Как образуются и применяются горючие сланцы. Основные месторождения в мире и России

Месторождения в России и мире

На земном шаре обнаружено примерно 550 месторождений горючих сланцев. Основные запасы расположены:

Запас сланца

• в Америке, в штатах Колорадо, Вайоминг, Юта;
• 21% сланцев добывают в Бразилии;
• Россия добывает 11% от всего мирового объёма этих ископаемых.

На сегодняшний день не могут быть разработаны все залежи. Причинами невозможности разработки горючих сланцев являются экономическая невыгодность работ, а также необходимость обеспечения экологической безопасности при добыче этих горючих ископаемых.

В Европе добычу сланцевого газа трудно осуществить из-за высокой плотности населения и глубокого залегания пластов. Наиболее перспективной была возможность добычи сланцевого газа у Польши. Этому способствовало обнаружение крупных месторождений, и желание властей покончить с зависимостью от России в части поставок газа. Однако проекты были признаны нерентабельными, и от планов пришлось отказаться, несмотря на все усилия и проводимую рекламную кампанию со стороны США.

Запасы сланцевого газа

Залежи такого газа на Украине находятся в Донецкой области, в зоне масштабных вооружённых столкновений, и в Одесской области. Власти Украины считают разработки этих месторождений способом избавления страны от импорта газа из России.

В России обнаружено крупное месторождение сланцев в Саратовской области. В регионе найдено 6 месторождений, одно из которых, самое крупное, расположено в Перелюбском районе. Планируется обработка на месте добычи с установкой реактора для получения одновременно сланцевого газа, сланцевой нефти и сланцевого цемента. Выявлено присутствие в этом горючем сланце рения и кокса, которые являются стратегическими продуктами.

Геологоразведка

Запасы горючих сланцев в природе довольно обширны, поэтому сейчас разведка направлена преимущественно на поиск удобных мест разработки. Например, в России до 80% залежей расположено на Дальнем Востоке, поэтому основное внимание уделяется Европейской части, чтобы и без того высокую себестоимость не увеличивать дорогостоящей доставкой.

Разведка проводится стандартными способами:

• Геологическим – геологи ищут места выхода горючего сланца на поверхность земли.
• Геофизическим – по магнитному, электрическому, гравитационному полю Земли и характеру распространения звуковых волн составляются специальные географические карты. На их основании осуществляется дальнейшая разведка.
• Геохимическим – делается химический анализ воды, почвы и воздуха.

На основании полученных данных производится пробное бурение. На конце бура находится специальная колонковая труба, которая захватывает цилиндрический пласт грунта для пробы – керн.

Попавшие в пробу горючие сланцы анализируют и определяют перспективы дальнейшей разработки скважины. Пробное бурение – дорогостоящий, но самый информативный способ определения перспективности месторождения.

Способы добычи

Добыча горючих сланцев осуществляется двумя способами:

• карьерный;
• подземный.

Карьерный или открытый способ, шахтная добыча. Это наиболее выгодная разработка сланцевых месторождений в местах залегания пластов близко к земной поверхности. Такой способ является благоприятным для окружающей среды.

Подземный способ является затратным, требует создания сланцевых скважин, привлечения техники и специалистов высокой квалификации. Этот метод способен нанести существенный вред окружающей среде, поэтому его не используют вблизи водных объектов или городов.

Недостатки технологии

• Происходит быстрое старение месторождения. Среднее время «жизни» скважин 1,5-2 года, в течение первого года работы дебет снижается на 80%. Затем добычу останавливают и ищут новую скважину на значительном расстоянии от остановленных разработок.
• Отмечают выброс углекислого газа. Тем не менее, сейчас ведутся работы по созданию технологий по захвату выделяющегося газа. В дальнейшем для повышения эффективности разработки месторождений, полученный углекислый газ, планируют перерабатывать в электроэнергию.

Необходимо отметить, что технология разработки сланцевых месторождений находится на этапе своего становления. Затраты на добычу сланцевых углеводородов превышают себестоимость разработки традиционных нефтяных месторождений. В связи с этим в ближайшем будущем повтора сланцевого бума ожидать не стоит, как мы наблюдали с газом, при этом обнаруженные запасы сланцевого черного золота необходимо рассматривать как запасы энергетических ресурсов на будущее.

Процесс добычи газа

Процесс добычи сланцевого газа

Из горючих сланцев получают сланцевый газ. Это природный газ, содержащий метан. Себестоимость его добычи выше, чем обычного газа, добываемого на газовом месторождении.

Для добычи сланцевого газа необходимо устройство большого количества скважин и большая территория земли, потому, что его концентрация составляет всего лишь 0.2–3.2 млрд. кубометров на 1 квадратный километр.

Его добыча производится при значительных запасах и при желании властей некоторых стран снизить зависимость от импорта топлива.

Возможный ущерб окружающей среде не позволяет производить разработку горючих сланцев на значительной части разведанных ресурсов.

Получение сланцевого газа производится с применением технологии гидравлического разрыва пласта (фрекинга):

• скважину сначала бурят вертикально, а при достижении сланцевого пласта — горизонтально;
• затем под очень высоким давлением (500–1500 атм) в скважину вводят воду или её смесь с песком и химическими веществами;
• это приводит к растрескиванию породы и выходу горючего газа из неё;
• чтобы трещины не смыкались при снижении давления, в скважину подают жидкость с добавлением крупнозернистого песка.

Что такое сланец?

Сланецы-горная порода, образовавшаяся после извержения вулкана или из осадочных пород под давлением воды, земной коры и влиянием тепла.

Другое название сланцев-плитняк. Их формирование происходило на протяжении многих миллионов лет.

Отличительная способность сланцев-распадаться на тонкие пластины от механического воздействия на поверхность.

Порода отличается образующими веществами и примесями, поэтому имеет разные физические характеристики. Это же является причиной разных показателей твердости по шкале Мооса от 2 до 6 баллов.

Одни сланцы под воздействием высокой температуры не меняют физические характеристики, а другие воспламеняются с выделением большого количества тепловой энергии.

Также отличаются по прочности. Одни под воздействием большой механической силы не меняются, а другие легко разрушаются при небольшом воздействии.

Имеют разную окраску в зависимости от преобладающих минеральных примесей.

Встречаются зеленые, коричневые, желтые, черные, красные, голубые сланцы.

Используются людьми в естественном и обработанном виде.

Влияние добычи на экологию

Добыча сланцевого газа представляет опасность для окружающей природы. Жидкость, используемая при гидроразрыве пластов, зачастую подаётся вместе с большим количеством химикатов, в том числе канцерогенных, которые пропитывают породу и приводят к загрязнению больших территорий земли и грунтовых вод. По этой причине была запрещена добыча сланцевого газа в штате Нью-Йорк.

Последствия добычи сланцевого газа для экологии самые неблагоприятные:

• загрязнение воздуха и почвы токсичными веществами, входящими в состав раствора, применяемого для фрекинга (гидроразрыва пласта);
• проседание почвы вследствие растрескивания породы;
• разрушительные процессы в грунте и в почве;
• загрязнение грунтовых вод химикатами.

Главной экологической проблемой является загрязнение подземных пластов воды не только метаном, но и канцерогенными веществами из раствора для фрекинга.

Опасен не только сам раствор, но и химические соединения, которые проникают из-под земли на поверхность после гидроразрыва:

• в месте добычи происходит мор птиц, рыб и животных;
• наблюдаются кипящие ручьи с содержанием газа метана;
• ядовитые продукты, попавшие в воду и в воздух, вызывают массовые отравления и заболевания людей, живущих поблизости от буровых вышек

Может происходить воспламенение питьевой воды, такое наблюдалось в США. Один из фермеров решил сделать колодец для воды взамен отравленного, и нарвался на метан, который фонтанировал три дня.

Опыт других стран

В Китае сланцевая нефть — это, несомненно, перспективный энергоресурс. Основные запасы месторождения находятся там, где остро встает проблема нехватки воды. Тогда был успешно применен метод экстрагирования нефтяных и газовых запасов двуокисью углерода. Процесс протекает при низких температурах (до 40 градусов Цельсия). Такой способ применим для переработки сырья с невысоким содержанием углеводородов.

Австралия на данный момент имеет более 100 месторождений нефти, которые с успехом разрабатываются и, по оценкам ученых, запасов хватит еще на несколько десятилетий, а то и больше.

Получение нефти

Сокращение запасов нефти, добываемой традиционными способами, заставляет нефтяников обратить внимание на горючие сланцы, запас которых на порядок больше открытых нефтяных запасов. Горючие сланцы при нагреве без доступа воздуха образуют газ и сланцевое масло, которое близко по составу к нефти и называется условно сланцевой (нетрадиционной) нефтью. Добыча сланцевой нефти целесообразна, с экономической точки зрения, только на крупных месторождениях с толщиной пласта от 30 метров и содержанием нефти не менее 90 литров на тонну сланца.

Получение сланцевой нефти возможно с помощью установок-реакторов, в которых происходит переработка сланцевой породы, добытой открытым или шахтным способом. На этих установках выделяют сланцевую смолу (нефть) с помощью пиролиза без доступа воздуха. Этот способ весьма затратный, конечный продукт отличается высокой себестоимостью.

Второй способ получения нефти — бурение горизонтальных скважин с применением технологии гидроразрывов пласта. Такая нефть тоже имеет высокую себестоимость.

Недостатком метода получения нефти из пласта является быстрое падение дебита скважины. Уже через год работы происходит резкое, до 80%, снижение объёмов поступающей нефти. Оба способа имеют проблемы утилизации больших объёмов углекислого газа, который образуется в процессе отделения сланцевой смолы. Выпуск его в атмосферу недопустим во избежание экологической катастрофы.

Виды сланца

Сланцы различаются по составу и разделяются на следующие виды:

• кристаллические сланцы-в составе преобладают слюда и кварц, чаще серого оттенка сюда же относят биотитовый сланец с преобладанием черной слюды-биотита, обладают средней твердостью, низкой теплопроводностью и высокой термостойкостью;
• кремнистая порода-состоит из плотных пластин с халцедоном и кварцевыми зернами. В зависимости от примесей имеет различную окраску. Твердые по плотности, с низким уровнем влагопоглощения, не чувствительны к перепадам температур;
• горючий сланец-название говорит за себя, легко воспламеняется, имеет средние показатели плотности, похож на застывшую глину, при горении выделяется едкий запах и копоть;
• глинистый сланец-минерал темного оттенка, твердый, устойчив к воздействию высоких температур, нерастворимый в воде, с включениями глиняных частиц, хлорита и гидрослюды, при намокании издает глинистый запах;
• хлоритовый сланец-из-за содержания хлорита камень имеет зеленый цвет с блестящей поверхностью, ломкие, негорючие, с высокой способностью поглощать звуки;
• грифельный сланец-мягкий минерал серого оттенка, легко слоится на столбцы;
• искусственный сланец.

Применение и переработка сланцевого горючего

Горючие сланцы используют в качестве топлива и энергохимического сырья. Из сланцевой руды получают:

• фенолы;
• клеевые вещества;
• пластификаторы;
• химикаты для борьбы с эрозией почв и сорняками;
• отходы переработки сланцев используют для получения строительных материалов (цемента и пр.).

Очищенный сланцевый газ имеет те же физические свойства, что и традиционный природный газ, используется в качестве топлива.

Нефть, полученную из сланцев, можно использовать непосредственно в качестве топлива или переработать на нефтеперерабатывающем заводе. В процессе переработки происходит удаление примесей серы и азота, добавление водорода к углеводородам. Продуктами переработки являются:

• бензин;
• дизельное топливо;
• мазут.

Используют эти продукты так же, как из обычной нефти.

В России 80% добываемых горючих сланцев просто сжигают на электростанциях. Это дешёвое топливо, но его теплотворная способность низкая. Извлечение нефти и газа производится только из 20% залежей в связи с низкой рентабельностью производства. Но главной причиной является охрана окружающей среды.

Месторождения горючих сланцев разрабатываются активно в странах с отсутствием альтернативы, не имеющих запасов природной нефти и газа.

Основные характеристики сланца

Натуральные сланцы состоят из разных минералов. Порода сформировалась под высоким давлением и воздействием различных температур.

Преимуществом породы является:

1. Устойчивость к воздействию влаги.
2. Огнеупорность.
3. Невосприимчивость к природным факторам.

Их формирование происходило несколько миллионов лет назад в период движения тектонических плит, извержения вулканов и гейзеров. В основе сланцев камни темных оттенков с частицами кремния и полевого шпата. Некоторые породы содержат слюду.