Сланцевые горизонты

Кирилл Дегтярёв
Александр Соловьёв, доктор физико-математических наук
Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №9, 2015

Несмотря на бурное развитие альтернативной энергетики, сжигание углеводородов пока остаётся наиболее эффективным способом получения энергии. Но тем месторождениям нефти и газа, которые активно эксплуатируются сейчас, рано или поздно грозит истощение, а новые нередко находятся в труднодоступных местах, например за полярным кругом. В поисках источников сырья энергетики обратили внимание на сланцевый газ. Если два десятка лет назад сланцевый газ, угольный метан и метановые гидраты всерьёз не рассматривали и даже относили к альтернативным источникам энергии, то сейчас говорят о сланцевой революции. Впрочем, говорят и о сланцевой афере, и о сланцевой экологической катастрофе. Займёт ли сланцевый газ в ближайшее время заметное место в мировой энергетике или же останется резервом на будущее?

Башня для бурения горизонтальных скважин на месторождении сланцевого газа Марцеллус в Пенсильвании (США). Фото: Ruhrfisch/Wikimedia Commons/GFDL

Сланцевый газ — лишь одна из составляющих довольно обширного набора ископаемых углеводородных ресурсов, объединяемых понятием неконвенциональные углеводороды либо нетрадиционные углеводороды. К ним относятся сланцевая нефть, газ угольных месторождений (метан), битуминозные нефтяные пески, горючие сланцы, газогидраты. Провести чёткую границу между «обычными» (конвенциональными — от лат. conventionalis — «соответствующий договору, согласованный») углеводородами и неконвенциональными трудно, если вообще возможно.

Под «необычными» углеводородами понимают, прежде всего, нефть, газ и уголь, залегающие в относительно сложных для добычи условиях и соответственно требующие сложных и дорогих технологий извлечения. Так, большая часть добываемого в настоящее время природного газа залегает в крупных пустотах и трещинах пористых горных пород — песчаников, известняков, доломитов, или в газовых шапках над нефтяными месторождениями, либо в растворённом виде в нефти. Сланцевый газ — такой же природный газ, но залегает в мелких трещинах и порах сланцевых пород. В этих породах концентрация газа в единице объёма ниже. То же можно сказать и о сланцевой нефти относительно «обычной».

Условия залегания и добычи обычного газа и неконвенционального. Типы природного газа: обычный (A), сланцевый (Б), из жёсткого песка (В), угольный метан (Г). Рисунок: US Energy Information Administration/Wikimedia Commons/Общественное достояние

Мера неконвенциональности зависит от условий добычи и уровня её технологического развития на данном этапе. Поэтому в разные периоды времени одни и те же углеводороды могут оказаться в числе конвенциональных и неконвенциональных.

В названиях тех или иных неконвенциональных углеводородов тоже возможна путаница. Так, длительное время сланцевым газом и сланцевой (керогеновой) нефтью называли продукты перегонки горючих сланцев — осадочных пород карбонатно-глинистого (мергелистого), глинистого или кремнистого состава, содержащих от 10–15 до 60–80% органического вещества (керогена). В последнее время под сланцевым газом и сланцевой нефтью чаще понимают лёгкие фракции углеводородов (по сути, обычные газ и нефть), содержащиеся в сланцевых породах. Сланцы же как таковые рассматриваются как отдельный тип энергоносителя.

Нетрадиционные запасы

Мировые запасы неконвенциональных углеводородов сопоставимы с ресурсами традиционного углеводородного сырья или даже превосходят их.

Потенциально извлекаемые ресурсы сланцевого газа в мире оцениваются в 330 трлн м³.

Мировые (прогнозные извлекаемые запасы) неконвенциональной нефти — около 450 млрд т.

Наибольшие запасы нефти битуминозных песков находятся в Канаде (230–340 млрд т) и Венесуэле — более 160 млрд т. Кроме того, месторождения битуминозных песков обнаружены в Казахстане и России. То есть речь идёт о величинах в сотни триллионов кубометров газа и десятки сотен миллиардов тонн нефти.

Доля сланцевого газа в общем объёме добычи в США, Канаде и Китае в 2012 году. Рисунок: EIA

Для сравнения: мировые традиционные запасы газа составляют 460 трлн м³, нефти — около 370 млрд т. При нынешних темпах добычи разведанных запасов конвенционального газа хватит на 60–120 лет (в зависимости от того, считать ли все нынешние технически извлекаемые запасы или все потенциально извлекаемые), конвенциональной нефти — на 40–90 лет. Если же учесть неконвенциональные углеводороды, эти сроки увеличиваются примерно вдвое — до 100–200 лет.

Неконвенциональные нефть и газ рассматриваются как экологически более чистые заместители угля. Именно этот аргумент обычно приводится в защиту сланцевого газа в ответ на возражения защитников природы. (На сегодняшний день добыча сланцевого газа сопряжена с тяжёлыми негативными экологическими последствиями. — Прим. ред.)

Распределение доказанных,
технически извлекаемых запасов
сланцевого газа по странам (2013 г.)

Все извлекаемые запасы каменного угля оценены в 18 трлн т, тогда как мировая добыча в 2013 году составила 7,8 млрд т. Таким образом, неконвенциональные углеводороды теоретически способны заместить уголь также в течение нескольких десятков лет. И это без учёта ещё одного неконвенционального углеводорода — метана (газа) угольных пластов, мировые запасы которого оцениваются в 260 трлн м³, что также сопоставимо с запасами обычного газа.

Общие потенциальные ресурсы горючих сланцев в мире оценены примерно в 450 трлн т.

Однако наиболее масштабны мировые запасы газогидратов — по некоторым оценкам, 1,5×1016 м³ (15 000 трлн м³), что на несколько порядков больше прогнозных ресурсов обычного природного газа. В то же время данный вид сырья наиболее труднодоступен. Около 97% его приходится на морские акватории, остальное — на зоны вечной мерзлоты.

Из приведённых данных видно, что углеводородного сырья хватит ещё на столетия, если не на тысячелетия, даже при росте объёмов потребления.

Давно забытое старое

Использование неконвенциональных углеводородов имеет давнюю историю, точно так же как и использование возобновляемых источников энергии. В частности, давно разрабатывались горючие сланцы. Но высокая стоимость производства энергоносителей из этих источников и открытие больших месторождений сравнительно легко извлекаемых нефти, газа, каменного угля в XX веке обусловили потерю к ним интереса. Однако рост цен на энергетическое сырьё и некоторые геополитические факторы в начале XXI века вновь пробудили к ним интерес, и прежде всего к сланцевому газу.

Около 80% всех доказанных запасов технически извлекаемого газа приходится на 10 стран. Это более или менее развитые страны со сравнительно высоким уровнем разведанности запасов минеральных ресурсов.

Основная часть добычи сланцевого газа сосредоточена в США, — именно они дали повод говорить о «сланцевой революции», начало которой относят к началу 2000-х годов. Если в 2000 году на сланцевый газ приходился 1% всей добычи газа в США, то к 2012 году на него в общем объёме добычи природного газа в США приходилось 39%. Благодаря этому Соединённые Штаты впервые обогнали Россию по объёмам добычи природного газа и вышли на первое место в мире. А в 2013 году доля сланцевого газа была даже несколько больше доли конвенционального газа в общем объёме добычи.

Месторождения сланцевого газа на территории США. Рисунок: EIA

Наряду с США заметную долю в общей добыче метана сланцевый газ имеет в Канаде (15%). Кроме того, в небольших объёмах он с недавних пор добывается в Китае. В остальных странах мира работа пока находится на стадии исследований либо экспериментальной добычи.

То, что сланцевый бум произошёл именно в США и почти не распространился на другие страны, связано не только с технологическим превосходством Соединённых Штатов. Сланцевый газ залегает там на больших площадях и на сравнительно небольшой глубине. Дополнительным мощным стимулом собственных разработок стало снижение зависимости от внешних поставок (США — крупнейший в мире импортёр углеводородного сырья).

Общие доказанные запасы сланцевой нефти в мире оцениваются в 47 млрд т, из них около 80% приходится на 10 стран, список которых большей частью совпадает с таковым для сланцевого газа, что неудивительно, учитывая одинаковую геологическую привязку сланцевых газа и нефти к сланцевым породам.

По состоянию на 2011 год сланцевой нефти в мире добывалось около 40 млн т в год. Это примерно 1% общего объёма добычи нефти. В 2013 году объём вырос до ~ 100 млн т в год. Основная добыча (более 90%), как и в случае со сланцевым газом, ведётся в США.

Объём добычи конвенционального и неконвенционального газа и нефти в 2007–2013 годах в США

Аналитический центр Департамента энергетики США EIA (Energy Information Administration) прогнозирует, что к 2030 году добыча сланцевой нефти достигнет 350 млн т в год, или 9% общего объёма добычи нефти.

Другой неконвенциональный углеводород — угольный, или шахтный, метан. Общий объём прогнозных ресурсов метана в угольных пластах — 260 млрд тонн, при этом разброс в оценках для некоторых стран очень велик. По объёмам добычи и здесь лидируют США, которые добывают около 60 млрд м³ в год, или 10% всего добываемого газа. (Таким образом, в США на неконвенциональный газ приходится уже около 50% добычи.) Канада добывает около 9 млрд м³ угольного метана, Австралия — около 6 млрд м³, Китай — около 5 млрд м³.

В России возможность использования угольного метана начали активно изучать в 1960-е годы. С 2001 года ведётся добыча метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна в Кемеровской области. В 2010 году на Талдинском месторождении начаты опытная эксплуатация семи разведочных скважин и освоение новой площадки в Новокузнецком районе — Нарыкско-Осташкинское месторождение, где пробурено шесть разведочных скважин. Учитывая объём запасов метана угольных пластов в России, о нём иногда говорят как о «нашем ответе сланцевому газу» США.

Месторождения нефтяных (битуминозных) песков в Канаде. Рисунок: oilsandsfactcheck.org

Основные из известных месторождений битуминозных (нефтеносных) песков расположены в Канаде (230–340 млрд т) и Венесуэле (более 160 млрд т). Кроме того, месторождения битуминозных песков обнаружены в Казахстане и России. В общей сложности запасы составляют около 400 млрд т.

Центр мировой добычи нефти из битуминозных песков — провинция Альберта в Канаде. К 2014 году общий объём добычи нефти в этой стране достиг 220 млн т в год, из которых около половины приходится на нефть битуминозных песков.

Из 450 трлн т мировых запасов горючих сланцев около 430 трлн т (90%) сосредоточены опять же в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг). Также имеются крупные месторождения в Бразилии, Китае, ряде европейских стран.

Объёмы добычи горючих сланцев в мире сравнительно невелики — порядка нескольких десятков миллионов тонн. В своё время лидером в этой области был СССР. Значительная часть добычи приходилась на Эстонскую ССР. Более того, в 1948 году из Кохтла-Ярве в Ленинград пошёл сланцевый газ (в данном случае — продукт переработки горючих сланцев) по газопроводу. Однако после открытия большого количества нефтегазовых месторождений добыча сланцевой породы с последующей перегонкой стала сравнительно неэффективной.

В настоящее время перспективы разработки горючих сланцев в мире связывают с развитием технологий извлечения нефти и газа непосредственно из пласта.

Динамика общей добычи нефти в Канаде (включая нефть битуминозных песков) — чёрная кривая и конвенциональной нефти — красная кривая. Рисунок: oilsandsfactcheck.org

Технологические загвоздки и экологические риски

Ключевой элемент технологии добычи сланцевой нефти и газа — бурение горизонтальных скважин и применение гидроразрыва пласта (ГРП). Метод заключается в создании на забое скважины высоких давлений, благодаря чему нарушается скелет породы, образуются трещины и в результате кардинально увеличивается отдача пластов. Давление создаётся путём закачки жидкости разрыва (геля, воды, кислоты).

Технология гидроразрыва пласта активно применяется с середины XX века: в США — с 1948 года, в СССР — с 1952-го. Однако в нашей стране с открытием крупных нефтегазовых месторождений отпала необходимость искусственно увеличивать дебит скважин и метод в больших масштабах не применялся. Практика использования гидроразрыва пласта в СССР возродилась с конца 1980-х годов для увеличения добычи в связи с выработкой многих месторождений.

Технологии добычи неконвенциональных углеводородов (прежде всего, сланцевого газа) вызывают ряд серьёзных претензий экологического характера. Во-первых, для этих технологий требуется большое количество воды. Во-вторых, гидроразрывы пластов могут приводить к загрязнению подземных вод нефтью и жидкостью разрыва и к химическому загрязнению территории в целом. Кроме того, они могут вызывать сейсмические явления. В целом же в результате разработки сланцевого газа и нефти, а также битуминозных песков в месте добычи возможны полная деградация ландшафта и катастрофические последствия для окружающей среды и здоровья людей.

Добыча сланцевого газа и нефти из пласта

Но у сторонников добычи сланцевого газа свои аргументы. Экологический вред добычи сланцевого газа они сравнивают с таковым при добыче каменного угля, которая оказывает как минимум не менее серьёзное воздействие на окружающую среду и даёт больше вредных выбросов при сжигании этого полезного ископаемого, в том числе парниковых газов в процессе использования. Также они обращают внимание на то, что сланцевый газ в США добывают уже давно и в больших объёмах и экологической катастрофы пока нет. Кроме того, гидроразрыв породы используется и при разработках месторождений конвенциональных углеводородов. Правда, следует заметить, в большинстве случаев эти разработки ведутся в сравнительно малонаселённой местности.

Не менее, если не более, важны экономические причины торможения добычи неконвенциональных углеводородов. В силу технологических сложностей стоимость их добычи в несколько раз выше, чем конвенциональных углеводородов. В частности, для сланцевого газа и сланцевой нефти сложности связаны с бурением горизонтальных скважин и частым применением гидроразрыва пласта, быстрым снижением дебита скважин (на 30–40% в год, так что каждые 2–4 года приходится бурить новую скважину), большим водопотреблением.

Средняя себестоимость производства сланцевого газа в точке добычи оценивается в $200 за 1000 м³. Для сравнения: средняя себестоимость газа на конвенциональных месторождениях России, включая транспортные расходы, составляет $46 за 1000 м³, то есть в 4–5 раз ниже. Сходные соотношения для конвенциональной и сланцевой нефти. В первом случае себестоимость добычи составляет максимум $20 за баррель (месторождения Западной Сибири), во втором — более $70 за баррель.

Разработка неконвенциональных месторождений выгодна в период высоких и растущих цен на нефть и газ. В США рост объёмов добычи сланцевого газа привёл к снижению цен на него для потребителей в местах добычи с $400 до $120 за 1000 м³. Увеличение объёмов добычи и сланцевого газа и сланцевой нефти пришлось на 2000-е годы, когда цены на нефть росли и превышали $70–80 и даже $100 за баррель. Начиная с 2013–2014 годов стоимость нефти упала ниже критических для неконвенциональных углеводородов отметок $60–70 за баррель. И сразу появились сообщения о сокращениях их разработок: добыча стала убыточной.

Трудная дорога наверх

На данный момент о масштабной разработке месторождений неконвенциональных углеводородов можно говорить лишь применительно к двум странам и трём видам сырья: сланцевому газу, сланцевой нефти и газу угольных пластов в США и битуминозным пескам в Канаде. Как уже указывалось, «сланцевая революция» в США и рост добычи нефти из битуминозных песков в Канаде были связаны в числе прочего с ростом цен на энергоносители практически в десять раз и более с 2000 по 2008 год. При этом в общемировом объёме добычи углеводородов доля сырья с неконвенциональными условиями залегания не превысила нескольких процентов. Снижение цен обозначилось в конце 2008 — начале 2009 года. Оно было резким, но сравнительно кратковременным, а уже с 2013–2014 годов тенденция к снижению стала устойчивой, что изменило к худшему ситуацию и перспективы дальнейшего роста добычи сланцевого газа, сланцевой нефти и битуминозных песков. Более того, первое снижение темпов роста добычи сланцевого газа в США зафиксировано в 2011 году. По прогнозам EIA, в ближайшие десятилетия прирост добычи сланцевого газа продолжится, но менее высокими темпами, в то время как добыча конвенционального газа будет снижаться (его запасы в США уже не столь велики); в итоге в целом добыча газа стабилизируется. Что касается более отдалённого будущего, скорее всего, следует ожидать продолжения исследований и разработок месторождений неконвенциональных углеводородов, но в более спокойном режиме, с использованием «нишевой» стратегии. В регионах, где разработка неконвенционального топлива окажется экономически выгодной (в частности, из-за отсутствия транспортных издержек), у неё есть будущее. С этой точки зрения неконвенциональные углеводороды имеют много общего с возобновляемыми источниками энергии. Например, геотермальная энергетика имеет будущее на Камчатке или Кавказе, солнечная — во внутриконтинентальных солнечных регионах и так далее, но о «фронтальном наступлении» возобновляемых источников энергии говорить как минимум преждевременно. Подобное можно сказать и о неконвенциональных углеводородах.

Многое также зависит от технического прогресса — насколько он позволит снизить издержки освоения и обеспечить комплексное использование сырья. В любом случае неконвенциональные углеводороды остаются мощным энергетическим резервом, позволяющим спокойнее и увереннее смотреть в завтрашний день.