Виктор МАРТЫНОВ
Ректор РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, д. э. н.
e-mail: v.martynov@gubkin.ru
Владимир КУЧЕРОВ
Профессор РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, доцент Королевского технологического института, д. ф.-м. н.
e-mail: vladimir@flotten.se
Валерий БЕССЕЛЬ
Исполнительный вице-президент ООО «НьюТек Сервисез», профессор РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, к. т. н.
e-mail: vbessel@nt-serv.com
Алексей ЛОПАТИН
Зав. кафедрой РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, д. т. н.
e-mail: lopatin.a@gubkin.ru
Введение
Одним из главных критериев развития глобальной энергетической системы является критерий ее устойчивости. Многие исследователи и политические деятели ставили знак равенства между устойчивой энергетикой и возобновляемыми источниками энергии, в основном, ветровой и солнечной энергетикой. Однако всего лишь одна очень холодная зима 2021 года в Европе в сочетании с длительным периодом безветрия показали, насколько ошибочна такая точка зрения. Разразившийся в начале осени 2021 г. и продолжающийся по сей день в Европе энергетический кризис привел к существенному росту стоимости электроэнергии в этом регионе. Основной причиной этого кризиса, по мнению авторов, является неверная энергетическая политика Брюсселя, направленная на лоббирование «зеленого курса» развития энергетики, отказ от атомной энергетики, постепенное сокращение использования природного газа при слишком быстром развитии нестабильной ветроэнергетики и солнечной энергетики. Похоже, что руководители Европейского содружества начали понимать свои ошибки. Так, например, президент Европейской комиссии Урсула фон дер Ляйен, выступая 22 октября 2021 г. на саммите в Брюсселе, признала, что Европе также нужны стабильные источники – ядерная энергетика, а в переходный период – газ [1].
Да, будущее мировой энергетики сложно представить без возобновляемых источников энергии. Однако, утверждения о скором полном переходе мировой энергетики на ветровую, солнечную, геотермальную энергию, озвучиваемые в основном политическими и общественными деятелями, не имеют под собой серьезного основания. На современном технологическом этапе развития энергетика в определяющей степени зависит от добычи и потребления органического топлива, к которому относятся природный газ, нефть и уголь, причем на долю органического топлива приходится более 80 % потребляемой энергии в мире. В настоящее время не существует других источников энергии, которые могли бы конкурировать с органическим топливом по доступности, степени распространения и эффективности [2].
Одной из наиболее обсуждаемых проблем в последнее время стало предсказание конца нефтегазовой эры. Это связывают как с широким комплексом экологических, климатических, экономических и политических факторов, так и с исчерпаемостью нефтегазовых запасов.
Сколь велики запасы углеводородов на нашей планете? Конечны ли эти запасы? Эти вопросы обсуждаются в статье, основанной на совместных исследованиях РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина и Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), связанных с генезисом углеводородов, анализом производства, потребления, распределения и развития основных энергетических ресурсов как в мире в целом, так и в России [2–5 и др.].
Структура глобальной энергетической системы
В период с 1980 по 2019 гг. производство энергии в мире выросло в 2,09 раз – с 6,604 до 13,781 млрд т н. э. Устойчивый рост наблюдался для всех видов энергии, что отражено на диаграмме, приведенной на рис. 1 [6].
За последние четыре десятилетия темп роста потребления энергии почти в 1,4 раза превысил темп прироста населения Земли и, судя по всему, эта тенденция будет сохраняться в среднесрочной перспективе. Это является следствием развития технологических укладов, повышения уровня энергетического комфорта и связанного с этим опережающего роста энергопотребления [2].
В настоящее время нефть и природный газ являются основными энергетическими ресурсами. Доля углеводородного сырья в глобальном энергетическом балансе в 2020 г. превысила 30 %, причем за последние 20 лет (с 2001 по 2020 г.) этот показатель снизился лишь на 7,6 % (с 37,8 % в 2001 г. до 30,1 % в 2020 г.) [7].
Вместе с тем некоторые эксперты видят развитие глобальной энергетической системы без углеводородов. В результате такого рода прогнозов сформировалось мнение, что добыча углеводородов в мире ограничена 50–60 годами. Рассмотрим, так ли это.
Классификация источников углеводородного сырья
Все источники углеводородного сырья принято разделять на традиционные (извлекаемые) и нетрадиционные (трудно извлекаемые).
В западной литературе приняты несколько иные термины – conventional и non-conventional. Это деление весьма условно, так как новые технологии могут перевести часть нетрадиционных ресурсов в разряд традиционных.
Нефть. В настоящее время не существует единой общепринятой классификации традиционных и нетрадиционных нефтей, наиболее часто их делят на три категории: традиционные (сырая нефть и газовый конденсат), переходные (transitional oils) и нетрадиционные нефти (unconventional oils). К переходным относят нефть плотных пород и глубинную, к нетрадиционным – тяжелые и сверхтяжелые нефти, природные битумы, нефтеносные пески и керогеновую нефть.
Нефти плотных коллекторов – традиционные нефти, залегающие в плотных низкопроницаемых коллекторах. Следует отметить, что к этому классу нефтей относится и сланцевая нефть (shale oil) – легкая нефть, добываемая из низкопроницаемых сланцевых коллекторов.
Глубинная нефть – нефти, залегающие на глубинах, превышающих 8 км.
Тяжелые и сверхтяжелые нефти – вязкие нефти высокой плотности. К тяжелым относятся нефти плотностью 920–1000 кг/м3, к сверхтяжелым – нефти плотностью более 1000 кг/м3. Вязкость нефтей обоих типов не превышает 10000 мПа·с.
Природные битумы и нефтеносные пески – смесь органического вещества, кварца, песка, битумов и воды. Вязкость более 10000 мПа·с при плотности более 1000 кг/м3.
Керогеновая нефть (kerogen oil, oil shale) – синтетическая жидкая нефть, полученная в результате пиролиза, гидрирования или термического растворения керогена. Она существенно отличается от традиционных нефтей по физико-химическим свойствам.
Природный газ. Кроме традиционных ресурсов природного газа в мире существуют его нетрадиционные (трудноизвлекаемые) ресурсы. К нетрадиционным ресурсам относятся: сланцевый газ, газ плотных формаций, газ угольных пластов, газовые гидраты, водорастворимые газы.
Сланцевый газ состоит преимущественно из метана с незначительным содержанием двуокиси углерода и азота, и примесями гелия и аргона. Скопления сланцевого газа (плеи) расположены в толще сланцевых слоев, которые представляют собой мелкозернистую слабопроницаемую осадочную породу со слоистой структурой.
Газ плотных формаций залегает в плотных низкопроницаемых породах (с проницаемостью менее 1 миллидарси). Основные скопления расположены в мелкозернистых песчаниках и алевролитах, на глубинах более 4,5 км.
Газ угольных пластов – газ, содержащийся в угольных пластах. Расположен в основном в микропорах и характеризуется высоким содержанием метана (до 99 %) при практически полном отсутствии сероводорода.
Газовые гидраты (клатраты) – кристаллические соединения, в которых молекулы газа помещены в каркас из молекул воды. Наиболее распространенным видом газовых гидратов (клатратов) являются гидраты метана. Один кубометр гидрата метана может содержать до 180 м3 газа.
Водорастворимые газы – газы, растворенные в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов. Газ, растворенный в пластовых водах, считается одним из самых значимых из всех нетрадиционных ресурсов газа.
Геологические ресурсы нефти и природного газа
Оценки геологических ресурсов нефти и природного газа, проведенные различными экспертами, существенно различаются.
Нефть. По данным компании Shell геологические ресурсы традиционной нефти составляют 466 млрд т (19517 эксаджоулей) при годовой добыче около 4 млрд т. Распределение ресурсов по различным регионам мира приведено в таблице 1 [8].
Распределение залежей битумов и тяжелых нефтей, а также нефти плотных коллекторов по различным регионам мира приведено в таблице 2 [9, 10].
Все оценки геологических ресурсов нефти из керогена нефтяных сланцев достаточно условны. Как показано в работе [11], с учетом потенциала баженовской свиты мировые геологические ресурсы керогеновой нефти можно оценить почти в 548 млрд т.
В статье [11] собраны наиболее достоверные данные по геологическим ресурсам различных категорий нефтей.
Общий объем ресурсов составляет более 3,15 трлн т без учета потенциала глубинной нефти. При этом геологические ресурсы традиционной нефти составляют менее 15 % от общего объема нефтяных ресурсов.
Природный газ. В таблице 3 приведена оценка геологических ресурсов природного газа. И хотя эти оценки достаточно приблизительные, тем не менее можно понять, что эти ресурсы огромны. При современном уровне добычи (3,85·1012 м3) только известных ресурсов природного газа хватит на сотни лет.
Геологические ресурсы углеводородов и концепция их абиогенного глубинного происхождения
Оценивая геологические ресурсы нефти и природного газа, нельзя не остановиться на вопросе о генезисе углеводородов, в частности на концепции их абиогенного глубинного происхождения. Эта концепция основана на представлении о том, что генерация углеводородов происходит в глубинных слоях Земли вследствие неорганического синтеза. Образовавшийся углеводородный флюид под высоким давлением по глубинным разломам поступает в кристаллический фундамент и осадочную толщу, и при наличии коллекторов образует углеводородные залежи. В рамках этой концепции нефтегазоносность рассматривается как одно из проявлений природной дегазации Земли.
Результаты экспериментальных исследований, полученные в течение последних десятилетий, и накопленные геологические наблюдения подтверждают основные положения концепции. Кратко остановимся на основных полученных результатах.
Результаты экспериментов убедительно демонстрируют возможность образования сложных углеводородных систем за счет реакции различных доноров углерода (карбонатов, графита, алмаза, аморфного углерода) и водорода, в присутствии Fe или FeO и воды [16–19]. Полученные в результате лабораторных исследований смеси углеводородов близки по своему составу к природным.месь сходна по составу с составом углеводородной системы, извлеченной из гранитоидов месторождения «Белый тигр». Моделирование процесса синтеза углеводородов в системе CO2‑флюид-мантийные породы, обогащенные H2 при термобарических условиях, сходных с мантийными, показало образование смеси углеводородов, состав которой был близким к составу включений в мантийных оливинах и пикроильменитах [21].
В работе [19] показано, что метан и легкие алканы могут образовываться в системе CaCO3–FeO–H2O даже при тепловом режиме холодной субдукции.
Важные результаты получены при изучении системы Fe3C–H2O в широком диапазоне термобарических условий (873–1223 K, 2.5–6.0 ГПа), соответствующих условиям верхней мантии. Установлена связь между составом синтезированного флюида и термобарическими условиями. Повышение температуры синтеза ведет к образованию углеводородной системы, в основном состоящей из метана. Повышение давления при данной температуре приводит к образованию более сложной углеводородной системы, содержащей нормальные и изо-алканы до C7 и бензол [22]. Важно отметить, что природа донора углерода не оказывает существенного влияния на принципиальный путь реакции образования углеводородов, а только меняет соотношение компонентов получаемой углеводородной смеси.
Результаты изучения метана показали, что при термобарических условиях, сходных с условиями на глубинах 70–80 км, метан трансформируется в углеводородную систему, близкую по своему составу к «жирному» природному газу [23].
Изучение пропана при давлении до 22 ГПа и температуре до 3000 К в алмазных наковальнях [24] показало, что пропан, в термобарических условиях, сходных с условиями верхней мантии, трансформируется в смесь насыщенных и ненасыщенных углеводородов, являясь прекурсором тяжелых углеводородов в экстремальных условиях.
Данные, опубликованные в [25], показали химическую стабильность сложных углеводородных систем в термобарических условиях, соответствующих глубине 50 км, и позволяют пересмотреть диапазон глубин возможного залегания скоплений углеводородов.
Геологические наблюдения подтверждают результаты экспериментов. Одним из наиболее убедительных аргументов является присутствие битумов и различных углеводородов в природных алмазах и других мантийных минералах [26, 27]. Так, например, в работе [27] приведены результаты изучения включений в алмазе, гранате и оливине из кимберлитовой трубки «Удачная», мантийное происхождение которых не вызывает сомнений. Эти включения содержат насыщенные (CH4–C18H38), ненасыщенные (C2H4–C15H28), циклические (C4H8–C9H18) и (C6H6–C16H26), полициклические углеводороды (С10H8–C11H10), альдегиды, кетоны, что убедительно подтверждает возможность образования сложных углеводородных систем в условиях верхней мантии Земли.
Полученные в течении последних десятилетий данные, такие, как существование сверхгигантских скоплений углеводородов на глубинах, превышающих 10 км (например, крупнейшее из найденных за последние десятилетия нефтяных месторождений лежит на глубине 10,7 км в Мексиканском заливе (Tiber prospect); несоответствие между идентифицированными биогенными источниками и доказанными запасами углеводородов для большинства гигантских углеводородных скоплений (Ближний Восток, Канада, Венесуэла), наличие крупных углеводородных залежей в кристаллическом фундаменте в отсутствии нефтематеринских свит могут быть объяснены только с точки зрения концепции глубинного абиогенного генезиса углеводородов.
В настоящее время самые глубокие залежи нефти и газа открыты на глубинах около 10,5 км. В тоже время мощность осадочных пород, в которых могут находиться промышленные залежи углеводородов, в ряде перспективных регионов (например, Приокском), достигают 25–30 км. Как показывают эксперименты, углеводородные системы сохраняют свой состав до глубин 50 км. Именно сверхглубинные скопления углеводородов могут подпитывать залежи, расположенные на глубинах, доступных для бурения с применением существующих технологий. Кроме того, существуют огромные территории, на которых практически не проводились поисковые работы на нефть и газ (например, Арктика).
Принимая во внимание все выше сказанное, можно достаточно уверенно утверждать, что объем неразведанных ресурсов нефти и газа (особенно газа) значительно превышает потребности человечества на ближайшие несколько сотен лет. Углеводороды будут и далее являться основой не только глобальной энергетики, но и источником важнейших химических производств.
Заключение
К настоящему времени еще не сложились объективные предпосылки к полному переходу на возобновляемые источники энергии с точки зрения энергоэффективности и надежности энергообеспечения.
Современные представления о генезисе углеводородов, подтвержденные результатами экспериментальных исследований, позволяют сделать вывод о наличии в недрах Земли громадных, практически неисчерпаемых запасов углеводородов, доступность которых во многом будет зависеть от развития инновационных решений их поиска и разработки, а также от инвестиционной привлекательности их добычи в промышленных масштабах.
В связи с этим, углеводороды продолжат занимать значительную роль в глобальном энергетическом балансе, по крайней мере в ближайшие 30–40 лет. Доминирующую роль при этом будет играть природный газ, являющийся энергетически самым эффективным и наиболее экологически чистым видом органического топлива.
