропелевая или гумусово-сапропелевая. Органическое вещество равномерно распределено в породе, имеющей обычно глинистый состав. При нагревании горючих сланцев без доступа воздуха до 5000 С или с доступом воздуха до 10000 С органическое вещество разлагается с выделением нефтеподобной смолы (сланцевое масло), сухих горючих газов и подсмольной воды. Выход смолы из сланцев, бедных керогеном, составляет 5-10 % от массы сухой породы, а из наиболее богатых разностей - до 30-50 %.

Природа органического вещества горючих сланцев не всегда ясна. Остатки высших растений присутствуют почти во всех горючих сланцах, образуя их гумусовую со- ставляюшую. Из каустобиолитов к лучшим таким сланцам ближе всего угли типа богхеда, а к низкокачественным - глины, мергели, известняки и диатомиты с содержанием до 10-15 % сапропелевого органического вещества. Накопление исходного растительного и животного планктона происходило в основном либо в условиях неглубоких прибрежных частей морских бассейнов с нормальным солевым и газовым режимом вод, либо в озерных условиях. Сланцевые газы известны в отложениях разного возраста - от кембрия до неогена.

Наши геологические словари (ГС, 1973 и др.) подчеркивают, что в СССР горючие сланцы распространены на больших площадях в Прибалтике, Белоруссии, Украине, Поволжье, Узбекистане, Якутии и др. Страна занимала тогда по их добыче и переработке первое место в мире и очень гордилась этим. Большая их часть потреблялась тепловыми электростанциями, шла на выработку высококалорийного газа, моторного топлива, смазочных масел. Упоминалось, что за рубежом горючие сланцы известны в Швеции, Шотландии, США, Канаде, Австралии и других странах.

Некоторое разъяснение требует достаточно широко распространенное название «черные сланцы», используемое в англоязычной геологической литературе. Термин этот считают не вполне удачным, так как он подразумевает различные осадочные, метаморфические и метасоматические образования, обогащенные сингенетичным органическим веществом. Все это требует выделения разных типов черных сланцев. Определенный парадокс, как отмечает А.Е. Лукин, возникает в связи с тем, что к таким сланцам должны быть отнесены породы, не всегда имеющие темную окраску, а также не только глинистые породы. В частности, как синоним или разновидность черных сланцев используется термин «доманикит», представленный чередованием темных битуминозных горючих сланцев, кремнистых сланцев и битуминозных известняков.

Обязательно нужно остановиться и на менилитовых сланцах, широко распространенных в олигоценовых отложениях Карпат - Украине, Польше, Румынии, Чехословакии. Это осадочная порода, слоистая, сланцеватая, темно-коричневая, почти черная, глинистая. Названа она по породообразующему минералу - менилиту из группы опалов. Содержание органического вещества (керогена) составляет в ней 20-30 %. Разности, наиболее богатые ке- рогеном, рассматриваются как низкокачественные горючие сланцы, которые могут представлять некоторый промышленный интерес при комплексном использовании органической части и остающегося при этом минерального вещества.

Теперь о площадном размещении пород, содержащих нетрадиционные углеводороды. Нефтегазоносные провинции подробно охарактеризованы в многочисленных монографиях и учебниках (Высоцкий и др., 1990; Маевский и др., 2002 и др.). Данные об угленосных толщах, площадях и бассейнах, которые могут содержать шахтные газы, также достаточно многочисленны. А детальных систематизированных сведений о площадном размещении тех отложений, которые могут вмещать сланцевые газы, почти нет или очень мало. Частично это потому, что широкий интерес к сланцевому газу возник лишь недавно.

Страной с наиболее обширными и детально изученными скоплениями сланцевого газа являются США. Это же частично относится к соседней Канаде. В европейских странах значительные скопления сланцев с УВ обнаружены в Польше, Венгрии, Швеции, Испании, Англии, Украине, где начался «газосланцевый бум». Из других стран и регионов называют также Китай и Австралию.

Хронология основных событий, знаменующих изучение и освоение НИУ

1694 год. Правительством Англии был выдан первый патент на получение из черных (горючих) сланцев путем сухой перегонки масла, смолы и дегтя.

1778 год. Джон Пристли впервые получил гидрат газа в процессе барбокаротажа SO2 через воду при атмосферном давлении и температуре, близкой к 00С. Через 33 года аналогичным образом гидрат хлора получил Гемфри Деви, первым назвав эти кристаллы гидратом.

1821 год. В сланцевых отложениях были выявлены пористые породы с большим содержанием органики, необходимой для образования нефти и газа. Первая коммерческая газовая скважина в сланцевых породах была пробурена тогда в США Вильямом Хартом, которого в той стране считают «отцом природного газа». С началом активного промышленного освоения нефти, а затем и газа из обычных нефтегазовых месторождений, интерес к сланцевому газу был практически потерян. О нем вспомнили лишь в 1980-е гг.

1866 год. Французским химиком М. Бертло были высказаны взгляды, что углеводороды образовались в глубоких недрах Земли из минеральных веществ, послужившие позднее развитию представлений о неорганическом их происхождении.

1877 год. Д.И. Менделеевым была сформулирована первая научная гипотеза происхождения нефти и газа; она получила название карбидной, так как предполагала образование углеводородов за счет реакции подземных вод с углеродом, имеющимся в карбидах металлов.

1887 год. Д.И. Менделеев, изучая технологию добычи угля и данные о пожарах в шахтах Донбасса и Урала, пришел к выводу о возможности газификации угля на месте его залегания путем сжигания угля под землей и выведения посредством скважин продуктов сжигания на поверхность в виде газов для дальнейшего использования.

1934 год. Е. Гаммершмидт опубликовал результаты обследования газопроводов США, работа которых усложнялась формированием пробок в зимнее время. Базируясь на лабораторных исследованиях, он показал, что твердые пробки состоят не изо льда, а из гидрата транспортируемого газа. Это содействовало резкому росту интереса к газогидратам. В.И. Вернадский (1934) впервые в мировой науке разработал основы биогеохимии нефти. Он показал, что соединения углерода, принимающие участие в строении каустобиолитов и в том числе нефти, представляют собой неразрывную часть геохимической системы круговорота углерода в земной коре, в которой живому веществу биосферы принадлежит основная роль.

1943 год. Первое допущение о существовании газо- гидратных скоплений в районах вечной мерзлоты Канады сделал проф. Мичиганского университета Д. Катц. В 1946 г. аналогичное допущение высказал проф. И.Н. Стрижов. Через 17 лет Ю.Ф. Макогон после визита в Якутию, где в 1963 г. была пробурена Мархинская скважина, раскрывшая разрез пород с температурой 00С на глубине 1450 м, также высказал гипотезу о существовании газогидратных скоплений в охлажденных пластах.

1947 год. В США был произведен первый гидроразрыв. В СССР гидроразрывы пластов стали использоваться с 1952 на месторождениях Волго-Уральского региона, Северного Кавказа, Азербайджана и Туркменистана. В Украине для добычи полезных ископаемых начал применяться гидроразрыв в 1957.

1948 год. По первому газопроводу Кохтла-Ярве (Эстония) - Ленинград начал поступать сланцевый газ, извлекаемый из кукерситов.

1953 год. Академиком С.А. Христиановичем совместно с Ю.П. Желтовым в Институте нефти АН СССР была разработана теоретическая база технологии гидроразрыва.

1965-1966 годы. Ю.Ф. Макогон, проведя первые экспериментальные изучения условий образования гидратов природного газа в пористой среде в МИНХиГП им. И.М. Губкина, опубликовал эти материалы. Полученные результаты показали возможность образования гидратов в пористой среде земных недр, что было признано открытием.

1968-83 годы. Буровым судном «Гломар Челленджер» проводилось исследование дна Мирового океана, которое имело особое значение для нефтяного геологического изучения его дна. За это время было пробурено 514 глубоководных скважин; с 1974 г. в таких исследованиях принимали участие ученые СССР.

1969 год. Выявленное первое газогидратное месторождение Мессояха в Заполярье (Западная Сибирь) введено в промышленную разработку; первая перспективная добыча здесь начата в 1964 г.

1970 год. В Государственный реестр открытий СССР было внесено открытие «Свойство природных газов находиться в твердом состоянии в земной коре» под № 75 с приоритетом от 1961 г., сделанное советскими учеными В.Г. Васильевым, Ю.Ф. Макогоном, Ф.Г. Требиным, Н.В. Черским, А.А. Трофимуком; это стало толчком для геологических исследований.

1970-е годы. В СССР начато активное изучение газов угольных месторождений; появился ряд крупных сводок по этой проблеме.

1972 год. Сотрудниками ВНИИГАЗа А. Г. Ефремовой и Б.П. Жижченко при донном пробоотборе в глубоководной части Черного моря визуально наблюдались в кавернах извлеченного со дна грунта вкрапленники гидратов, похожие на иней. В 1980 г. А.Г. Ефремова, работая в экспедиции по донному пробоотбору в Каспийском море, также впервые в мире установила гидратоносность южной части этой акватории.

1975 год. Глубоким бурением, проведенным судном «Гломар Челленджер», установлена высокая перспективность акватории Черного моря для поисков газогидратов.

1981 год. В пределах ареала развития газоносности черных сланцев в Пермской впадине США была пробурена скважина глубиной до 750 м, которая знаменовала начало принципиально нового этапа работ по освоению ресурсов сланцевого газа.

1984 год. Е.В. Захаровым и С.Г. Юдиным была проведена важная работа по перспективам поиска гидратосодержащих отложений в Охотском море; после этого появилась серия работ об обнаружении в данной акватории гидратосодержащих отложений при сейсмопрофилировании, донном пробоотборе и даже визуальном наблюдении.

1992 год. С этого времени начала использоваться технология сочетания вертикального и горизонтального бурения, применяемая при разработке сланцевого газа.

1993 год. Кабинет Министров Украины принял постановление о поисках газогидратов в Черном море и «создании эффективной технологии их добычи и переработки».

2001 год. В России начато проведение работ по широкомасштабной добыче метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна в Кемеровской области; в 2009 г. на Талдинском месторождении, которое официально осваивается как метаноугольное, начата опытная эксплуатация семи разведочных скважин.

2008 год. Произошел технологический прыжок - добыча газа из сланцев вышла на промышленный уровень, а США заняли первое место в мире по добыче газа, перегнав Россию. В 2009 г. сланцевый газ составил в США 14%, а газ угольных месторождений 26% от общего объема газовой добычи. Это позволило говорить о своеобразной «сланцевой революции».

2010 год. 31 марта в Российском государственном университете им. И.М. Губкина прошел однодневный международный семинар «Добыча метана из угольных отложений. Проблемы и перспективы».

Комитет Госдумы РФ по энергетике 25.03.2010 провел круглый стол на тему «Перспективы освоения ресурсов сланцевого газа»; участники этого совещания рекомендовали правительству провести оценку газосланцевого потенциала России, изучить передовые технологии его добычи и оценить возможность и перспективы освоения его в стране.

В августе 2010 в Киевском институте проблем управления имени Горшенина состоялся круглый стол «Перспективы добычи сланцевого газа в Украине».

В конце октября 2010 подписан Меморандум между правительством Украины, НАК «Нафтогаз Украины» и Министерством энергетики РФ, группой компаний «ТНК- ВР» по разведке и добыче сланцевого газа в Донецком регионе. Проект рассчитан на 25 лет; через пять-семь лет «ТНК-ВР» планировал выйти на объем добычи в 5 млрд. кубометров газа.

2 декабря в рамках Форума «Нефтегазовый диалог» ИМЭМО РАН проведен семинар «Революция сланцевого газа: риски и возможности для России».