Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография - Ефим Крейнин

Е. В. Крейнин

НЕТРАДИЦИОННЫЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ РАЗРАБОТКИ

Монография

[email protected]

Информация о книге

УДК 553.98

ББК 26.325.4

К79

Крейнин Е. В. – д.т.н., профессор, действительный член РАЕН, удостоен звания «Заслуженный изобретатель РСФСР». Им опубликовано 330 печатных работ, в том числе 9 монографий, получено 135 российских авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Современные тенденции развития мировой энергетики направлены на вовлечение в топливно-энергетический баланс нетрадиционных углеводородных источников: метансланцевых, угольных и газогидратных месторождений, а также высоковязкие нефти и битумы, извлечение которых пока проблематично.

В монографии изложены инженерные и научные основы разработки нетрадиционных трудноизвлекаемых углеводородных источников, добыча которых стала приоритетной задачей современного мирового топливно-энергетического комплекса. Предлагаемые технические решения подтверждены многочисленными патентами Российской Федерации.

Особый интерес представляет перспектива производства синтетических углеводородов (жидких и газообразных) из угля при его подземной газификации.

Практическая реализация разработанных технологий позволит существенно расширить ресурсную базу экологически чистых органических топлив.

УДК 553.98

ББК 26.325.4

© Крейнин Е. В., 2015

© ООО «Проспект», 2015

СОКРАЩЕНИЯ

В книге применяются следующие сокращения:

CRIP – The Controlled Retracting Injection Point (пер. с англ.: контролируемый перенос очага горения – метод КРИП);

CTL – coal-to-liquids (пер. с англ.: уголь в жидкость);

GTL – gas-to-liquids (пер. с англ.: газ в жидкость);

ЕЭС – Европейское экономическое содружество;

ЗПГ – заменитель природного газа;

КПД – коэффициент полезного действия;

ОНГКМ – Оренбургское нефте-газоконденсатное месторождение;

ПГУ – подземная газификация угля;

ПГУ-СФТ – подземная газификация угля – синтез Фишера-Тропша;

ПДК – предельно допустимая концентрация;

СФТ – синтез Фишера-Тропша;

ТЭС – тепловая электрическая станция.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Посвящается 65-летию со времени основания института ВНИИПодземгаз (июль 1949 г.), последовательно переименованного во ВНИИПромгаз, ВНПО «Союзпромгаз» и сегодняшнее ОАО «Газпром промгаз».

В последнее время мировая энергетика вынуждена активно заниматься проблемой освоения нетрадиционных газов (угольный метан, сланцевый газ, природные газовые гидраты, газ подземной газификации угля и др.). Энергетическая безопасность и устойчивость будущего общества требуют вовлечения этих нетрадиционных источников углеводородного сырья в промышленное потребление.

Кроме того, нетрадиционные газы особенно значимы для регионов, далеко расположенных от источников трубопроводного природного газа. К ним, в первую очередь, следует отнести регионы с угольными и сланцевыми месторождениями.

Поэтому ученые и инженеры всего мира начали активно заниматься проектами их промышленного освоения. Появилась острая необходимость в новых прорывных технологиях.

Современные тенденции развития мировой энергетики направлены на вовлечение в ее топливно-энергетический баланс нетрадиционных трудноизвлекаемых углеводородных источников. К ним относят метан угольных, сланцевых и газогидратных месторождений, в том числе содержащийся в малопроницаемых породных коллекторах. Велики также ресурсы высоковязких нефтей и битумов, извлечение которых пока проблематично.

На рис. 1 обобщены отдельные данные по ресурсам основных видов трудноизвлекаемых топлив.

Рис. 1 – Виды трудноизвлекаемых топлив

Особое место отведено возможности превращения угля в углеводородное сырье. Современные передовые технологии в мире посвящены синтезу углеводородов из газа, генерируемого при газификации угля. При этом в рамках настоящей монографии рассматривается подземная газификация угля на месте его естественного залегания и превращения получаемого газа через синтез Фишера-Тропша в газообразные и жидкие углеводороды.

Одновременно с необходимостью разработки экологически чистых топливных (угольных) технологий надо принимать во внимание современную направленность поисков «зеленой» энергетики и экономики [1].

Под «зеленой» энергетикой понимают, прежде всего, возобновляемые неуглеводородные источники, работающие на энергии ветра, солнца и воды.

Ускорению развития «зеленой» энергетики в существенной мере содействуют риски крупномасштабных аварий, подобные катастрофам на атомных электрических станциях в Чернобыле (СССР, 1986 г.) и Фукусиме (Япония, 2011 г.).

Эксперты-энергетики прогнозируют масштабное использование возобновляемых энергетических источников только во второй половине нынешнего века.

Характерными особенностями топливно-энергетического комплекса являются неполнота извлечения его традиционных ресурсов (подвижные нефти, газовый конденсат, природный газ и уголь на глубине до 400–500 м) и практическая неосвоенность нетрадиционных источников углеводородного сырья (высоковязкие нефти, природные битумы, нефтегазоносные породы с низким коэффициентом проницаемости, газогидратные месторождения, уголь на глубине более 800 м, угольный метан). Ресурсы неизвлеченных (оставленных) традиционных и сегодня неизвлекаемых нетрадиционных источников углеводородного сырья на порядки превышают запасы традиционных видов топлива.

С учетом ограниченности доступных запасов нефти и природного газа (по экспертным оценкам, их хватит на 30–50 лет), возникает острая проблема, с одной стороны, повышения степени их извлечения и, с другой стороны, освоения нетрадиционных топливных ресурсов. Нужны новые технологии, характеризующиеся минимальными материальными затратами и эффективными техническими решениями.

В то же время масштабность запасов угля в Российской Федерации и мире (по некоторым оценкам, угля хватит на срок более 500 лет), бесшахтные методы его добычи и переработки могли бы заметно увеличить долю угля в топливно-энергетическом балансе страны. К сожалению, в 2010 г. она составила всего 13 %.

Информация о ресурсах нетрадиционных углеводородных газов была детально рассмотрена на ХХIV Международном газовом конгрессе, который проходил в г. Буэнос-Айрес в 2009 г.

Международное энергетическое агентство обобщило в своем последнем докладе [2] исследования нескольких авторов [3–5] и представило информацию о состоянии ресурсов нетрадиционных газов по регионам мира (табл. 1).

Таблица 1

Мировые ресурсы нетрадиционного газа, трлн м3

Состояние использования топлива в тепловых электростанциях стран «Большой Восьмерки» иллюстрируется данными табл. 2 [6].

Таблица 2

Структура первичных энергоносителей на тепловых электростанциях «Большой Восьмерки» в 2000 г.

В странах «Большой Восьмерки» доля тепловых электростанций превышает 60 %. Наиболее низкая доля тепловых электростанций во Франции – 9,5 % (основная часть электроэнергии – более 77 % – вырабатывается на атомных электростанциях) и в Канаде – 25,9 %, где электроэнергия вырабатывается в основном на гидроэлектростанциях (60,4 %).

На тепловых электростанциях в большинстве стран, за исключением Японии и Италии, используется уголь. Доля природного газа – от 15 до 20 %, и только в Великобритании она достигает 55 %. В Японии доля отдельных первичных энергоносителей на тепловых электростанциях примерно одинакова. В Италии тепловая электроэнергетика ориентируется преимущественно на использование мазута и природного газа (табл. 2).

В соответствии со стратегией развития электроэнергетики Российской Федерации на ближайшие годы, доля природного газа останется равной 67–68 %, угля – 25–26 %, мазута – 3,1–3,3 %.

Вместе с этим сегодня эксперты-энергетики и политические круги ставят вопрос о необходимости планомерного замещения газа углем [7]. Это неизбежно потребует корректировки ранее разработанной энергетической стратегии, тем более что потенциал российской угледобывающей промышленности далеко не исчерпан и позволяет наращивать объемы добычи угля. При этом нельзя не учитывать опыта развитых стран Запада в вопросах рационального использования топлива.

Однако увеличению доли угля в топливно-энергетическом балансе страны в существенной мере препятствуют экологические последствия. Традиционные технологии добычи и сжигания угля сопряжены с негативным воздействием на земную поверхность и воздушный бассейн. Для угольных тепловых электрических станций характерны существенные выбросы токсичных газообразных веществ и твердых частиц.