Газосодержащие сланцы как один из видов нетрадиционных ресурсов природного газа низкопроницаемых формаций Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.279

В.А. Кузьминов, С.А. Леонов, Е.В. Перлова, Л.С. Салина

Газосодержащие сланцы как один из видов нетрадиционных ресурсов природного газа низкопроницаемых формаций

Ключевые слова:

природный газ, нетрадиционные источники газа, сланцевый газ, низкопроницаемые формации.

Keywords:

natural gas, unconventional gas, shale gas, low-permeability formations.

В XXI в. природному газу, как экологически наиболее чистому энергоносителю, отводится главенствующая роль в обеспечении мирового экономического развития. Неравномерное распределение традиционных ресурсов газа приводит к тому, что многие страны, испытывая их дефицит, пытаются восполнить его за счет импорта, оказываясь при этом в зависимости от стран-поставщиков. Подобное положение таит скрытую угрозу экономической безопасности, поэтому ее пытаются преодолеть разными способами:

• диверсифицируя поставки газа путем увеличения количества экспортеров, в том числе за счет развития альтернативных трубопроводному способов его транспортировки (в сжиженном, сжатом и гидратном состоянии);

• разрабатывая и внедряя энергосберегающие технологии;

• развивая технологии получения энергии из ее возобновляемых источников (ветер, вода, солнце и пр.);

• разрабатывая и совершенствуя технологии использования собственных невозобновляемых источников энергии (уран, уголь, нефть, газ).

Развитие последнего направления в ряде стран (США, Канада, Австралия) достигло значительных успехов, особенно заметных в области освоения нетрадиционных газовых ресурсов. К настоящему времени технологически доступна пока лишь та их часть, которая представлена газом плотных коллекторов, угольных и сланцевых толщ. По данным U.S. Energy Information Administration (EIA) (2011), общемировой объем добываемого из этих толщ газа в 2010 г. составил 490 млрд м3, или около 15 % всей мировой добычи газа. Большая часть нетрадиционного газа (около 420 млрд м3), в том числе практически весь сланцевый газ, добывается в США. На остальные страны приходится всего 70 млрд м3, из которых 10 млрд м3 добыто из угольных пластов и 60 млрд м3 - из плотных коллекторов.

Совокупный объем геологических ресурсов рассматриваемой части нетрадиционных источников газа по разным оценкам сопоставим с начальными суммарными ресурсами традиционных (рис. 1).

а

Традиционные ресурсы:

■ накопленная добыча

■ доказаные запасы

■ неоткрытые ресурсы

Нерадиционные ресурсы: газ плотных коллекторов

■ угольный газ

■ сланцевый газ

Рис. 1. Соотношение традиционных и нетрадиционных промышленно осваиваемых ресурсов газа

в мире (а) и в России (б)

№ 5 (16) / 2013

Проблемы ресурсного обеспечения газодобывающих районов России до 2030 г.

213

В течение последнего десятилетия в США благодаря начатым еще в начале 1970-х гг. научным исследованиям наблюдался стремительный рост добычи газа из рассматриваемой группы нетрадиционных ресурсов (рис. 2). В 2012 г. в США объем добываемого из них газа составил 472 млрд м3 (более половины общей добычи), а накопленная добыча - свыше

4,5 трлн м3 [1].

По прогнозу EIA (2013 г.), доля нетрадиционного газа в общей газодобыче США будет расти и далее: с 66 % в 2012 г. до 75 % к 2035 г. При этом до конца 2035 г. уровни годовой добычи газа из плотных коллекторов и угольных пластов останутся неизменными (соответственно 170 и 52 млрд м3), добыча традиционного газа снизится (с 235 до 180 млрд м3), а добыча сланцевого газа будет расти темпами, опережающими этот спад (с 215 до 385 млрд м3), обеспечивая уровень годовой совокупной газодобычи почти в 800 млрд м3.

Поскольку добыча газа из плотных коллекторов и угольных толщ достигла своих пиковых возможностей (в силу их ограниченных по сравнению со сланцевым газом ресурсов), становится очевидным стратегическое значение сланцевого газа в энергетическом обеспечении США. Оно подкрепляется переориентацией НИОКР и соответственно объемов финансирования на развитие технологий, которые позволят наиболее полно раскрыть потенциал газодобычи сланцевых толщ.

Суммарный объем мировых геологических ресурсов сланцевого газа, по разным данным, оценивается в 380^420 трлн м3 [2]. По данным Министерства энергетики США, еще 32 страны (помимо США) обладают собственными ресурсами сланцевого газа. Многие из них готовы перенять опыт США - лидера их промышленного освоения.

В 2011 г. Геологическая служба ФРГ оценила мировой объем технически извлекаемых ресурсов сланцевого газа в 170 трлн м3. Это консервативная оценка, поскольку в ней использован минимальный (0,1) коэффициент пересчета начальных геологических ресурсов в технически извлекаемые (в США его значение находится в диапазоне 0,10^0,35) (рис. 3).

Согласно этой оценке, в России технически извлекаемые ресурсы сланцевого газа составляют 10 трлн м3, что соответствует объему геологических ресурсов в 100 трлн м3 и превышает в 5^10 раз оценки большинства российских экспертов. Этот пример свидетельствует о том, что дальнейшее геологическое изучение и получение более достоверной информации, а также совершенствование технологий добычи скажутся на оценке суммарных и технически извлекаемых ресурсов.

Характерная особенность трех видов нетрадиционных ресурсов (газ плотных коллекторов, угольных и сланцевых толщ) - их приуроченность к пластам с низкими фильтрационными свойствами (Кпр ниже 0,1 мД). Эта осо-

800

700

S 500

400

ig 300

2 200 lb

о

100

0

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

2025

2030

2035

традиционный газ

Год

| метан угольных пластов

газ плотных коллекторов

сланцевый газ

Рис. 2. Фактическое и прогнозируемое изменение структуры добываемого в США природного газа из традиционных и нетрадиционных источников (EIA, 2013)

а 600

№ 5 (16) / 2013

214

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Рис. 3. Распределение технически извлекаемых ресурсов сланцевого газа по континентам и странам мира (из отчета Геологической службы ФРГ, 2012)

бенность, затрудняющая добычу газа без применения специальных методов интенсификации притока, определяет общие принципы их промышленного освоения и сходство технологий поиска, разведки и разработки [3]. Газонасыщенные поля этой группы нетрадиционных ресурсов отличает от традиционных месторождений значительно большая площадь распространения, отсутствие четких границ между газо- и водонасыщенными зонами, довольно низкая плотность ресурсов/запасов.

Специфические особенности газонасыщенных сланцевых и угольных пластов и толщ плотных коллекторов закладываются на ранних этапах седиментации (состав и соотношение минеральной и органической компонент) и в ходе последующего катагенеза (минералогический состав, структура пустотного пространства, зрелость органического вещества). Детальное изучение этих особенностей является необходимым условием для оценки нетрадиционных ресурсов (или запасов) углеводородов и выбора наиболее эффективной технологии извлечения их из недр.

Кратко рассмотрим основные характеристики плотных коллекторов, угольных и сланцевых пластов.

Минералогический состав типичного газосодержащего сланца, из которого добывают газ в США, представлен в основном зернами

кварца и полевых шпатов, а также (в небольшом количестве) кальцита, доломита, сидерита, пирита и значительно более мелких зерен глинистых минералов. В зависимости от содержания последних, характера напластования (пласты или слойки) типичный газосодержащий сланец может быть отнесен к алевролитам, аргиллитам, глинистым аргиллитам, глинистым или аргиллитистым сланцам.

Содержание органического вещества. Сланцевые газонасыщенные толщи по содержанию органического вещества (от 0,5 до 40 %) занимают промежуточное положение между низкопроницаемыми (до 0,5 %) терригенны-ми и карбонатными коллекторами и угольными толщами (более 40 %) (рис. 4). Так же, как и угольные, сланцевые толщи относятся к потенциально газонефтематеринским (в отличие от толщ плотных коллекторов, собственный генерационный потенциал которых недостаточен для газонасыщения).

Количество органического вещества определяет форму нахождения природного газа в этих толщах и соотношение объемов газа в свободном и/или сорбированном состоянии: газ в сланцевых толщах находится как свободном, так и в сорбированном состоянии, газ в угольных пластах - преимущественно в сорбированном, а в плотных коллекторах - преимущественно в свободном (см. рис. 4).

№ 5 (16) / 2013

Проблемы ресурсного обеспечения газодобывающих районов России до 2030 г.

215

Газ плотных коллекторов Г аз сланцевых пластов Г аз угольных пластов

Свободный газ Свободный и адсобированный газ Адсорбированный газ

Содержание органического вещества, %

Рис. 4. Формы нахождения природного газа в низкопроницаемых породах с разным содержанием органического вещества (по данным Wintershall, 2010)

Тип органического вещества (гумусовый, сапропелевый, смешанный), помимо других условий, влияет на объем и состав УВ, генерированных сланцевыми и угольными толщами, а также на время генерации. Большинство коммерчески разрабатываемых на газ сланцевых толщ содержат кероген II типа (по Ван-Кревлену), основу которого составляют остатки морских водорослей и привнесенного наземного растительного материала.

Степень термической зрелости органического вещества определяется термобарическими условиями недр и характеризуется коэффициентом отражения витринита (R°). В сланцах, как и в углях, этот параметр может изменяться в диапазоне 0,1^4 % и более. Для коммерческой разработки ресурсов газа сланцевых и угольных толщ необходимы значения Ro от 1,2 до 2,1 %. При такой стадии зрелости органического вещества образуются залежи так называемого термогенного сланцевого газа. При более низких (0,5^1,1 %) значениях Ro образуются биогенные залежи, газ которых генерирован в процессе биогенного метаболизма органических компонентов. Отличительной особенностью биогенных залежей являются более низкие дебиты, более длительный период добычи и очень сухой газ (преимущественно метан).

Для плотных терригенно-карбонатных коллекторов, характеризующихся низким содержанием органического вещества, степень термической зрелости не имеет решающего значения, так как они не являются газонефтемате-ринскими (см. рис. 4).

Структура пустотного пространства. Пустотное пространство низкопроницаемых коллекторов имеет сложную структуру, которая в упрощенном виде может быть представлена моделью двойной пористости, учитывающей

пористые блоки породы (матрица) и межблоковые трещины. Трещинная проницаемость может в 100 и более раз превышать межзерновую проницаемость блоков матрицы. Существует и более сложная модель, учитывающая кроме вышеперечисленных такой тип пустот, как каверны (модель тройной пористости). В отличие от плотных коллекторов, значительный объем пор в сланцах и углях связан не с минеральной частью, а находится непосредственно в органическом веществе (керогене).

Поскольку диапазон размеров связанных и несвязанных пор газонасыщенных угольных, сланцевых и низкопроницаемых толщ довольно широк, для изучения их объема, структуры порового пространства, содержания органики, эффективной пористости и проницаемости требуются различные методы (рис. 5, 6).

Месторождения и непромышленные залежи горючих сланцев на территории России и бывших республик СССР установлены в отложениях широкого стратиграфического диапазона (от докембрия до неогена) и сосредоточены в восьми сланценосных провинциях (рис. 7, 8). В большинстве случаев горючие сланцы характеризуются глинистым составом, изменяясь от карбонатно- и кремнисто-глинистых (кембрий Восточной Сибири) до чисто глинистых (юра Приволжского бассейна, майкопские отложения Предкавказья).

Прогнозные ресурсы сланцев в России не столь велики, как в США, и составляют 215 млрд т, разведанных запасов на порядок меньше - 35,5 млрд т, доказанных запасов, большая часть которых сосредоточена в Приволжском ФО, - 10,9 млрд т [4]. Для сравнения: в США запасы сланцев в формациях Грин-Ривер, Чаттануга, Юинта, Пайсенс-Крик и других достигают 280 млрд т.

№ 5 (16) / 2013

216

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

микропоры мезоропоры макропоры

1А 1нм 1мк 1 мм

Размер, мк

Рис. 5. Сопоставление размеров пор в низкопроницаемых коллекторах, представленных разными породами (песчаник, плотный песчаник, сланцы, глина, уголь), и размера молекул воды, ртути, азота, метана, гелия (по данным Wintershall, 2011)

Сланец

Плотный лесзанив

10-12

10-9 10-6

Проницаемость, Д

10-3

Рис. 6. Диапазоны значений проницаемости низкопроницаемых коллекторов, представленных разными породами (уголь, плотный песчаник, сланец)

(по данным Wintershall, 2011)

Использование горючих сланцев в качестве топлива известно давно. Разработка их месторождений для получения газа в России началась в середине ХХ в. Так, в 1948-1956 гг. для газификации Ленинграда использовался газ, получаемый в заводских условиях (на газоперегонном заводе в г. Сланцы) из горючих сланцев Ленинградского месторождения в Прибалтике. Лишь с переводом в 1956 г. газоснабжения Ленинграда на газ, добываемый из традиционных месторождений, производство сланцевого газа было прекращено.

Добыча сланцевого газа в пластовых условиях (как в США) в России никогда не осуществлялась, и специальных исследований с целью оценки его ресурсов не проводилось.

По экспертной оценке ООО «Газпром ВНИИГАЗ», геологические ресурсы сланцевого газа России могут находиться в пределах 6^8 трлн м3, что соответствует примерно 2 % мировых ресурсов (380^420 трлн м3).

Значительная часть сланцевых, в том числе черносланцевых, формаций распространена в восточных регионах России: Оленёкский, Синско-Майский и другие бассейны.

№ 5 (16) / 2013

Проблемы ресурсного обеспечения газодобывающих районов России до 2030 г.

217

Рис. 7. Сланценосные провинции на территории России и бывших республик СССР [4]: I - Карпатская; II - Припятская; III - Прибалтийская; IV - Волжско-Печорская;

V - Туранская; VI - Прибайкальская; VII - Забайкальская; VIII - Оленёкская

Возраст отложений Территория бывших республик СССР

Европейская часть Азиатская часть

n,-n2

P-N

Р ^2 / \

*1 #

K2

K,

№ <:>

J J3 ♦

J3-J2 <>

J2

J1

т -т J1 А3

т 1 1-2 / \

P P2

P1

C3-P1 4>

D D3fm <§>

D3fr <#>

D2

O3-S1

O2

01 ■

PR3

залежи горючих сланцев основные ресурсы горючих сланцев

□

♦

отдельные сланцепроявления

ресурсы горючих сланцев, сотни млрд т

разрабатываемые месторождения горючих сланцев

Ф

перспективные для разработки месторождения горючих сланцев

недостаточно изученные месторождения горючих сланцев

Рис. 8. Стратиграфический диапазон распространения горючих сланцев на территории России и бывших республик СССР [4]

№ 5 (16) / 2013

218

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Однако освоение этих ресурсов затруднено рядом факторов:

• слабой геолого-геофизической изученностью сланцевых толщ, не позволяющей достоверно оценить их углеводородный потенциал, что может отразиться на эффективности последующих поисково-разведочных работ. В США изученность сланцевых бассейнов на порядок (или даже два) выше;

• отсутствием отечественных технологий внутрипластовой добычи сланцевого газа. Несмотря на то, что в России имеется опыт применения гидроразрыва пласта низкопроницаемых коллекторов и горизонтального бурения, однако эти технологии были ориентированы на иные объекты;

• отсутствием необходимых законодательно подкрепленных стимулов (как например, раздел 29 «О налоговых льготах» в законодательном акте Конгресса США «О политике в области добычи газа из нетрадиционных источников»);

Список литературы

1. Kuuskraa V.A. The Unconventional Gas Resource Base / V.A. Kuuskraa // White Paper. Unconventional Gas Series. - Advanced Resources International Inc., 2007.

2. Rogner H.-H. An Assessment of World Hydrocarbon Resources / H.-H. Rogner // IIASA, WP-96-26. - Laxenburg, Austria, 1996.

3. Скоробогатов В.А. Ресурсы газа

в низкопроницаемых коллекторах осадочных бассейнов России и перспективы их промышленного освоения / В.А. Скоробогатов, В.А. Кузьминов, Л.С. Салина // Газовая промышленность. - 2012. - № 676 (спецвыпуск). - С. 43-47.

• низкой буровой обеспеченностью.

В США на объекты сланцевого газа ежегодно бурится несколько тысяч скважин. Такой масштаб бурения в ближайшие десятилетия в России маловероятен.

Таким образом, решение о вовлечении в освоение газового потенциала сланценосных толщ в России не является приоритетным. Если оно будет принято, то не столько на основе экономических, сколько социальных критериев и преимущественно в старых нефтегазодобывающих регионах с налаженной инфраструктурой и наличием квалифицированных кадров.

Проведенный специалистами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» анализ показал, что для эффективного планирования внешнеэкономической деятельности Общества наиболее актуальным направлением изучения газов сланцевых толщ является мониторинг тенденций их использования в мире в качестве альтернативы российскому природному газу.

4. Геологическое строение СССР

и закономерности размещения полезных ископаемых: в 10 т / под ред. Г.А. Габриэлянца, А.И. Кривцова, В.М. Терентьева. - Т 10: Геологическое строение и минерагения СССР. -Кн. 2: Закономерности размещения полезных ископаемых СССР. - Л.: Недра, 1989. - 620 с.

№ 5 (16) / 2013