 |
Переработка сланцевого газа в дизельное топливо
|
|
|
|
Введение
В настоящее время возникла необходимость в разработке новых источников энергетических ресурсов и их технологии добычи. В последнее время во всех энергозависимых странах активно развиваются технологии-заменители по производству возобновляемого топлива. Но ни одна имеющаяся технология производства возобновляемого топлива не может даже потенциально заменить ископаемые энергоресурсы, а развитие научных технологий на сегодняшний день не предполагает качественного скачка в разработке новых источников энергосырья. Очевидно, что самоорганизация рыночного механизма однозначно определяет появление товаров-заменителей, которые будут оказывать существенное влияние на структуру мирового энергетического рынка, но не приведут к его изменению из-за достаточно низкой эффективности потенциала всех современных возобновляемых технологий. Единственным энергоисточником, имеющим на сегодняшний день исключительные качества товара-заменителя, является сланцевый газ.
Целью реферата является изучение сланцевого газа, его состав, а так же экологические последствия и перспективы применения.
История происхождения сланцевого газа
сланцевый энергетика газ
То, что в сланцах, обогащённых органикой, есть газ, было известно ещё в XIX веке, а первая скважина в сланцевых пластах была пробурена в США в 1821 году во Фредонии (Fredonia), штат Нью-Йорк. Однако сланцевые пласты игнорировались многими промышленниками, так как сланец считался слишком твёрдым, чтобы вскрыть при помощи традиционных способов бурения.
Первый действующий источник для добычи газа был обнаружен на территории США. Произошло это в 1821 году, открывателем стал Вильям Харт. Активистами по изучению обсуждаемого вида газа в Америке выступают известные специалисты Митчелл и Уорд. Грандиозное производство рассматриваемого газа начала компания «Devon energy».
|
|
|
В 1970-х годах в США были проведены разведочные работы, в ходе которых выявлены четыре огромных сланцевых бассейна - Барнетт (Barnett), Хайнсвилл (Haynesville), Файетвилл(Fayetteville) и Марселлус (Marcellus) площадью в десятки тысяч квадратных километров и, по-видимому, содержащие гигантские запасы природного газа. На тот момент эти резервы оказались недоступными, а разработка соответствующих технологий добычи была прервана после падения цен на нефть в 1980-х годах.
В 1990-х годах ряд небольших компаний, крупнейшей и наиболее активной из которых была «Chesapeake Energy», решили вернуться к идее извлечения газа из сланцевых пластов. Исследователи предложили применить для добычи сланцевого газа технологии, которые были разработаны ещё десятилетия назад, но в то время не имели широкого применения. Одной из них было горизонтальное бурение, заключавшееся в том, что уже внутри пласта бур постепенно отклонялся от вертикали, пока это отклонение не достигало 90 градусов, а затем продолжал движение уже параллельно кровли пласта. Впервые эта технология была применена ещё в 1940-х годах, но затем от неё отказались из-за дороговизны.
Благодаря разработкам ситуация стала меняться в конце 1990-х годов, когда новые технологии горизонтального бурения и более интенсивные гидравлические разрывы пластов позволили извлекать газ из сланца и схожих по твёрдости геологическим месторождениям затем от неё отказались из-за дороговизны.
Но масштабное промышленное производство сланцевого газа было начато в США компанией Devon Energy лишь в 2002 году, когда на месторождении Barnett Shale была впервые пробурена горизонтальная скважина. Резкий рост добычи этого сырья получил название «газовой революции», активно подхваченной инвесторами.
|
|
|
В первом полугодии 2010 года крупнейшие мировые топливные компании потратили 21 миллиард долларов на активы, связанные с добычей сланцевого газа. Сейчас, с открытием новых технологий по разработке сланцевого газа, во многих странах электроэнергетическая политика меняется. В частности, в США за последние три года цена на газ упала в три раза, с 8 до 2,5 доллара,
Состав
Сланцевый газ представляет собой разновидность природного газа, хранящегося в виде небольших газовых образованиях, коллекторах, в толще сланцевого слоя осадочной породы Земли. Образуется в результате анаэробных химических процессов (процессов разложения органических веществ). Сланцевый газ состоит преимущественно из метана, но также в его состав входят и другие газы, с разным процентным содержанием. Его примерному составу отвечает следующее содержание компонентов:
H2 - 25-40%;
CH4 - 14-17%;- 10-20%;- 10-20%;H4 и другие углеводы - 4-5%;- 22-25%; O2 - не более 1%. Как и любое вещество, сланцевый газ обладает рядом свойств. Плотность газа колеблется от 0,7-0,9 кг/м3. Температура газокислородного пламени составляет 2000°С. Низшая теплота сгорания 12,6-14,3 МДж/м3.
Главная его особенность в том, что он залегает в горючих сланцах
Сланцевый газ - это осадочная горная порода, глинистая, низкопористая, которая выступает одновременно и источником, и органикой в «благоприятной» среде.
Сланцевый газ - это экологически чистое топливо, поэтому его сжигание выпускает меньше углекислого газа в атмосферу, чем сжигание угля.
Сланцевый газ - это смесь взрывоопасных элементов, которые невозможно закачивать под высоким давлением и передавать на дальнее расстояние.
Сланцевый газ - это нетрадиционный газ, т.к. добыча ведется из уплотненных пород
Запасы сланцевого газа сосредоточены в глинистых сланцах, это те же глины, измененные (метаморфизованные) на большой глубине под действием высоких давлений и температур. Порода теряет пластичность и становится хрупкой и трещиноватой, обладает очень низкой проницаемостью. Сланцы, содержащие газ - это особые горючие сланцы. В отличие от обычных глинистых сланцев, горючие сланцы содержат органическое вещество - кероген, похожий на уголь. Содержание керогена является качественным показателем газовой эффективности сланца. К наиболее термически зрелым сланцам относят месторождения «сухого газа» с керогеном, относящимся к типу III, менее термически зрелые месторождения, относящиеся к типу II, образующими влажный конденсат, будут давать газ с примесями конденсата. Менее зрелые сланцы с керогеном типа I являются нефтеносными, то есть содержащими нефть в сланцевых депозитах. При оценке месторождений нужно понимать, что объем доступного газа в сланцевом слое прямо пропорционален толщине сланца. Очевидно, что наиболее выгодными являются толстые и термически-зрелые сланцы. Запасы отдельных газовых коллекторов невелики, но они огромны в совокупности и требуют специальных технологий добычи. Сланцевые залежи встречаются на всех континентах, поэтому, практически любая энергозависимая страна может себя обеспечить необходимым энергоресурсом.
|
|
|
Этот энергоресурс вызывает повышенный интерес мировой общественности по причине совмещения в себе качеств ископаемого топлива и возобновляемого источника.
Способы добычи
Для добычи сланцевого газа используют горизонтальное бурение, гидроразрыв пласта (в том числе с применением пропантов) и сейсмическое моделирование. Аналогичная технология добычи применяется и для получения угольного метана.
Вместо гидр разрыва пласта (фрекинга) в качестве эксперимента может использоваться более дорогой безводный пропановый фрекинг (закачивание сжиженного пропана в виде геля). Сланцевый газ содержится в небольших количествах (0,2 - 3,2 млрд м³/км²), поэтому для добычи значительных количеств такого газа требуется вскрытие больших площадей.
Способ горизонтального бурения основан на использовании особых буровых установок и является основным способом добычи газа. Создание высокопроводимой трещины в целевом пласте, чтобы добыть сланцевый газ - технология гидроразрыва пласта (позволяет «оживить» скважины, на которых добыча газа обычными методами уже невозможна).
|
|
|
Современная технология добычи сланцевого газа включает в себя сооружение буровой установки, в составе которой одна вертикальная скважина и несколько горизонтальных. Их длина может достигать 3 км. Они заполняются смесью воды, песка и химреагентов, создаётся гидроудар, повреждается целостность газовых коллекторов. Далее высвобожденный газ откачивается.
В процессе горизонтального бурения применяется методика сейсмического моделирования. Она сочетает в себе геологические исследования и картирование с компьютерной обработкой данных, в том числе, с визуализацией.
Для этого применяют горизонтальные скважины, имеющие мультиотводы на одной глубине, или такие скважины делаются многоступенчатыми с горизонтальным отводом длиной до 2 км.
Схема добычи сланцевого газа
Проводится бурение скважин: вертикальное до глубины сланцевых залежей и далее вдоль них - горизонтальное.
1. Установка трубы в скважину.
2. Укрепление трубы цементом. В полученной конструкции специальным перфоратором проделываются отверстия.
. Закачка в трубу воды и песка, под действием которых сланец постепенно разрушается.
. Сбор газа из трещин и разломов породы и прокачка его через трубопровод.
После того, как давление газа спадёт, возможен повтор процедуры разрушения сланцевого пласта.
Переработка сланцевого газа в дизельное топливо
Рекордно низкие цены на природный газ больно ударили по производителям, но существует технология, которая может превратить дешевый газ в дизельное топливо. Сейчас галлон дизельного топлива стоит 4 доллара (примерно 30 рублей за литр), а цена на газ составляет около 2,30 долларов за миллион британских термических единиц. С 2008 газ подешевел в 7 раз.
Обилие и доступность природного газа в США дает возможность использовать топливо по-новому, растет энергетическое «разнообразие», и получение от этого экономических и экологических выгод. В компании считают, что разница между нефтяными и газовыми ценами позволяет начать строительство предприятий по переработке газа в дизельное топливо и авиационный керосин. Две компании планируют сейчас строительство подобных заводов - Shell на побережье Мексиканского залива и южноафриканская Sasoil на побережье Луизианы.
Правда, существуют определенные риски, связанные с колебанием цен на газ. Подобные предприятия стоят миллиарды долларов, и у них большие сроки окупаемости. И для того, чтобы производство было рентабельным, цена на газ должна оставаться низкой в течение 20 - 30 лет. Управления энергетической информации США приводит данные, в которых оптимальное соотношение цен для данных предприятий выглядит так: 100 долларов за баррель и 6 долларов за миллион БТЕ газа.
|
|
|
Новая технология аналогична получению жидкого топлива из угля (процесс Фишера - Тропша). Метод был разработан в Германии 90 лет назад, как способ компенсировать дефицит нефти большими запасами угля. Последние разработки ученых позволили применить этот метод к газу. В общих чертах процесс переработки выглядит так: природный газ, кислород и вода подаются в реактор. Там под действием катализаторов, температуры и давления происходит процесс перегонки. Результатом является дизельное топливо, авиационный керосин и ряд других нефтепродуктов, но, к сожалению, пока такой процесс получения бензина из газа очень дорог.
Влияние на экологию
Потребность человечества в энергоресурсах, безусловно, является одной из первоочередных. Ограниченный запас традиционных источников энергии, растущие быстрыми темпами объемы энергопотребления, усиливающаяся зависимость ряда стран от импорта топливно-энергетических ресурсов - эти и многие другие факторы в последнее время способствовали активному изучению и развитию альтернативных возобновляемых источников энергии. В этой связи особый интерес мировой общественности вызывает сланцевый газ, совмещающий в себе качества ископаемого топлива и возобновляемого источника.
В 1821 году впервые состоялась коммерческая добыча сланцевого газа в США, а промышленная добыча была начата только в начале 2000-х годов. До этого времени скважина давала слишком мало газа, чтобы стало возможным окупить само бурение. Ситуация изменилась с внедрением новых технологий - горизонтального бурения в сочетании с гидравлическим разрывом пласта.
Множество споров ведется относительно плюсов и минусов добычи сланцевого газа. С одной стороны, позитивные факторы: возможность разработки месторождений в уже густозаселенных районах и непосредственная близость от конечного потребителя. С другой стороны, ряд негативных и весомых факторов: высокая себестоимость сланцевого газа, быстрая истощаемость месторождений, невозможность транспортировать его на большие расстояния и, один из самый весомых минусов, огромные экологические риски в процессе добычи.
Чем же опасен фрекинг?
Вот лишь некоторые последствия его применения для здоровья людей и окружающей среды.
1. Загрязнение воды в результате добычи сланцевого газа
Добыча сланцевых углеводородов методом гидравлического разрыва пласта приводит к загрязнению грунтовых вод, в том числе источников питьевой воды, токсичными химическими веществами, обладающими хронической и острой водной токсичностью, а также общей токсичностью.
В результате загрязнения метаном при фрекинге вода в домах местных жителей стала «взрывоопасной». В одном из городков Пенсильвании, рядом со сланцевыми скважинами, жители поджигают обогащенную метаном воду из-под крана.
При добыче газа в недра закачиваются миллионы тонн специального химического раствора, который разрушает пласты горючего сланца и высвобождает большое количество метана. Основная проблема в том, что сланцевый газ вместе с закачанными химикатами, который не удается выкачать, начинает выходить на поверхность из недр, просачиваясь через почву, загрязняя грунтовые воды и плодородный слой.
В ходе добычи вода загрязняется метаном и радиоактивными веществами, которые вымываются из вмещающих пород. Многие жители в районах бурения теряют здоровье из-за постоянного загрязнения питьевой воды метаном.
2. Потребление большого количества пресной воды
3. Загрязнение воздуха в результате добычи сланцевого газа.
В результате добычи сланцевого газа воздух загрязняется метаном и другими газами. Загрязнение может быть настолько сильным, что местные жители вынуждены носить респираторы, чтобы не потерять сознание.
4.загрязнение почвы в местах добычи сланцевых газов.
Всегда есть риск утечки токсичных жидкостей из прудов-отстойников, а также неконтролируемых фонтанных выбросов. Добыча сланцевого газа приводит к разрушению ландшафта, несет ущерб сельскохозяйственным угодьям.
Площадь стандартного месторождения составляет порядка 140 - 400 квадратных километров, при этом территория, отведенная под собственно буровые площадки, занимает 2 - 5% этой площади. На таком участке пробурят около 3000 скважин.
. Сейсмическая активность - результат фрекинга
Загрязненные сточные воды утилизируют путем закачки под землю. Есть данные, что это может повысить риск землетрясений. Подобные случаи были зарегистрированы в штатах Арканзас, Оклахома и Огайо в США. В Арканзасе, который сам по себе отличается повышенной сейсмичностью, после начала освоения сланцев число подземных толчков увеличилось в несколько раз. Землетрясения, в свою очередь, повышают вероятность утечек из газовых скважин.
В Великобритании добыча сланца привела к серии землетрясений в районе одного из курортных городков. По экологическим соображениям приостановлена добыча в трех американских штатах и двух канадских провинциях.
. Изменение климата при добыче сланцевого газа
Выбросы парниковых газов при добыче и использовании сланцевого газа и нефти значительно выше, чем при добыче обычных газа и нефти. По данным ряда исследований, вред сланцевого сырья для климата сравним с вредом от использования угля. По данным правительства США, утечка метана при добыче сланцевого газа как минимум на треть выше, чем при добыче природного газа.
Особенное внимание стоит уделить токсичным отходам, поскольку в процессе каждого гидроразрыва под землю закачивается до 300 тонн высокотоксичных химикатов, включая летучие органические соединения и нефтепродукты. Радиоактивные элементы и тяжелые металлы высвобождаются из-под земли и попадают на поверхность. Часть подобных отходов испаряется и превращается в канцерогены в воздухе, другая часть хранится в отстойниках или утилизируется.
. как показывает опыт разработки Barnett Shale, сланцевые скважины имеют гораздо меньший срок эксплуатации, чем скважины обычного природного газа
|
|
|
