На папері природний газ простий, але практично він складний. Це безбарвний, високогорючий газоподібний вуглеводень. Суміш складається переважно з метану та етану. Він належить до широкої категорії нафтопродуктів. Його часто можна знайти поряд із сирою нафтою. Це викопне паливо забезпечує енергією все – від домашніх обігрівачів до великих промислових підприємств. Воно генерує електрику. Воно готує їжу. Воно навіть рухає деякі види транспорту. Крім енергетичної функції, він є найважливішою хімічною сировиною. Виробники використовують його для створення пластмас. Від нього залежить виробництво добрив. Те саме стосується і барвників.
Знайти цей ресурс не завжди легко. Природний газ часто розчинений у нафті у підземних колекторах. Тиск там колосальний. Іноді він утворює газову шапку, що плаває над шаром нафти. Цей тиск діє як рушійна сила. Воно виштовхує нафту на поверхню. Такий тип газу називається попутним нафтовим газом. По суті це газоподібна фаза сирої нафти. Зазвичай він містить легкі рідини, такі як пропан та бутан. Люди називають його «мокрим газом».
Не весь газ видобувається разом із нафтою. Деякі родовища містять лише газ. Це недолугий (не пов’язаний з нафтою) газ. Оскільки поблизу немає джерела рідкої нафти, його називають сухим газом.
Де люди вперше використовували природний газ?
Історія починається набагато раніше появи сучасних трубопроводів. Ранні люди помітили виходи газу на поверхню. Вони відбувалися в Ірані в період з 6000 до 2000 року до н. е. Давні письменники документували ці нафтові виходи Близькому Сході. Регіон Баку, нині частина Азербайджану, був гарячою точкою. Мабуть, блискавка першою вдарила у ці виходи. Пламена, що виникли, живили «вічні вогні» древніх перських релігій, що поклонялися вогню.
Китай увійшов до історії приблизно 900 року до зв. е. Китайці були практично новаторами. Вони пробурили першу відому свердловину для видобутку газу в 211 року до зв. е. Глибина сягала близько 150 метрів. Роботу виконували бамбукові труби та примітивні ударні бури. Метою був вапняк пізнього тріасового періоду. Цей шар породи віком близько 237 мільйонів років залягав в антикліналі на захід від сучасного міста Чунцін.
Навіщо бурити так глибоко? Щоб висушити сіль. Сіль була прошарована у вапняку. Спалювання газу забезпечувало необхідне тепло. Згодом свердловини почали бурити глибше. Деякі сягали глибини 1000 метрів. До 1900 року у цій антикліналі налічувалося понад 1100 свердловин.
Європа не знала про природний газ упродовж тисячоліть. Континент відкрив його лише в Англії в 1659 року. Навіть тоді він не набув широкого поширення. Попереду був міський газ. Це паливо одержували з коксованого вугілля. Воно висвітлювало вулиці та будинки по всій Європі, починаючи з 1790 року.
Північна Америка пішла іншим шляхом. Саме там сталося перше комерційне використання нафтопродукту. Невелика свердловина у Фредонії, штат Нью-Йорк, дала природний газ 1821 року. Газ транспортували свинцевими трубами малого діаметра. Споживачі використовували його для освітлення та приготування їжі.
Проблема трубопроводів
Протягом більшої частини ХІХ століття використання газу залишалося локальним. Технології транспортування великих обсягів великі відстані просто існували. Вугілля та нафта рухали промисловий розвиток. Природний газ залишався на узбіччі.
Прорив стався 1890 року. Винахід герметичного трубопровідного з’єднання змінило правила гри. Воно дозволило покращити транспортування. Однак матеріали та методи будівництва залишалися громіздкими. Газ було пройти понад 160 км від джерела.
Економіка була суворою. Попутний газ переважно спалювали на смолоскипах. Це означає, що його спалювали безпосередньо на гирлі свердловини. Недолугий газ часто залишали у землі. Міста покладалися на виробничий міський газ. Інфраструктура відставала від ресурсів.
Підвищення мереж магістральних трубопроводів
Далека передача газу стала можливою лише наприкінці 1920-х років. Саме тоді технології трубопроводів нарешті наздогнали амбіції. У період з 1927 по 1931 рік у Сполучених Штатах було збудовано понад десять великих магістральних систем. То були масштабні підприємства. Кожна система використовувала труби шириною приблизно 50 см (20 дюймів). Вони сягали більш ніж на 320 км (200 миль).
Після Другої світової війни масштаби різко зросли. Інженери будували ще довші трубопроводи з діаметрами, що збільшуються. Технології виробництва дозволяли створювати труби завширшки до 150 см (60 дюймів). З початку 1970-х років найдовші з цих артерій починаються у Росії.
Розглянемо трубопровід «Північний потік». Збудований у 1960-х та 1970-х роках, він простягся на 5470 км (3400 миль). Він перетинає Уральські гори та понад 700 річок та струмків. Він пов’язує Східну Європу із Західно-Сибірськими газовими родовищами на Полярному колі. У результаті газ із родовища Уренгой, найбільшого у світі, надходить до Східної Європи, а потім і до Західної Європи для споживання.
Потім є Транс-Середземноморський трубопровід. Він коротший, але є інженерним кошмаром. Ця лінія діаметром 50 см (20 дюймів) проходить між Алжиром та Сицилією. Вона перетинає води, де глибина моря перевищує 600 метрів (2000 футів).
Чому природний газ став преміальним паливом
Природний газ який завжди був цінним. Ще 1960 року попутний газ був проблемою. Він був побічним продуктом видобутку нафти. Інженери відокремлювали його від сирої нафти та усували максимально дешево. Часто його просто спалювали. Спалювання було найпростішим рішенням.
Ситуація змінилася після нафтових криз кінця 1960-х та початку 1970-х років. Природний газ став критично важливим світовим джерелом енергії.
Навіть у Сполучених Штатах на ринку опалення житлових будинків він був обмежений до 1930-х років. Тоді широко використовувався міський газ. Він був синтетичним. Його теплотворна здатність становила половину від теплотворної здатності газу. Коли з’явився рясний та дешевий природний газ, він витіснив міський газ.
Природний газ повністю згоряє, утворюючи в основному вуглекислий газ і воду. Він відносно вільний від сажі, чадного газу та оксидів азоту.
Ця чистота має значення. Викидів діоксиду сірки практично відсутні. У результаті багато країн віддають перевагу природному газу з екологічних причин. Він витіснив вугілля на електростанціях у всьому світі.
Але є каверза. Метан – потужний парниковий газ. Він утримує тепло приблизно в 25 разів ефективніше, ніж вуглекислий газ. Незважаючи на свою репутацію чистого палива, витікання метану зі сховищ, трубопроводів та транспортних засобів роблять значний внесок у глобальне потепління. Це лишається серйозною проблемою.
Що знаходиться всередині труби?
Природний газ – це суміш вуглеводнів. Він складається з насичених легких парафінів. Метан та етан є основними компонентами. Вони перебувають у газоподібному стані за атмосферних умов.
Суміш може містити пропан, бутан, пентан і гексан. У пластах високий тиск утримує навіть ці важчі вуглеводні в газоподібній формі. Після підйому на поверхню та зниження тиску до атмосферного вони конденсуються у рідину. Вони виробляються окремо як рідин природного газу (NGL).
Це відбувається в польових сепараторах або установках переробки газу. Потім рідини природного газу поділяються на фракції. Ви отримуєте все: від важких конденсатів (гексани, пентани, бутани) до зрідженого нафтового газу (LPG) та етану. У Сполучених Штатах це величезна галузь. Переробка природного газу забезпечує більшу частину сировини етану для олефінів. Зріджений нафтовий газ використовується для опалення та комерційних цілей.
Невуглеводневі домішки
Природний газ часто містить невуглеводневі гази. Азот, вуглекислий газ, водень, гелій та аргон є поширеними.
Азот та вуглекислий газ не горять. Вони можуть бути присутніми у значних пропорціях. Азот інертний. Однак, якщо він є у великих кількостях, він знижує теплотворну здатність. Його потрібно видалити перед виходом газу на комерційний ринок. Вуглекислий газ видаляють підвищення теплотворної здатності, зменшення обсягу і забезпечення стабільного горіння.
Потім є сірка. Природний газ часто містить сірководень або інші органічні сполуки сірки. Це відомо як “кислий газ”.
Сірка токсична при вдиханні. Вона corroзує (кородує) об’єкти та трубопровідні споруди. Під час спалювання вона створює серйозні забруднювачі. Тому вона видаляється у процесі переробки. Але поворот: після видалення сірки додається мінімальна кількість їдкого меркаптанового одоранта. Навіщо? Для виявлення витоків. Метан не має запаху. Потрібний запах, щоб знати, якщо щось пішло не так під час транспортування чи використання.
Газ та пластова вода співіснують у пласті. Тому газ, витягнутий із свердловини, містить водяну пару. Ця пара частково конденсується під час транспортування на встановлення переробки.
Теплові та фізичні властивості
Комерційний газ позбавлений рідин природного газу (NGL). Він продається для опалення. Він зазвичай містить від 85 до 90 відсотків метану. Решта — переважно азот та етан.
Його теплотворна здатність висока. Він зазвичай забезпечує приблизно 38 мегаджоулів (МДж) на кубічний метр. Це близько 1050 британських теплових одиниць (BTU) на кубічний фут.
Сам метан безбарвний і немає запаху. Він легко спалахує. Але, як зазначалося, попутні гази, такі як сірководень, мають різкий, пронизливий запах. Усього кілька частин на мільйон достатньо, щоб надати природному газу виразного запаху. Цей запах є мірою безпеки.
Газ не залишається незмінним після того, як залишає надра. Він розширюється. Він охолоджується. Він змінює свій стан. Розуміння того, як ми вимірюємо та переміщуємо це невидиме паливо, становить половину історії енергетичної галузі. Інша половина полягає в тому, щоб не дати йому замерзнути у трубах.
Стандартні обсяги та ринкова вартість
Ми вимірюємо газ за обсягом, але лише за суворих умов. А саме: при стандартному атмосферному тиску (760 мм рт. ст. або 14,7 фунта на квадратний дюйм) та температурі 15 °C (60 °F). Під землею газ стиснутий колосальним тиском. Коли вона досягає поверхні, цей тиск зникає. Газ розширюється. Він посідає більше місця. Але фактична кількість енергії, що міститься у цьому газі, не змінюється.
Саме тому ми використовуємо стандартні умови для вимірювання. Це створює рівні умови всім.
Запаси величезні. Ми говоримо про мільярди і трильйони кубічних метрів (млрд м³, трлн м³) або кубічних футах (млрд фут³, трлн фут³). Щоденний видобуток на гирлах свердловин менший, зазвичай вимірюється в тисячах або мільйонах кубічних метрів (тис. м, млн м) або кубічних футах (тис. фут, млн фут).
Тут є дивна особливість. У галузі використовуються римські цифри. M означає 1000. MM означає 1000 разів 1000. Таким чином, MMcf – це один мільйон кубічних футів. Це здається довільним, доки до цього не звикнеш.
Але обсяг це не те, за що ви платите. Енергія це те, за що ви платите.
Природний газ купують та продають за його теплотворною здатністю. Тобто теплової енергії, яка виділяється при згорянні. Приблизно 38 мегаджоулів на кубічний метр (МДж/м³) або 1050 БТЕ на кубічний фут. Насправді ці числа занадто малі для комерційних угод. Ми використовуємо гігаджоулі (ГДж) та мільйони БТЕ (MMBTU).
У британській імперській системі 1 MMBTU приблизно дорівнює 1000 кубічних футів газу. Ще однією поширеною одиницею є терм, який дорівнює 100 000 БТЕ або приблизно 100 кубічних футів. Ціни часто вказуються за терм, MMBTU або ГДж. Все зводиться до тепла.
Основи обробки на родовищі
Газ на родовищі рідко буває готовим до використання. Іноді вміст метану в ньому настільки високий, що його можна безпосередньо подавати споживачам трубопроводом. Але це трапляється рідко.
Найчастіше він «брудний». Він містить більш важкі рідкі вуглеводні та домішки. Він також знаходиться за дуже низького тиску. Ефективно проштовхнути його трубопроводом у такому стані неможливо.
Тому ми його опрацьовуємо.
Процес включає кілька етапів стискування. Ми стискаємо газ, щоб видалити рідини та домішки. Ми також охолоджуємо флюїд. Охолодження знижує температуру газу. Це заощаджує енергію на компресорних станціях далі по лінії. Це свого роду компроміс. Ви витрачаєте енергію на охолодження і стиск зараз, щоб заощадити енергію пізніше.
Зневоднення та запобігання утворенню гідратів
Вода – ворог при обробці газу.
У простій компресорній установці газ потрапляє у вхідний скрубер. Він видаляє захоплені рідини. Потім газ стискається та охолоджується. Тиск зростає. Температура падає. Водяна пара конденсується в рідину.
Якщо газ занадто охолоне, він досягне точки роси. Вода чи вуглеводні перетворюються на рідину. Це створює проблему. Утворюються газові гідрати. Це кристали, схожі на кригу. Вони забивають клапани. Вони блокують трубопроводи. Вони зупиняють видобуток.
Їх необхідно запобігати.
Рішення – гліколь. Розчин гліколю упорскується в газовий потік. Він поглинає розчинену воду. Газ висихає. Гліколь, тепер насичений водою, нагрівається. Вода випаровується. Гліколь використовується повторно.
Є й інший спосіб. Тверді осушувачі.
Вологий газ проходить через башти, заповнені сушильним матеріалом. Вода адсорбується на твердому тілі. На виході виходить сухий газ. Твердий осушувач зрештою насичується і повинен бути регенерований або замінений.
Відновлення рідких вуглеводнів
Метан цінний. Але важчі компоненти часто коштують дорожче.
Якщо ринкова економіка цього вимагає, ми отримуємо рідкі вуглеводні природного газу (NGL). Для цього потрібен складний комплекс абсорбції та фракційної перегонки.
Сирий стислий газ зустрічається з «збідненою олією» в абсорбційній колоні. Збіднена олія поглинає важчі компоненти із газу. Основна частина газу – зазвичай 95 відсотків метану – виходить зверху у вигляді залишкового газу. Він все ще потребує обробки для видалення сірки та інших домішок.
Рідкий струмінь із дна, тепер «насичене масло», прямує до колони ректифікації. Тут етан видаляється для використання як паливо для потреб заводу або сировини для нафтохімії. Збіднена олія відновлюється і рециркулює назад нагору колони.
Деякі установки мають додаткові колони для поділу пропану та бутану.
Температура має значення. Старі заводи працювали за кімнатної температури. Сучасні об’єкти використовують холодильні машини зниження температури обробки. Це підвищує ефективність абсорбції.
Існує навіть агресивніший метод. Кріогенне розширення.
Саме так ми ефективно одержуємо етан. Охолоджений газ нагнітається потужною турбіною у камеру розширення. Тиск пара падає. Температура різко знижується до −84 °C (−120 °F).
За цієї температури метан залишається газом. Тяжкі вуглеводні конденсуються. Вони витягуються. Метан продовжує рух. Рідини збираються.
Очищення сірководневого газу
Сірководневий газ містить сполуки сірки. Вони корозійно-активні. Вони токсичні. Їх потрібно видалити.
Ми «підсолоджуємо» газ.
Процес використовує етаноламін. Це рідкий абсорбент. Він діє подібно до гліколю при зневодненні, але націлений на сірку.
Газ пропускають через етаноламін. Він виходить практично повністю позбавленим сірки. Потім етаноламін обробляють для видалення поглиненої сірки. Він використається повторно.
Цей цикл триває до того часу, поки амін не вичерпається чи забрудниться настільки, що його неможливо відновити.
Транспортування
Після того, як газ став сухим, «підсолодженим» і виміряним, він надходить у трубопровід. Тиск високий. Температура контролюється. Склад стабільний. Він проходить сотні чи тисячі миль.
Але то вже інша історія. Інфраструктура, яка переміщає це невидиме полум’я, є дивом інженерної думки. Вона потребує постійного моніторингу. Вона потребує технічного обслуговування. Вона вимагає тонкого балансу фізики та хімії.
Якщо один клапан відмовить, вся система зупиняється.
Інфраструктура визначає галузь. Бум видобутку газу полягав у пошуку газу. Йшлося про його транспортування. І першим кроком у цій логістичній головоломці став металевий трубопровід.
До XXI століття мережа не мала нічого спільного з тим, що ми бачимо сьогодні. Найперша металева лінія з’єднала Тітусвілль і Ньютон (Пенсільванія) в 1872 році. Це була чавунна труба діаметром всього 2,5 дюйми. Крихітна. Крихка за сучасними мірками. Тим не менш, вона подавала газ під тиском 80 psi (приблизно 550 кілопаскалей) у 250 будинків. Це був початок.
Перенесемося у справжнє. Масштаби приголомшують. Тільки Сполучені Штати протяжність магістральних трубопроводів перевищує 500 000 кілометрів. Якщо додати до цього 3,4 мільйона кілометрів розподільчих мереж меншого діаметра, вийде мережа, яка щорічно доставляє понад 672 мільярди кубічних метрів газу. Цим постачаються 70 мільйонів споживачів.
Росія, найбільший експортер у світі, не сильно відстає. Вона експлуатує понад 160 тисяч кілометрів магістральних трубопроводів. Її пропускна спроможність? Понад 600 мільярдів кубічних метрів на рік. Фізичний масштаб переміщення енергії від джерела до розетки є дійсним двигуном ринку.
Геометрія тиску
Ви не використовуєте пожежний брандспойт для поливу кімнатної рослини. Інженерія трубопроводів дотримується тієї ж логіки.
Сучасні лінії сильно різняться за розмірами. Підводні трубопроводи можуть мати ширину лише 15 сантиметрів (6 дюймів). Магістральні трубопроводи? Вони роздмухуються до 60, 106 або навіть 122 сантиметрів (24, 42, 48 дюймів). Найбільші російські магістральні лінії перевищують ці розміри, досягаючи 140 сантиметрів (56 дюймів).
Тиск – інша змінна. Великі магістральні трубопроводи працюють при тиску близько 8 мегапаскалів. Це більше ніж 1000 psi. У регіонах, де переважає метрична система, це 80 бар. Тертя газу, що стрімко рухається сталевою трубою, величезне. Щоб підтримувати його рух, кожні 100 кілометрів (60 миль) розміщуються автоматичні компресорні станції. Вони включаються, підвищують тиск та долають опір. Без них газ миттєво зупиняється.
Перетин океанів на льоду
Що відбувається, коли газ знаходиться далеко від ринку? Скажімо, серед нічого? Не завжди можна прокласти трубопровід. Натомість його заморожують.
Зріджений природний газ (ЗПГ) вирішує проблему відстані. При охолодженні до -160 °C (-260 °F) природний газ стискається до 0,16 відсотка від свого початкового обсягу. Це скорочення у 600 разів. Раптово його транспортування через океани стає економічно доцільним.
Процес на заводах зі зрідження газу точний. Він використовує автохолодильні каскадні цикли. Спочатку з газу видаляють діоксид вуглецю та осушують його. Потім він проходить через низку етапів стиснення та розширення. Газ охолоджується доти, доки не перейде в рідкий стан. Енергія при цьому стиснення зазвичай надходить з допомогою спалювання частини самого газу. Ефективно, але дорого.
Після заморожування його завантажують спеціально ізольовані танкери. Ці судна прямують до портів споживання. Там ЗПГ зберігається у холодильних резервуарах до моменту використання. Щоб скористатися ним, рідину необхідно знову перетворити на газ. Для цього потрібно тепло. Часто це тепло надходить із прилеглої морської води — недорогий обмін.
Але є нюанс. Кожен етап – зрідження, транспортування, регазифікація – призводить до витоку енергії. Втрати можуть сягати 25 відсотків від початкового обсягу. Ви відправляєте кригу, але також відправляєте неефективність.
Від палива, що спалюється, до хімічної сировини
Найбільше використання цієї енергії? Виробництво електроенергії. Ми спалюємо його, щоб крутити турбіни.
Після електроенергії слідують промислове та побутове використання. Опалення будинків. Робота заводів. Але природний газ – це більше, ніж просто паливо. Це будівельний блок.
Його чисте горіння зробило фаворитом для транспортних парків. Багато автобусів працюють на стислому природному газі. Він виділяє вуглекислий газ, безумовно, але менше сажі, ніж дизельне паливо.
Він також присутній у речах, яких ви торкаєтеся щодня. Вуглецева сажа – дрібний пігмент колоїдних розмірів – виробляється шляхом спалювання природного газу з обмеженим доступом повітря. Сажа осідає на холодних поверхнях. Вона є у ваших шинах. Вона є у вашому чорнилі для принтерів. Вона є у ваших барвниках.
Зв’язок з аміаком
Більше половини світового аміаку виготовляється з природного газу. Процес використовує водень, одержаний з метану. Каталітичний. Складний.
Цей аміак не просто лежить без діла. Він стає добривом для рослин. Або перетворюється на синильну кислоту, азотну кислоту, сечовину та різні добрива. Якщо ви їсте їжу, вирощену сьогодні, ви, мабуть, скористалися перевагами цієї хімії.
Інші хімічні речовини наслідують аналогічні шляхи. Контрольоване окислення перетворює газ на метанол, пропанол і формальдегід. Це базові матеріали для безлічі інших продуктів. Метанол навіть може замінити бензин.
Потім є МТБЕ. Метил-трет-бутиловий ефір. Це кисневмісна добавка до палива. Ви змішуєте метанол з ізобутиленом над кислою іонообмінною смолою і отримуєте з’єднання, яке підвищує октанове число в бензині. Це хімічний міст між свердловиною та вашим бензобаком.
Де все почалося
Природний газ є більш поширеним, ніж нафта. Він не просто ховається глибоко під землею. Він генерується вище, в межах та нижче «нафтового вікна». Кожна материнська порода має потенціал щодо його виробництва.
Багато з найбільших родовищ газу у світі пов’язані з вугіллям. Невипадково. Ці материнські породи датуються кам’яновугільним та ранньопермським періодами. Приблизно 358,9–273 мільйони років тому.
Газ утворюється із наземних рослин та водних органічних речовин. Давня біомаса, стисла і нагріта протягом еонів. Вона досі формується. Вона все ще рухається. І вона все ще знаходить свій шлях у наші труби, наші резервуари та наші хімічні лабораторії.
Питання не у тому, як ми його знайшли. Ми знайшли його давно. Питання, як довго ми зможемо підтримувати тиск.
Можливо, ви вважаєте нафту і газ стародавніми, які під тиском згустками, замкненими під землею. Це так, але їх шлях до вашого котла або заправної станції включає різні біологічні і термічні етапи.
Біологічна стадія
Перш ніж тепло та тиск візьмуть на себе основну роботу, починають діяти мікроби. Це незріла чи біологічна стадія. Анаеробні бактерії розкладають органічну речовину в зонах без доступу кисню. Вони виділяють біогенний метан. Подумайте про болотяний газ. Паливний газ.
Ці мікроби делікатні. Навіть слідова кількість кисню вбиває їх. Високий рівень сульфатів також пригнічує їхню активність. Тому цей газ утворюється лише у певних місцях. Погано дреновані болота. Дні певних озер. Морські середовища нижчі за зону відновлення сульфатів.
Це не просто нішева цікавість. Біогенний газ становить понад 20 відсотків світових запасів газу. Це величезний обсяг енергії, отриманий з простого розкладання, а чи не з глибокої земної хімії.
Термічна стадія
Потім надходить тепло. Генерація нафти досягає зрілої стадії на глибинах від 750 до 5000 метрів. Це 2500-16000 футів. Це “нафтове вікно”.
Тут ви отримуєте повний спектр вуглеводнів. Термічний метан приєднується до процесу поряд із нафтою. Але якщо копати глибше, ніж 2900 метрів (9500 футів), гра змінюється. Ви переважно отримуєте вологий газ. Газ змішаний з рідкими вуглеводнями.
Опустившись нижче 5000 метрів, ви вступаєте в пострілу стадію. Нафта руйнується. Вона більше не стабільна. Основним продуктом стає тепловий метан. Це вже не мікробне розкладання. Це крекінг існуючих рідких вуглеводнів.
Великі молекули розпадаються швидше, ніж утворюються. Метан виживає. Довшіші ланцюги — ні. Ось чому ви рідко знаходите нафту нижче 5000 метрів в осадових басейнах. Товсті послідовності осадових порід? Вони все ще можуть містити потенціал для глибокого газу, але не для нафти.
Неорганічне формування
Чи весь газ органічний? Зазвичай так. Але якийсь метан може бути неорганічним. Абіогенним.
Вуглець Землі походить від космічного сміття. метеоритів. Вуглецеві хондрити багаті на вуглеводні. Якщо ці метеорити є вихідними будівельними блоками Землі, то високі концентрації вуглеводнів були присутні тут із самого початку.
Безперервна дегазація може все ще відбуватися. Вуглеводні, що виходять із надр планети. Деякі можуть накопичуватися як абіогенних скупчень, будь-коли проходячи через органічну фазу.
Звучить багатообіцяюче? Чи не really. Широка дегазація, мабуть, зробила б газ надто розсіяним. Занадто розкиданим для видобутку. Чи значні скупчення неорганічного метану? Ми їх ще не знайшли. Якщо вони існують, вони добре ховаються.
Потім є зайві елементи. Гелій та аргон. Це не є побічні продукти нафти. Вони походять від радіоактивного розпаду. Сімейства торію та урану виробляють гелій. Калій виготовляє аргон.
Їхня присутність у природному газі, ймовірно, випадковість. Неспоріднені гази, що опинилися захопленими в одній геологічній кишені. Не тому, що вони пов’язані хімічно. Просто невдача для газу, успіх для шахтарів гелію.
Геологічне середовище
Природний газ поводиться подібно до нафти, мігруючи через гірські породи доти, доки не потрапить у геологічну пастку. Але ось у чому справа: нафта містить більше видобутої енергії, ніж газ того ж обсягу. Хоча видобуток газу технічно ефективніший, фізика не грає на його користь. Газ спочатку має низьку концентрацію. Він легко розсіюється. Для того щоб запобігти його витоку, необхідні абсолютно непроникні покрівельні породи.
Ця леткість робить покрівельні породи критично важливими.
Природний газ не вибагливий до глибини. Його можна знайти як у неглибоких шарах, так і глибоко під поверхнею. Неглибокі скупчення часто утворюються в результаті біогенних процесів і формуються вище за «нафтове вікно». Термічний газ, однак, присутній на всьому протязі цього вікна і нижче за нього. У більшості басейнів вертикальний простір для генерації газу більший, ніж для нафти. Приблизно чверть великих газових родовищ є біогенними та неглибокими. Решта? Вони глибоко залягають у старих колекторах, часто в карбонатах, закритих евапоритами.
Конвенційні газові родовища
Не всі конвенційні газові родовища поводяться однаково. Фізичні варіації визначають те, скільки газу фактично можна витягти.
В однофазному газовому родовищі теорія припускає, що можна витягти майже всі запаси, якщо достатньо знизити тиск. Але реальність складніша. Якщо вода з навколишніх порід проникає всередину для підтримки тиску, капілярні сили утримують частину газу за фронтом води, що витісняє. Ви втрачаєте її.
Отже, практично коефіцієнт вилучення становить близько 80 відсотків.
Існує й економічне обмеження. Якщо тиск падає надто низько, вартість стиснення газу перевищує його вартість. Залежно від проникності фактичний коефіцієнт вилучення становить від 75 до 80 відсотків. Супутній газ — той, який видобувається разом із нафтою, — відокремлюється після вилучення.
Неконвенційні газові родовища
Потім є неконвенційний газ. Він залягає у геологічних умовах, які не вписуються у стандартну модель нафтової пастки.
Він зустрічається в:
– щільних пісковиках (низька проникність)
– Тріщини та розломи
– поглиненому в матриці сланців
– Вугільних пластах
– Газових гідратах у холодних полярних чи підводних регіонах
– розчиненому або захопленому в гарячих геопресованих формаційних водах
«Неконвенційний» — це переважно економічний ярлик. Враховуючи сучасні технології та ціни, експлуатація цих джерел обходиться дорожче, а темпи видобутку нижчі. Їх найважче витягти. Але в міру розвитку технологій та подорожчання конвенційних джерел ці альтернативи стають рентабельними. Щільний газ, сланцевий газ та вугільний метан вже довели це.
Щільний газ
Щільний газ ховається в пластових або лінзовидних пісковиках. Ключовим показником тут є проникність. Йдеться про величину менше одного мілідарсі (0,001 дарсі). Це надзвичайно низьке значення.
Конвенційні вертикальні свердловини зазнають тут труднощів. Природні швидкості потоку дуже малі, щоб бути економічно вигідними. Бурити старим способом – значить марнувати ресурси марно.
На сцену виходять горизонтальне буріння та гідророзрив пласта (ГРП).
Ці методи створюють великі зони збору у формах з низькою проникністю. Вони створюють тріщини в породі, надаючи газу “магістраль” до стовбура свердловини. Обсяг видобутку різко зріс відколи ці методи стали стандартом.
Сланцевий газ
Сланцевий газ замкнений усередині тонкозернистої осадової породи. На відміну від щільного газу в пісковиках, де тріщини можуть забезпечувати деякі природні шляхи, сланець щільний та дрібнозернистий. Газ адсорбований на органічній речовині та глинистих мінералах усередині матриці породи.
Для його отримання потрібен двосторонній підхід. Необхідне горизонтальне буріння для максимізації контакту зі сланцевим шаром. Потім потрібен масштабний гідророзрив пласта для розкриття мікротріщин. Без цих кроків газ залишається замкненим.
Масштаби також інші. Сланцеві поклади часто охоплюють сотні квадратних миль. Одна свердловина може підключитися до великої мережі тріщин. Це повністю змінює економіку процесу. Йдеться не просто про пошук кишені газу. Йдеться про те, щоб розглядати саму породу як колектор.
Принаймні зниження витрат за вилучення сланцевий газ безпосередньо конкурує з конвенційними джерелами. У деяких регіонах він став основним постачальником. Технологія не нова, та її ефективність зростає. Тертя матеріалів, кращий моніторинг та вдосконалені конструкції свердловин дозволяють витягувати більше газу з тієї ж породи.
Питання не так у тому, чи можемо ми витягти його. Запитання в екологічних компромісах. Витрати води. Викликана сейсмічність. Витоку метану в процесі видобутку. Це реальні вузькі місця сьогодні.
Тим не менш, потенціал залишається приголомшливим. Ресурси сланцевого газу поширені. Вони обмежені кількома конкретними басейнами. Вони існують майже кожному континенті. Принаймні виснаження конвенційних запасів перехід до цих неконвенційних джерел прискорюється. Геологія не змінюється. Порода залишається дома. Але наші можливості розкрити її ресурси зростають.
Сланцевий газ не розпочинався як ресурс. Він починався як бруд. Органічний мул осідав на дні древніх океанів, покриваючись шарами осадових порід протягом мільйонів років. Висока температура та тиск взяли на себе основну роботу. Вони перетворили цей бруд на породу. Вони ж «приготували» органічну речовину, перетворивши її на природний газ.
Частина цього газу була рухомою. Вона просочувалася до сусідніх кишень пісковика. Застрягши там, вона утворила родовища традиційного газу. Проте більшість газу залишилася замкненою. Сам сланець непористий. Це в’язниця для газу. Протягом десятиліть спроби витягти його були збитковими справами. Потік газу був надто повільним, а маржа надто тонкою.
Потім виникло горизонтальне буріння. Інженери навчилися бурити вбік, прорізаючи пластові сланцеві на багато миль. Додавши гідророзрив пласта (фрекінг), можна розколоти породу. Обсяги видобутку різко зросли. Сьогодні близько 25 відсотків природного газу в США видобувається із цих щільних формацій. Експерти прогнозують, що до середини XXI століття ця частка сягне 50 відсотків. Епоха сланцю настала.
Вуглеводневий газ вугільних пластів
Вугілля – це не лише паливо для електростанцій. Це губка для метану. Величезні обсяги газу залишаються замкненими усередині вугільних пластів.
Процес починається із угалізації. Коли рослинна речовина перетворюється на вугілля, виділяється газ. Частина його випаровується в атмосферу. Значна частина залишається. Вона знаходиться у вигляді вільного газу в тріщинах та розломах пласта. Ще більше газу адсорбується на внутрішніх поверхнях мікропор. Уявіть собі газ, що прилип до внутрішніх стінок мікроскопічних отворів.
Для його вилучення потрібне управління водними ресурсами. Ви бурите свердловину у пласт. Ви відкачуєте воду, що насичує вугілля. Видалення води знижує тиск. Це падіння тиску викликає десорбцію. Метан залишає поверхню пір. Він стає вільним газом. Він мігрує у тріщини. Потім піднімається стовбуром свердловини на поверхню.
Вугілля непроникне. Тріщини – єдині шляхи. Якщо пласт багатий метаном, інженери стимулюють його за допомогою фрекінгу, аналогічно до операцій на сланцевих родовищах. Вугільний газ наразі забезпечує майже 10 відсотків природного газу США. Він зростає і в інших регіонах. Нові райони освоюють ці пласти в міру виснаження традиційних джерел.
Геопрецизійні флюїди та метангідрати
Не весь газ знаходиться у очевидних кишенях. Дехто ховається у глибоких молодих осадових басейнах. Це геопрецизійні резервуари.
Тут пластові флюїди – зазвичай солона розсоли – беруть на себе частину навантаження від вищих порід. Тиск накопичується. Воно може досягати подвійного нормального гідростатичного градієнта. Тепло також погано відводиться. Ізолюючі шари сланцю та глини утримують теплову енергію. Ці флюїди часто гарячіші, ніж у зонах з нормальним тиском.
Розсіл насичений газом. Йдеться про 0,84–2,24 кубічних метрів природного газу на 0,159 кубічних метрів розсолу. Це 30-80 кубічних футів газу на барель. Звучить багатообіцяюче. Але це негаразд.
Видобуток цього газу потребує високих дебіситів. Вам потрібні формації з високою пористістю та проникністю. Вам також необхідно відкачувати величезні обсяги гарячої пластової води, щоб отримати комерційну кількість газу. Енергетичні витрати та логістичні проблеми надто великі. Наразі комерційний видобуток газу з геопрецизійних відкладень відсутній. Математика не сходиться.
Метангідрати – це щось інше. Вони є твердими структурами, схожими на лід. Поодинокі молекули метану укладені в клітинні ґрати з молекул води. Це молекулярна пастка.
Ці гідрати існують у двох основних місцях. Під вічною мерзлотою у полярних регіонах. І на морському дні вздовж континентальних шельфів. Специфічні комбінації тиску та температури дозволяють метану мігрувати у водоносні резервуари та утворювати ці структури. Вони зустрічаються в полярних пісковиках, а також у піску та глині континентальних околиць.
Вилучення є вузьким місцем. У нас поки що немає економічно життєздатного чи екологічно стійкого методу. На столі лежать дві основні ідеї.
По-перше, депресуризація. Пробурити свердловину у формацію. Зменшити навколишній тиск. Метан вивільняється з водних грат. Він піднімається вгору стовбуром свердловини.
По-друге, ін’єкція вуглекислого газу. Накачати CO2 у породу. Молекули CO2 витісняють метан з ґрат. Метан вивільняється. Потім його можна витягти.
Обидва методи мають ризики. Залучені екосистеми є надзвичайно чутливими. Полярні середовища та морські шельфи крихкі. Будь-яка технологія має розроблятись з крайньою обережністю. Газ у нас є. Ми просто не знаємо, як витягти його, не зруйнувавши навколишній світ.
Світовий розподіл природного газу
Газ не просто знаходиться в одному місці. Він мігрує.
Уявіть собі земну кору як вертикальну фабрику генерації газу. Поблизу поверхні знаходиться неглибокий біогенний газ. Далі, на глибині, ви потрапляєте у вікно нафти, де розчинений газ. Якщо заглибитись ще більше, починає домінувати термальний газ.
Ця широка вертикальна довкілля разом із нескінченним джерелом сировини свідчить, що ми лише поверхово вивчили це питання. Буквально.
Оцінки показують, що обсяг видобутого газу, що залишається нерозвіданим, становить 45 відсотків загального обсягу. Енергетичний потенціал цих остаточних ресурсів, як прогнозується, буде порівнянний із нафтою. Сьогодні ми використовуємо менше газу, ніж нафти, тому поточні запаси, як очікується, прослужать довше. Однак, якщо моделі споживання зміняться та використання газу досягне масштабів нафти, ця довговічність швидко зникне. Газ перетвориться на ще один короткочасний ресурс.
Вартість втрат газу
Спалювання попутного газу не є чимось новим. Це шкідлива звичка, пов’язана зі здобиччю нафти.
У 2017 році Світовий банк повідомив про приголомшливі втрати. Приблизно 141 мільярд кубічних метрів (млрд м³) газу — що еквівалентно 5 трильйонам кубічних футів (трлн куб. футів) було спалено безпосередньо на свердловині. Це становить одну п’яту частину річного споживання газу Сполучених Штатах чи 75 відсотків річного експорту Росії.
Навіщо витрачати його марно? Відстань родовищ. Видобуток газу із ізольованих свердловин обходиться дорого. Якщо його неможливо транспортувати трубопроводами, його спалюють.
Історично найбільшими “порушниками” були Росія, Близький Схід та частини Африки. Хоча значна частина цього газу тепер повторно закачується в пласт підтримки тиску, те, що може бути закачано, часто спалюється.
Але економіка змінює поведінку. У міру зростання вартості газу зусилля щодо його збереження посилилися. Спалювання скоротилося. Гроші надто великі, щоб просто йти в дим.
Гіганти індустрії
Не всі родовища однакові.
Найбільші родовища газу — це «супергіганти». Вони містять понад 850 млрд м ³ (30 трлн куб. футів) газу. Потім ідуть «світові гіганти», обсяг яких становить від 85 до 850 млрд м³ (від 3 до 30 трлн куб. футів).
Ці величезні родовища становлять крихітну частку від загальної кількості відомих родовищ. Менш ніж 1 відсоток. Проте вони є основою галузі.
Супергіганти та гіганти, а також супутній газ, виявлений у гігантських нафтових родовищах, спочатку містили близько 80 відсотків світових запасів. Вони забезпечують 80 відсотків світового видобутку газу.
Роль Росії
Росія має у своєму розпорядженні деякі з цих гігантів.
Росія утримує корону найбільшого у світі запасів природного газу. Йдеться приблизно про 47 трильйони кубічних метрів (трлн м³), або близько 1680 трильйонів кубічних футів (трлн куб. футів) газу. Росія періодично ділить перше місце з видобутку зі Сполученими Штатами, проте обсяг ресурсів, прихованих під землею в Росії, не має аналогів.
Основна діяльність зосереджена у Західному Сибіру. Зокрема, подивіться на схід від Обської губи прямо на Північне полярне коло. Саме тут знаходяться одні з наймасштабніших газових родовищ планети.
Уренгой: Гігант, який продовжує працювати
Уренгой – друге за величиною газове родовище у світі. Воно було відкрито 1966 року. Початкові оцінки запасів склали 8,1 трлн м (286 трлн куб. футів). Це приголомшливий обсяг енергії.
Геологія тут складна, але послідовна. Приблизно три чверті цього газу знаходиться у найдрібнішому резервуарі. Він залягає на глибині від 1100 до 1250 метрів (від 3600 до 4100 футів). Ці породи мають крейдяний вік (пізня крейда), що датується приблизно 66-100,5 мільйонами років тому.
Загалом в Уренгої налічується 15 окремих резервуарів. Деякі з них знаходяться в породах нижньої крейди, які старші і датуються періодом приблизно від 100,5 до 145 мільйонів років тому. Найглибша точка — це зона газового конденсату у відкладах верхнього юрського періоду, вік яких становить 145–163,5 мільйонів років.
Видобуток почався 1978 року. Вона досягла піку. Обсяги видобутку знизилися з того часу, але Уренгой як і перевищує будь-яке інше одиночне газове родовище Землі за обсягом. Він залишається королем видобутку.
Ямбург та Оренбург
На північ від Уренгоя, а також на північ від Північного полярного кола, знаходиться Ямбург. Це друге за величиною родовище у Росії. Початкові запаси оцінювалися в 4,7 трлн м (166 трлн куб. футів). Газ видобувається переважно із резервуарних порід верхньої крейди. Вони залягають на глибині від 1000 до 1210 метрів (від 3300 до 4000 футів). Розробка розпочалася на початку 1980-х років.
Потім є Оренбург. Відкрите у Волго-Уральському регіоні 1967 року. Воно носить звання найбільшого газового родовища Росії поза Західного Сибіру. Початкові запаси становили 1,8 трлн м (64 трлн куб. футів). Видобуток почався 1974 року. Воно значуще, але може конкурувати з сибірськими гігантами за своїми масштабами.
Гронінген: Опора Європи
Перейдемо на південь, до Європи. Найбільше родовище газу на континенті — Гронінген. Воно розташоване на узбережжі Нідерландів. Відкриття відбулося 1959 року. Видобуток почався 1963 року. Початкові видобуті запаси становили від 2,7 до 2,8 трлн м (від 95 до 99 трлн куб. футів).
Вони вже витягли близько 60 відсотків цих початкових запасів. Геологія тут є унікальною. Розвідувальна свердловина пройшла через евапорити пермського періоду (віком 251,9–298,9 мільйона років). Вона досягла потужного базального пермського пісковику, який виявився високопродуктивним.
Подальше буріння виявило широку антикліналь. Вона має ширину близько 24 км (15 миль) та довжину 40 км (24 милі). Резервуар покритий цими евапоритами. Газ залягає на глибині від 2500 до 3000 метрів (від 8000 до 10 000 футів). Нижче цього резервуара знаходиться зрізана і сильно розбита розломами кам’яновугільна (пенсильванська) послідовність, що містить вугілля. Ця послідовність, яка датується періодом від 323 до 299 мільйонів років тому, вважається основним джерелом газу.
Тролл: Північно-морський гігант Норвегії
Друге за величиною газове родовище в Європі – це родовище Троллі. Воно розташоване під Північним морем, менш ніж за 100 км (60 миль) від узбережжя Норвегії. Воно залягає у пісковиках верхнього юрського періоду. Відкриття відбулося 1979 року. Видобувані запаси оцінювалися в 1,3 трлн м (45,9 трлн куб. футів).
Видобуток почався 1996 року. Це одразу стало переломним моментом. Норвегія швидко стала одним із найбільших у світі виробників та експортерів природного газу. Тільки на Тролл припадає понад половина доведених запасів природного газу Норвегії. Ці доведені запаси становлять 2 трлн м (72 трлн куб. футів).
Північна Америка
Велики Північної Америки
США мають у своєму розпорядженні колосальні доведені запаси природного газу в обсязі 9,7 трлн кубометрів. Це 341 трильйон кубічних футів палива, що залягає під землею. Головною перлиною є сланцева формація Марцеллус. Вона простягається через штати Пенсільванія, Огайо, Західна Вірджинія та Нью-Йорк. Деякі оцінки припускають, що він містить до 14 трлн кубометрів газу.
Вона видобуває понад 80,3 млрд. кубометрів на рік. Це робить її найбільшим джерелом країни. Вона також є одним із найбільших газових родовищ на планеті. Масштаби важко усвідомити, доки не подивишся на обсяги видобутку.
Потім є родовище Хьюготон. Відкрите у 1927 році в Канзасі. Воно простягається через Оклахому та Техас. Щоб побачити повну картину, потрібний широкий погляд. Продуктивна площа тягнеться вздовж зони завдовжки 400 км. Там було пробурено понад 10 000 свердловин.
Геологія тут специфічна. Газ видобувається з пермських вапняків та доломітів. Стратиграфічні варіації у літології контролюють скупчення. Це не просто дірка у землі. Це складний пастковий комплекс. Оціночні запаси родовища складають 1,5 трлн кубометрів. Вже вилучено близько 65 відсотків від них.
Канада – наступний великий гравець. Має 2,1 трлн кубометрів доведених запасів. Їхній нерозвіданий потенціал майже точно відповідає показникам США. Це величезний обсяг невикористаної енергії. Одним із великих об’єктів є родовище Ельмворт. Воно було виявлено в Альберті у 1976 році. Воно залягає у крейдяному пісковиковому колекторі. Воно містило 560 млрд. кубометрів газу. Це 20 трильйонів кубічних футів потенціалу.
Мексика інакше. Має 356 млрд кубометрів доведених запасів. Видобуток розрізнений. Значна частина припадає на нафтове родовище Кантерель у Мексиканській затоці. Попит зростає. Електроенергетична галузь відчуває голод. Але вони не можуть переробити весь обсяг. Мільярди кубічних метрів попутного газу спалюються на смолоскипах щороку. Це невикористаний потенціал. Або точніше неефективна інфраструктура.
Велетні пустель
У Північній Африці історія давніша. Ключовим об’єктом є родовище Хассі-Р’Мель. Воно розташоване в центральній западині Алжиру. Воно було відкрито 1956 року. Воно залягає у великій антикліналі. Колектором служить тріасовий пісковик. Йому 200 мільйонів років. Він покритий соляними пластами.
Спочатку він містив близько 2,52 трлн кубометрів видобутого газу. Він продовжує видобувати 100 млрд. кубометрів на рік. Це 60 відсотків загального обсягу сухого газу в Алжирі. Геологія тут чиста. Проникна порода. Соляна кришка. Це класичний колектор. Але це також потужний економічний двигун для регіону.
Близький Схід
Близький Схід утримує решту глобального балансу.
На Близькому Сході справа не лише у сирій нафті. Під пісками ховається величезний підземний резервуар газу. Цей потенціал пов’язаний із Аравійсько-Іранським басейном. Його основою є пермське формування Хуфф. Воно залягає під переважно регіону. Це ключовий обрій для накопичення газу.
Цей шар містить найбільше у світі родовище попутного газу. Катар називає його Родовище Північ, а Іран – Родовище Південний Парс. Воно розташоване в акваторії. Запаси приголомшливі. Оцінки вказують на обсяг понад 28 трлн кубічних метрів. Це 1000 трильйонів кубічних футів.
Це багатство визначає рейтинги. Іран посідає третє місце за запасами природного газу. Катар – четверте. Більше запасів лише у Росії. Причина у формуванні Хуфф. Це вже не лише нафтова країна. Це газова наддержава.
Рифові колектори Азії
Рухайтесь на схід. У Азії є свій гігант. Родовище Арун. Відкрито у 1971 році. Воно розташоване у північній частині басейну Суматра в Індонезії. Гірські породи тут відрізняються. Це рифовий вапняк. Він належить до середнього міоцену. Це 16–11,6 мільйона років тому.
Початкові запаси оцінювалися в 383 мільярди кубічних метрів. Або 13,5 трильйона кубічних футів. Великі цифри. Але газ не поставляється трубопроводами сусідам. Газ скраплюється. Лише на експорт. Це повністю змінює логістику. Потрібні холодові ланцюги. Потрібні спеціалізовані танкери. Цінність полягає у мобільності.
