Газ XXI века?
На флогистоне ездили автомобили, бездымно работали заводы... Запасы флогистона обнаружились везде — в Штатах, в Африке и даже в Антарктиде... — не было его только на исламском Востоке и на всей российской территории... Честно говоря, Плоскорылов ненавидел флогистон. Он не до конца в него верил. Это явно было хазарское изобретение... Оставалось только понять, как на этой грандиозной ЖДовской лжи крутятся моторы.
Дмитрий Быков. ЖД
Разговоры о скором, в течение нескольких десятилетий, исчерпании углеводородов ведутся не одно десятилетие, однако и потребление, и добыча, и объем разведанных запасов этих полезных ископаемых устойчиво растут. Более того, трезвомыслящие экономисты утверждают, что на самом деле та же нефть не кончится никогда. А вот что может кончиться, так это нефть или газ с определенной себестоимостью, после чего либо откроются перспективы каких-то новых источников, либо состоится переход на другие энергоносители и химическое сырье, сегодня нерентабельные. Так проблема исчерпания углеводородов становится из научно-технической — экономической. Размер же тех запасов, которыми располагает цивилизация, оказывается зависящим прежде всего от появления новых, более выгодных методов добычи. Любой прорыв в этом направлении может резко изменить экономическую ситуацию в мире. Отечественные пессимисты говорят, что это и будет следствием американской сланцевой революции, оптимисты же называют газ из сланцев блефом. Представление о ситуации можно составить на основании дискуссий участников IX Московского международного химического саммита (ноябрь 2012 года), за которыми внимательно следил корреспондент «Химии и жизни» С.М.Комаров.
Нефть и эмбарго
Сланец сланцу рознь. До начала 80-х годов XX века были хорошо известны горючие сланцы. В СССР их добывали главным образом в Эстонии и Ленинградской области, а использовали как источник топлива и для получения химического сырья. Содержащиеся в них органические вещества перегонкой превращали в газ и жидкость — сланцевое масло, подобное нефти. Оставшаяся зола шла на производство цемента или оказывалась вместе с пустой породой в отвалах. Вообще, в горючих сланцах, которые изобильно разбросаны по миру, содержится в 10 тысяч раз больше углерода, чем в угле, и в миллион раз — чем в нефти (см. «Химию и жизнь», 1981, № 3). Однако и газ, и нефть из них получаются дорогими, урон окружающей среде из-за большого количества отвалов немалый, и после распада СССР, когда восходящая еще к плану ГОЭЛРО идея о приоритетном использовании местных ресурсов была отвергнута, интерес к горючим сланцам в нашей стране иссяк. Газоносные сланцы - это совсем другая порода, речь о которой пойдет ниже.
В США идея использовать горючие сланцы в качестве местного, не зависящего от мировой конъюнктуры источника углеводородов, в последний раз появилась в середине 70-х годов, когда в капиталистическом мире бушевал нефтяной кризис. Его урегулирование и снижение цен на нефть, а соответственно и на газ, вновь перевели сланцы в разряд бесперспективного сырья. Тут надо напомнить, что США — богатейший нефтеносный район мира и вплоть до 1949 года полностью обеспечивали собственные нужды в нефтепродуктах. Однако потом потребность стала расти быстрее, и так было до 2005 года, когда США прошли пик импорта нефти и нефтепродуктов. С тех пор объем импорта упал с 60% потребления до 45%. При этом производство нефти в США выросло на 24%, потребление же ввиду общего спада и внедрения альтернативных видов топлива — упало на 9%. В общем, сейчас американская экономика употребляет в день 18,8 миллионов баррелей сырой нефти.
Возникновение зависимости от иностранцев сразу же насторожило руководителей страны. Борьбу с импортом энергоносителей начал уже Гарри Трумен, занимавший пост президента с 1945 по 1953 год. Он призвал повысить добычу нефти внутри страны, в частности за счет переработки горючих сланцев. Добыча нефти действительно начала резко расти, но импорт рос не менее быстро. В 1958 году президент Дуайт Эйзенхауэр пошел на прямые запретительные меры, введя квоту на использование импортной нефти в производстве нефтепродуктов на каждом заводе. Эта мера продержалась 11 лет, пока в 1969 году цены на нефть не начали подниматься, а добыча в США, достигнув пика, не пошла на спад. В 1974 году политика квот рухнула, Ричард Никсон заменил ее ввозными пошлинами, которые из-за арабского кризиса составили лишь несколько центов. Именно тогда случилось то, чего все американские руководители так боялись: в 1973 году арабы, потерпев поражение в войне Судного дня, ввели запрет на поставку нефти в страны, поддержавшие Израиль, и в первую очередь в США.
Запрет больно ударил по экономике США и по американскому обществу. Шутка ли, в самой автомобильной стране мира были введены ограничения на покупку бензина, по воскресеньям автозаправки вообще не работали! Экономические же неурядицы — почти мгновенный четырехкратный рост цен на энергоносители не мог не сказаться на всей промышленности и транспорте — привели к тому, что окончание правления Джимми Картера (1977—1981) ознаменовалось инфляцией в 15% годовых. Наученные горьким опытом, американские руководители залили в соляные пещеры в центре страны запас нефти, которого хватит на компенсацию потерь от прекращения импорта в течение не менее трех месяцев, — 700 миллионов баррелей. С тех пор запас раскупоривали трижды: во время войны в Персидском заливе 1990—1991 годов, ураганов Катрин и Рита в 2005-м и войны в Ливии 2011 года.
Чтобы смягчить проблему нехватки нефти и загрузить мощности по ее переработке, Никсон в 1975 году ввел запрет на экспорт сырой нефти, который действует до сих пор. В 1990 году Джордж Буш-старший ввел новые ограничения, запретив добычу нефти на большей части шельфа (при этом предложив начать нефтедобычу на заповедных землях Аляски). Как бы то ни было, добыча нефти в США, которая стабильно росла в период с конца XIX века до 1969 года, упала к 2009 году по сравнению с пиком почти на 50%. А затем начался новый рост.
Новый американский газ
С газом ситуация несколько иная: при потреблении в 2010 году 675 миллиардов м3 страна импортировала всего 100 миллиардов м3 и треть из них возвращала туда же, где и покупала, — в Канаду. Сжиженный же американский газ в небольшом количестве поступает в Японию, а танкеры с газом, купленным у Тринидада и Тобаго или у арабов, прямиком направляются в Корею и Китай. Значит, здесь особой зависимости от поставок энергоносителей нет.
Однако Джеральд Форд, наследовавший президентское кресло после импичмента Никсону, и его преемник Джимми Картер хоть и принадлежали к противоположным политическим партиям, оба считали, что для ослабления нефтяной зависимости страны можно идти также обходным путем: частично заменить нефть природным газом. Они стали финансировать работы, направленные на интенсификацию газодобычи, в том числе из нетрадиционных источников. Тогда и была в очередной раз реанимирована идея переработки горючих сланцев, впрочем вскоре вернувшаяся в состояние летаргического сна. А вот со сланцевым газом история получилась более интересной.
Для возникновения месторождения углеводородов нужно заключить слой органики в проницаемую среду, например песчаную (коллектор), окружить его непроницаемыми слоями глинистой породы, а потом подогреть более или менее продолжительное время. В зависимости от возраста, температуры и глубины залегания эта органика или полностью превратится в газ, или сохранит какие-то промежуточные формы — нефть, газовый конденсат или так называемый жирный газ, содержащий не только метан, но этан, пропан и бутан. Пробурив скважину сквозь запирающий слой, можно относительно легко выкачивать из коллектора нефть и газ.
Однако материал коллектора может оказаться труднопроницаемым, каменистым. В нем тонкие слои глины перемежаются тонкими слоями органики или же органика размещена в толще твердого песчаника. Это и будет сланец. Тогда продукты распада органики окажутся заключенными в порах, каких-то несплошностях, адсорбированными на поверхности песчинок и глинистых частиц. Чтобы добыть эти продукты, требуется пробурить огромное количество скважин, каждая из которых даст урожай лишь с малой толики поля. Экономическая бессмысленность такого подхода очевидна, потому никто и не рассматривал всерьез перспективы добычи газа и нефти из сланцев, хотя они занимают поля огромной протяженности, не в пример традиционным месторождениям. Эти-то поля и заинтересовали борцов за американскую независимость от импорта энергоносителей, благо оценки показывают, что запасы газа в них исчисляются сотнями триллионов кубометров.
В 1976 году Моргантауновский центр энергетических исследований — лаборатория государственного Бюро горного дела — начал Восточный проект сланцевого газа. Целью проекта было изучить возможности извлечения газа из сланцев и других нетрадиционных источников. Наиболее перспективными считались Девонское поле в Новой Англии и Барнеттовские сланцы в Техасе.
В проекте приняли участие многие университеты, частные компании и такие гиганты американской науки, как национальные лаборатории в Лос-Аламосе, Ливерморе, Лоуренсовская и Сандийская лаборатории. Они занимались расчетами и готовили демонстрационные проекты по извлечению газа из различных нетрадиционных источников.
Вскоре к проекту присоединилось Министерство энергетики США, которое совместно с другими федеральными агентствами, как на уровне штатов, так и на уровне всей страны, в течение тридцати лет щедро финансировало отработку технологии. Именно с его помощью в 1977 году в Колорадо впервые был произведен массивный гидроразрыв пласта для извлечения газа. Основными направлениями финансирования были сама по себе технология горизонтального бурения, совершенствование буровой техники, а также создание методик для построения трехмерных карт на основании микросейсмических данных. Как отмечают американские энергетики, если бы не помощь министерства «неперспективной» теме, не было бы сейчас на рынке США газа ни из сланцев, ни из твердых песков, ни из угольных месторождений. В 1986 году впервые и опять же за государственный счет был произведен успешный множественный гидроразрыв пласта. Однако время добычи еще не наступило.
Прорыв связан с именем техасца Джорджа Митчелла, который основал компанию «Митчелл Энерджи». Именно он в 80-х годах сумел воспользоваться данными картирования сланцевых залежей, которое провело Министерство энергетики, чтобы понять, как все устроено в техасских недрах. Он образовал союз с Министерством энергетики и финансируемым из госбюджета Институтом газовых исследований для разработки Барнеттовских сланцев (из них сейчас добывают 6% всего природного газа США). Результат предъявили в 1997 году: применив на практике новый способ гидроразрыва «скользкой» водой Митчелл наконец-то получил сланцевый газ, себестоимость которого оказалась достаточно низкой, чтобы рассматривать его как потенциальный товар, а не курьез экономики, перевернутой вверх тормашками за счет дотаций. «Скользкой» воду делают всевозможные добавки вроде акриламида, поверхностно-активных веществ, биоцидов и прочего, в результате чего сопротивление течению воды падает и скорость ее прокачки возрастает раза в два.
Вертикальный ствол, боковые рукава
Что это за технология? Сначала геологи тщательно выясняют, как залегают слои пород в районе предполагаемого бурения. Затем выбирают наиболее перспективный слой и бурят вертикальную скважину. Дойдя до центра слоя, скважину поворачивают вбок и начинают проходку вдоль него. Глубина вертикального ствола в США составляет примерно 2 км, бокового — от 300 м до 1 км.
Затем в скважину помещают трубу, заполняют ее бетоном так, чтобы тот весь вылился из противоположного конца, упирающегося в непробуренную породу, и залил все пространство между стенками трубы и скважины. Закончив герметизацию, в трубе делают отверстия, после чего закачивают в скважину воду с песком, а также с различными химикалиями, зачастую ядовитыми. Проступая сквозь дырки в трубе, вода разрушает породу, а песок заполняет получившиеся трещины, предотвращая обрушение. Сквозь него газ и сопровождающие его углеводородные жидкости (если таковые в пласте имеются) легко просачиваются к трубе. Далее вход в дырявую часть бетонируют и операцию повторяют. Сделав несколько гидроразрывов вдоль всего бокового ствола, бетонные пробки удаляют и качают выделяющиеся сквозь трещины углеводороды, пока те не кончатся. Потом операцию можно повторить. Считается, что хорошая скважина прослужит десятилетия. Этим способом удается выбрать отнюдь не все запасы пласта, но гораздо больше, чем одиночной вертикальной скважиной. К тому же от одного вертикального ствола можно провести много боковых.
Еще одна отличительная черта сланцевой газодобычи — быстрое бурение: новую скважину можно сделать за считанные месяцы, а то и недели, что позволяет гибко реагировать на рыночную конъюнктуру и быстро наращивать объемы добычи. Например, только в 2006 году число скважин на сланцевых полях США, по данным компании «Халибёртон», превышало 35 тысяч. Благодаря множественному боковому бурению впоследствии возник «сланцевый парадокс»: добыча растет, а число скважин сокращается. Тем не менее ожидается, что в ближайшие десятилетия в США пробурят около сотни тысяч новых скважин, и это вызывает опасения как у «зеленых», так и у ответственных работников.
Вообще говоря, гидроразрыв применяют уже более полувека для повышения нефтедобычи; во всем мире к этому методу прибегали около миллиона раз. Есть мнение, что это варварский метод обращения с полезными ископаемыми, поскольку он дает возможность увеличить их выход из скважины лишь на короткое время, зато потом разрабатывать все месторождение гораздо сложнее. Другое обвинение — велика опасность загрязнения грунтовых вод химикатами, содержащимися в воде, которой разрывают пласт. На это те же нефтяники говорят, что ни в одном из миллиона случаев загрязнения не произошло, а концентрация опасных веществ в этой воде исчисляется долями процента. Более взвешенным представляется мнение, что все зависит от глубины, на которой происходит гидроразрыв. При неглубоком залегании, в первой сотне метров от поверхности Земли, опасность загрязнения выглядит реальной. А вот при разрывах на километровой глубине и ниже опасности уже нет, поскольку скважинные воды на такой глубине с грунтовыми никак не сообщаются. Однако часть из тех десятков тысяч тонн воды, что закачивали в скважину для гидроразрыва, а также глубинной воды, могут не разойтись по внутренним слоям породы. Тогда их придется откачивать. Эти воды загрязнены не только химикалиями, добавленными по технологическим причинам, но и растворенными газами, и природными радиоактивными элементами — радием и ураном.
В промежуточном докладе подкомитета по сланцевому газу совещательного энергетического совета Минэнерго США от 18 августа 2011 года отмечено, что поступление этой воды на поверхность существенно зависит от типа месторождения. Так, в техасском месторождении Истерн Форд вся закачанная вода остается внутри сланца, в месторождении Маркелус в Новой Англии на поверхность попадает от 20 до 40% воды, а в месторождении Барнетт есть риск появления соленой воды с глубины. Выливать возвратную воду запрещено, но ее можно повторно использовать (что и происходит с 90% воды в Новой Англии), или закачивать в заброшенные скважины, или очищать, а осадок утилизировать. Поскольку всегда возможны утечки воды из-за неправильной эксплуатации скважины, подкомитет предписал обязательно формировать заградительный буфер, препятствующий попаданию скважинных вод в источники питьевой воды. Для понимания возможного ущерба компании должны публично раскрыть составы добавок к воде для гидроразрывов, а агентства, ответственные за охрану окружающей среды, — на основании наблюдения за работой имеющихся скважин определить правила обращения с водой и добиться их исполнения. Аналогичные рекомендации даны и по контролю чистоты воздуха в местах добычи, тем более что там не раз замечали чрезмерное загрязнение как метаном (пока не ясно, что это - следствие гидроразрывов или утечки из скважины), так и выхлопами от дизельных двигателей, применяемых при бурении. От последних рекомендовано вообще отказаться. Серьезных исследований требует и определение вклада сланцевого газа в выбросы парниковых газов. В подкомитете считают, что обеспечив обмен информацией о лучших методах добычи сланцевого газа между компаниями можно свести ущерб для окружающей среды и здоровья населения к минимуму.
Сланцевая экономика
Долго ли, коротко ли, в начале 90-х годов первые газовые скважины на американском сланцевом поле заработали. Обстановка добыче сланцевого газа не способствовала. Вслед за тучными для стран-нефтедобытчиков 70-ми годами пришли скудные 80-е, к концу которых цена на нефть резко упала. Злые языки поговаривают, что это было вызвано не столько перепроизводством нефти, сколько договоренностью между США и Саудовской Аравией о координации усилий по дестабилизации СССР, прочно севшего к тому времени на нефтяную иглу. Действительно, после того как крах социалистической системы стал необратим в середине 90-х, цены продолжили свое триумфальное восхождение, с лихвой окупив нефтедобытчикам потери 80-х. Тогда-то и настало время массовой добычи сланцевого газа в США, ведь чтобы она при своей дороговизне стала рентабельной, мировые цены на углеводороды должны были перейти некий рубеж.
Поначалу ее развитие (возможно, поощряемое все тем же Министерством энергетики) шло небыстро. Если в 2000 году было добыто 11 миллиардов м3 газа на двух сланцевых полях: на юге в Техасе и на северо-востоке - Мичигане, Огайо и Индиане, то спустя пять лет добыча лишь удвоилась, а разработка новых полей и не начиналась. Следующее удвоение случилось гораздо быстрее — всего через два года, в 2007 году, а к 2012-му выросла почти в десять раз, достигнув 251 миллиарда м3 — треть от годовой потребности страны в природном газе. В разработку были взяты новые поля по всей территории США: в Техасе, Луизиане, Оклахоме, Арканзасе и Пенсильвании. Цена газа поползла вниз, уменьшившись за пять лет более чем на 65%: в 2008 году она превышала 300 долларов за кубический метр, а в 2012 держалась в интервале 70—95 долларов. Импорт газа за этот же период упал на 40%, и это при росте общего потребления газа на 15% и его затрат на выработку энергии на 25%. Подобные сдвиги в энергобалансе самой развитой страны планеты неизбежно затрагивают весь мир, отсюда и термин «сланцевая революция».
Реиндустриализация
Главное, что волнует теперь экономистов, — себестоимость добычи. Специалисты утверждают, что вычленить из отчетных документов американских компаний данные о реальной себестоимости добычи нелегко, поэтому оценивают ее с разбросом от 50 до 100 долларов за тысячу м3. Это существенно больше стоимости добычи на наших месторождениях, которая составляет несколько долларов. Однако в расчеты рентабельности всего сектора следует добавлять стоимость инфраструктуры доставки до потребителя. Строительство трубопровода стоит дорого, а оценить срок службы сланцевого месторождения пока что сложно, поскольку статистика еще не набрана. Считается, что затраты могут окупиться при поставке этого газа на расстояние сто — двести километров. Так возникает ограничение, связанное с числом местных потребителей и их платежеспособным спросом. Видимо, это ограничение уже вступило в действие, коль скоро цены на газ в США стабильно снижаются и уже упали ниже критического значения в сто долларов, когда добыча сланцевого газа становится нерентабельной. Действительно, многие компании сообщают об убытках, о сокращении добычи и продажи производственных активов. Другие упорно продолжают добычу, чтобы не потерять лицензию на разработку месторождения. Третьи заранее обезопасили себя, заключив многолетние контракты. В моменты резкого роста цены на газ, в 2008 году, они имели упущенную выгоду, теперь же обеспечивают себе рентабельность. Однако по истечении контрактов эти компании рискуют попасть в кабальную зависимость, ведь продлевать их придется по нынешним низким ценам.
Ситуацию мог бы спасти экспорт газа по мировым ценам, и такие попытки предпринимаются, однако правительство США имеет свои виды на газ и не считает продажу нужной, ведь для экономики низкая цена на него — серьезное облегчение. Поэтому разрешения на экспорт газа перемещаются по административным кабинетам с трудом, и пока никто успеха не добился.
Казалось бы, складывается безнадежная ситуация, которая позволяет скептикам заявить: мы были правы, сланцевая революция — блеф, не может такой дорогой газ быть конкурентоспособным в нормальных рыночных условиях; чуть цены упадут, все труды пойдут насмарку. Это было бы верно, не будь в рукаве у сланцевых революционеров пары козырей.
Первый — реиндустриализация страны. Если газ нельзя вывезти, если потребность в электроэнергии по конкурентоспособной цене удовлетворена, тогда надо использовать излишки для производства. На химический завод газ можно отпустить по себестоимости, обеспечив снижение стоимости готовой продукции. Такая политика уже приводит к реальным успехам: участники ММХС отмечали, что еще два года назад объем ввоза в Россию китайского поливинилхлорида составлял половину нашей потребности — 500 тысяч тонн, а теперь 400 тысяч тонн привозят из США. Разница в цене на свой и покупной газ, как видно, сумела успешно покрыть расходы на содержание недешевой американской рабочей силы. А разреши американцы легко продавать газ тому же Китаю по выгодным ценам, получилось бы как у нас: главный отечественный завод по производству ПВХ, «Саянскхимпласт», работает вполсилы из-за того, что в стране нет газпромовского газа для химиков — он весь ушел на экспорт.
Второй козырь — это сопутствующие товары, нефть и жирный газ: доля метана в таком газе может быть и 90%, и 55%. Бывает еще и нефтеподобный конденсат, не на каждом месторождении, но на многих. Нефть сама по себе при своей нынешней высокой цене может окупить все затраты на добычу сланцевого газа и даже привести его себестоимость к нулю, поэтому сейчас усилия компаний направлены на поиски и разработку именно таких, комплексных, месторождений. Как отмечено в докладе Исследовательской службы Конгресса США от 4 апреля 2012 года, с 2005 года, когда импорт нефти прошел свой максимум, ее добыча в стране выросла на четверть — до 9,2 миллиона баррелей в день в 2011 году, — причем две трети роста, 1,2 миллиона баррелей, обеспечили именно нефть и газовый конденсат, сопровождающие сланцевую газодобычу. Есть мнение, что в недалеком будущем США превратятся в экспортера не только газа, но и нефти, переплюнув по ее добыче Саудовскую Аравию.
Жирный газ вносит в сланцевую экономику свою лепту, ведь он содержит ценное химическое сырье — этан, пропан, изобутан и другие углеводороды. В жирном газе (90% метана) их стоимость может сравниваться со стоимостью основного вещества, а в очень жирном, где доля метана не больше 80%, и превышать ее в три — пять раз, благодаря чему его цена окупаемости оказывается отрицательной без всякой помощи нефти. В 2012 году из добытых 253 миллиардов м3 сланцевого газа было выделено 22 миллиона тонн этана, а в 2017 году при прогнозируемом росте добычи на 10% извлечение этана увеличится на 46% и составит 32 миллиона тонн. Поговаривают, что для обращения с такими количествами попутных веществ американцы уже используют неведомые нашим газовикам устройства — этанопроводы. Объем попутного пропана тоже немал — примерно на пятую часть меньше объема этана. Все эти миллионы тонн доставшихся бесплатно ценных газов превратятся в ходовые полимеры — этилен и пропилен, в еще большей степени повышая рентабельность сланцевого газа и насыщая соответствующий сегмент рынка.
С учетом того, что США собираются поставлять сжиженный газ в Латинскую Америку, нефть прекращают закупать у арабов, а на рынке полимеров конкурируют с китайцами, вся эта история, казалось бы, не должна затрагивать нас непосредственно. Но лиха беда начало: сланцевый газ уже покрывает треть потребности США, а добыча традиционного газа сворачивается. Началось все с идеи об энергетической безопасности — той самой, которой увлечены основные покупатели российского газа, страны Евросоюза. У них тоже имеются немалые запасы сланцевого газа. Есть мнение, что евросоюзовский сланцевый газ обойдется еще дороже, чем американский, и окажется разорительным. Однако и 100, и 200 долларов себестоимости все равно будут меньше тех 250—400 долларов за тысячу кубометров, по которым Газпром сейчас продает русский газ за рубеж. По американской схеме — реализация сланцевого газа близко к себестоимости для местных энергетических нужд и реиндустриализации — все равно получится выгода по сравнению с нашим, трубопроводным. Комплексное же использование жирного газа и нефти еще улучшит экономические показатели европейского сланцевого проекта.
Конечно, потребуются значительные вложения в создание новых отраслей промышленности, связанных с добычей и переработкой газа. Однако когда речь идет о безопасности, средства находятся даже у самого бедного государства. Да и Китай, начинающий разработку своих сланцевых запасов с планом выйти к 2020 году на уровень 128 миллиардов м3 в год (более трети планируемой общей потребности и почти в два раза больше, чем Газпром шестой год пытается продать Китаю), возможно, сумеет существенно понизить себестоимость промышленной продукции. Так история фантастического флогистона из поэмы Дмитрия Быкова «ЖД» может обрести черты реальности.
При подготовке были использованы материалы докладов на IX Московском международном химическом саммите:
В.И.Высоцкий. Газовый потенциал сланцевых формаций мира.
С.И.Мельникова. Специфика экономики сланцевой газодобычи.
Л.И.Трусов, В.Ф.Флид. Сланцевая революция на мировом рынке углеводородов.