Для чего используются битумные пески канады
Для чего используются битумные пески канады
tag. * * If you do not want to deal with the intricities of the noscript * section, delete the tag (from ). On * average, the noscript tag is called from less than 1% of internet * users. */—>
Смотрите лучшие лекции
Брайан Грин, Роджер Пенроуз, Константин Сонин, Ася Казанцева, Сергей Гуриев
Политехникум
Новые источники нефти и газа 2.1. Битуминозные пески. Добыча.
Василий Панюшкин
Смола
Битуминозные пески – это один из видов горючих полезных ископаемых, альтернативный источник нефти. Они представляют собой смесь мокрого песка и глины, пропитанную битумом (вязким веществом, похожим на смолу). Согласно органической гипотезе происхождения нефти, любые виды горючих полезных ископаемых, будь то природный газ, нефть или битумы в песках Альберты, представляют собой продукты преобразования погребенной глубоко в земле органики, которая давным-давно была древними растениями и животными. Разложение происходит при высоких давлениях и температурах, а также, что важно, без участия кислорода воздуха, которого нет в земных глубинах. Поэтому, в отличие от обычного гниения на поверхности земли, подземный процессы порождают различные углеводороды.
В зависимости от давления, температуры и времени, прошедшего с начала разложения, получающийся продукт может быть газом или нефтью разного состава, содержащей большие или меньшие количества примесей. Если нефть поднимается из глубин ближе к поверхности земли, она становится пищей для живущих в земле бактерий. Но так как бактерии питаются в основном легкими углеводородами, то нефть перерабатывается не вся. Лишившись большей части легких фракций, она становится более вязкой и цепляется за какие-нибудь сыпучие породы, расположенные недалеко от поверхности, пропитывает их и остается там. Так образуются битуминозные пески. Легко ошибиться, предположив, что битумы – это просто более густая, тяжелая нефть. На самом деле, органические вещества, содержащиеся в них, отличаются по структуре, что хорошо видно на рисунке.
Обычная сырая нефть состоит из нескольких сотен различных веществ из классов алканов (предельные или насыщенные углеводороды), нафтенов и аренов. В таблице хорошо видно, что структуры этих соединений довольно просты. Совсем другое дело – асфальтены, основной компонент битума. Один из его громоздких представителей показан в таблице. Огромная молекула как будто постаралась вобрать в себя все, что есть в сырой нефти, на химическом языке – сконденсировать арены, нафтены, парафины и гетероциклические системы. Мало того, что молекула велика сама по себе, так она еще соединяется с другими с помощью серных мостиков между молекулами и захватывает тяжелые металлы (ванадий и никель), образуя с ними комплексные соединения. Вот почему асфальтены настолько вязкие, что при обычной температуре становятся твердыми веществами. Для транспортировки по трубопроводу их пришлось бы разогревать до нескольких сотен градусов, а их переработка становится намного тяжелее из-за сложной структуры и большого количества примесей, в первую очередь тяжелых металлов.
Триллионы баррелей смолы
Это хорошо объясняет, почему до последнего времени разработкой битуминозных песков почти никто не занимался, несмотря на то, что запасы их в мире исчисляются сотнями миллиардов баррелей (1 баррель – 159 литров). По данным Международного совета по энергетике (WEC), в мире обнаружено около шестисот месторождений битуминозных песков, самые крупные из которых располагаются в Канаде, Казахстане и России.
Тем не менее, более 70% этих запасов, почти 180 миллиардов баррелей, находятся в трех крупнейших месторождениях, расположенных на юго-западе Канады, в Альберте. Запасы в этих месторождениях составляют почти 10% всех мировых запасов нефти, уступая по размерам только запасам сырой нефти в Саудовской Аравии, 97% нефтяных запасов Канады и 75% нефтяных запасов всей Северной Америки. И это только те запасы, которые, по мнению исследователей, можно добыть, используя доступные сегодня технологии. Если же считать все пески в целом, то в битуминозных полях под Альбертой, занимающих площадь, превышающую по размерам Англию, содержится почти два триллиона баррелей. А это уже сопоставимо по масштабам со всеми мировыми запасами сырой нефти вместе взятыми.
В 2008 году более 40% всей нефти, добытой в Канаде, составляла нефть, полученная из битуминозных месторождений в Альберте. Сегодня эти три месторождения, Атабаска, Пис Ривер и Колд Лейк, – единственные битуминозные пески, которые используют для получения синтетической сырой нефти.
В России залежи битуминозных пород находятся в Волго-Уральском бассейне, Восточной Сибири и Татарстане, но они труднодоступны, поэтому их не трогают. Поговаривают, что в ближайшее время могут начаться разработки битуминозных песков на месторождениях в Западном Казахстане. В них действительно запасено много нефти – около 40 миллиардов баррелей. Однако вряд ли здесь смогут воспользоваться отработанными канадскими технологиями, поскольку они требуют много воды, а в Казахстане с этим проблема.
Хорошо забытое старое
Можно подумать, что такие тяжелые в разработке полезные ископаемые стали использовать совсем недавно. Как ни странно, но битумы были первым типом нефти в истории человечества, нашедшим практическое применение. Это подтверждают археологические находи – каменные орудия со следами битумов, которыми пользовались еще неандертальцы во времена Палеолита, более 40 000 лет назад. Из месторождений тяжелых нефтей и битумов, выходящих к земной поверхности, как правило, по берегам рек, уже в давние времена научились извлекать «смолу» для герметизации кораблей, постройки домов, в Древнем Египте – для мумификации. Бытует мнение, что именно битумы использовали в качестве цемента при постройке знаменитой Вавилонской Башни. А индейцы, веками жившие в Канаде в районе бассейна реки Атабаска, природными битумами смолили каноэ.
Но только в 1920-х годах Карл Кларк, химик из Университета Альберты, открыл, что с помощью пара можно отделить битумы от песка.
Первая корпорация, занимавшаяся добычей битумов в Альберте, была основана Робертом Фитцсиммонсом в 1927 году. Компании впервые удалось получить битумы в промышленных масштабах, закачивая в пески горячую воду. Однако в целом такие методы добычи все равно оказывались нерентабельными.
Тем не менее, ни один из этих проектов не был реализован вплоть до середины семидесятых из-за политики канадского правительства – помогать производителям обычной нефти. Ее продажа внутри страны была ограничена низкими ценами на нефть, а появление альтернативного источника могло еще больше снизить их и пошатнуть и так неустойчивый рынок канадской нефти. Разработку битуминозных песков в Канаде разрешили только в начале семидесятых, когда сменилось правительство, а цены на нефть так подскочили, что начали угрожать экономической безопасности страны. С тех пор эта отрасль развивалась с переменным успехом, в зависимости от государственной политики и мировых цен на нефть.
Новейшая стадия разработки битуминозных песков началась в 2003 году, когда после очередного падения цены на нефть вновь полезли в гору. К 2006 году добыча выросла до 1,13 млн баррелей в день, а к 2010 до 1,6 млн. Правительство Альберты предполагает, что она может достигнуть 3.5 млн баррелей в день к 2020-му году и, возможно, 5 млн – к 2030-му.
Смола из песка
Обычную нефть добывают из-под земли, пробуривая скважину в нефтяной резервуар, после чего нефть сама течет наружу, выталкиваемая давлением пластов. Когда нефть в этой природной емкости подходит к концу, приходится искусственно повышать давление, закачивая в нее воду или газ.
Поскольку битумы очень вязкие и тяжелые, сами по себе они не текут. Поэтому для их добычи применяют другие методы, главная цель которых – разжижить и отделить их от глины и песка.
Самым простым и изначально распространенным методом была открытая добыча. Битуминозные пески залегают на глубине 40−60 метров под слоем песка, глины и торфяников. Если срубить лес и снять верхний слой почвы, то песок вместе с битумами можно просто выкапывать. Сейчас это делают с помощью гигантских экскаваторов, за один раз зачерпывающих по 100 тонн песка, и самых больших в мире карьерных грузовиков, перевозящих за один раз 400 тонн груза и стоящих по 5 миллионов долларов каждый. На первой стадии переработки добытый песок разводят горячей водой со щелочью и получившуюся смесь прокачивают по трубопроводам на делительные установки. Там горячую смесь перемешивают в огромных чанах, продувая через нее воздух. Органика всплывает, образуя верхний слой, который затем снимают, чистят и сушат. Один баррель (около одной восьмой тонны) такой нефти получается примерно из двух тонн битуминозного песка. Изначально из песка удавалось извлечь около 75% битумов, но благодаря новым технологиям в последние годы эта цифра превысила 90%.
Проблема в том, что с помощью открытой добычи можно разработать не более 10% битуминозных песков, до которых сегодня можно добраться. Чтобы добыть оставшиеся 90%, битумы из песков все равно придется, так или иначе, выкачивать через скважину, как обычную нефть. Но для этого надо заставить битум течь, сделать его жидким. Сегодня битум делают текучим с помощью горячего водяного пара, который закачивают в скважины. Первой промышленной технологией стал метод CSS (Cyclic Steam Stimulation). Пар при температуре выше 300°С в течение нескольких месяцев закачивают в скважину, потом еще несколько недель дают на прогрев скважины, после чего в течение нескольких месяцев можно выкачивать нефть. Потом процесс повторяют, пока он не перестанет быть прибыльным. Этот метод позволяет добывать до 25% процентов нефти, содержащейся в песке, но высокая стоимость закачиваемого пара оказывается серьезным недостатком.
Следующей технологической ступенькой стал метод SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage), в котором закачивание пара и выкачивание разжиженных битумов объединено в единый процесс. Бурят две горизонтальные скважины, одна примерно на пять метров выше другой. В верхнюю закачивают пар, который, выходя через отверстия в трубах, разжижает битумы. Они стекают вниз, в нижнюю скважину, откуда их и выкачивают. На одном месторождении десятки таких скважин могут расходиться от центральной шахты и тянуться на несколько километров в разные стороны. Этот метод дешевле, чем CSS, он обеспечивает высокую скорость добычи нефти и позволяет извлечь до 60% битумов, содержащихся в месторождении. Сейчас именно он становится самым широко используемым методом разработки битуминозных песков, приходя на смену открытой добыче.
Есть и другие экспериментальные методы, которые находятся в разработке. Например, на некоторых месторождениях вместо пара используют органические растворители, которые должны разжижить битумы, и тем самым экономят энергию на разогрев пара. Другие экспериментаторы пытаются использовать контролируемое подземное горение органики, содержащейся в песках: тепло от горения должно разжижать битумы и делать их податливыми для насосов.
Впрочем, любой из этих методов на порядок сложнее простого выкачивания нефти из подземных резервуаров. Все они требуют дорогой техники, огромных количеств воды и химических реактивов для разжижения битумов, энергии на нагрев воды и пара, а также на уборку огромных количеств пустого песка и отработанной воды, остающихся после их отмывания. И это только начало.
Нефть из смолы
Битумы, отделенные от песков, — — это черная вязкая тяжелая масса. Что с ней делать? Ее опять надо разжижать, смешивая с более легкими углеводородами, либо химически перерабатывать, получая синтетическую сырую нефть. Такая переработка необходима и для того, чтобы битумы можно было пускать на обычные нефтеперерабатывающие заводы. Эти предварительные манипуляции, называемые «апгрейдинг», состоят из трех стадий.
Сначала, на первой стадии, под вакуумом отделяют легкий газ и жидкие нефти от тяжелых асфальтеновых фракций. Газ используют в качестве топлива для следующих стадий апгрейдинга, а жидкие фракции сразу отправляют на очистку.
Оставшиеся тяжелые битумы с высоким содержанием асфальтенов поступают на стадию первичного апгрейдинга. Главная цель – расщепить тяжелые молекулы, в первую очередь полиароматические структуры асфальтенов, и повысить содержание водорода в жидких продуктах. Делают это с помощью коксования и каталитического гидрокрекинга. При коксовании тяжелые фракции нагревают без доступа кислорода до температуры около 500°С и под давлением около 6 атмосфер. В результате сложные молекулы распадаются на простые, которые в виде газов выходят из реактора, конденсируются и отправляются на третью стадию. Заодно разрушаются и комплексы тяжелых металлов, содержавшихся в асфальтенах. Еще один продукт коксования – это, разумеется, кокс (по сути, уголь, полученный из нефти). Продать его нельзя (в нем сидят тяжелые металлы), но его часто сжигают, чтобы нагревать реактор для коксования.
Каталитический гидрокрекинг – более тонкий метод разложения тяжелых фракций. Он позволяет получать больше ценных синтетических нефтей, но обходится дороже и более чувствителен к загрязнениям. При каталитическом гидрокрекинге тяжелые битумы реагируют с водородом при температуре около 400°С и давлении до 200 атмосфер. Этот метод не только расщепляет тяжелые молекулы, но еще и увеличивает количество водорода в получаемых продуктах, превращая ароматику в циклические насыщенные углеводороды. При гидрокрекинге не получается кокса, но остаточные тяжелые вещества иногда отправляют на коксование, объединяя оба метода для лучшей переработки.
В качестве катализаторов часто используют соединения молибдена в сочетании с кобальтом или никелем, нанесенные на пористые шарики из оксида алюминия или алюмосиликатов и цеолитов. Чтобы поры катализатора лучше соответствовали размерам молекул перерабатываемых веществ, в оксид алюминия могут добавлять, например, оксид титана. Плохо то, что в битумах содержатся разные каталитические яды, соединения серы, азота и тяжелых металлов, которые парализуют катализатор. Проблема еще и в том, что битумы по составу, включая яды, разнятся от месторождения к месторождению, поэтому в каждом случае надо подбирать индивидуальный катализатор. Понятно, что все это сложно. Однако исследования продолжаются, и если правильно подобрать катализатор, стоимость апгрейдинга значительно снижается.
Последняя стадия апгрейдинга, или вторичный апгрейдинг, — — это каталитическая гидроочистка полученных легких фракций от соединений серы и азота, ненужных и вредных. Она, в принципе, похожа на гидрокрекинг, с тем только отличием, что соединения серы и азота, зачастую на тех же кобальт-молибденовых катализаторах, но при чуть менее высоких температурах и давлениях, восстанавливаются до сероводорода и аммиака.
Наконец, полученные газы разделяют, конденсируют и получившиеся жидкие нефтяные фракции отправляют по трубопроводам на обычные нефтеперерабатывающие заводы.
Выходы при апгрейдинге разнятся в зависимости от применяемых методов от 80% (компания «Suncor», метод замедленного коксования) до 90% (завод Albian Sands в Скотфорде, метод гидрокрекинга). Однако, учитывая энергетическую составляющую, потери оказываются еще больше. Если при добыче и апгрейдинге битумов для нагрева использовать природный газ, то для получения одного барреля синтетической нефти нужно сжечь объем газа, энергетически эквивалентный примерно 20% этого барреля. Если при добыче битумов сжигать эти же самые битумы, теряется до 35% добываемой энергии. В результате, на пути от грязного песка до высококачественной нефти может теряться почти половина вещества.
Тем не менее, это не останавливает канадские компании, занимающиеся разработкой битуминозных песков. Ведь после всех стадий добычи, очистки и обработки, после потерь вещества и энергии, себестоимость барреля синтетической нефти, произведенной в Канаде, все равно оказывается не больше 30 — 40 долларов. А это примерно в три раза меньше сегодняшних цен на нефть.
Битумные пески — экологическое бедствие Канады
Современный мир невозможно представить без нефти. Развитие промышленности, существование городов и благополучие целых государств зависит от черного золота. По причине интенсивной эксплуатации запасы нефти истощаются, вынуждая нефтедобывающие компании заниматься поиском и обустройством все новых и новых месторождений. Кроме жидкой нефти в мире существуют и другие модификации этого полезного ископаемого. Одним из видов нетрадиционных углеводородов являются битумные (они же битуминозные) пески.
Битумные пески представляют собой смесь песка и глины, пропитанную битумом. Согласно современным теориям образования нефти, все ископаемые углеводороды, будь то природный газ, нефть или битумные пески, образуются в результате преобразования погребенных под землей растительных остатков. Битумы представляют собой более тяжелые и вязкие углеводороды, лишившиеся летучей фракции. По своему химическому составу они также несколько отличаются от нефти. Основным компонентом битума являются асфальтены, которые из-за своей вязкости при обычной температуре существуют в твердом состоянии. Месторождения битуминозных песков представлены в природе, как правило, в виде пластов, лежащих на небольшой глубине, и поэтому возможна их добыча открытым способом.
Одно из крупнейших месторождений битуминозных песков в мире расположено на юго-западе Канады, в провинции Альберта. В трех месторождениях на этой территории содержится до 70% всех мировых запасов. Добыча битумных песков ведется здесь открытым способом с 2003 года. Для того, чтобы добраться до пластов с полезными ископаемым, добывающие компании вырубают лес, который растет на поверхности. Гигантские по площади территории очищают от растительности и верхнего слоя грунта. Но эти бедствия не идут ни в какое сравнение с самим процессом добычи нефти из битумных песков. Для того, чтобы отделить битум от породы, через битумный песок пропускают нагретый водяной пар, который делает его более жидким. В результате добычи нефти подобным способом образуется большое количество отходов: пруды-отстойники с токсичной жидкостью, отвалы пустых пород, загрязненных углеводородами и тысячи квадратных километров территории, непригодной для жизни людей и животных. В опасных нефтесодержащих разливах ежегодно гибнут сотни птиц, а нефтедобывающие заводы Альберты выбрасывают в атмосферу тонны парниковых газов ежегодно.
Хотя нефтедобывающие компании обещают провести полную рекультивацию всех земель, вовлеченных в процесс добычи, это представляется маловероятным. Экологи, общественные организации и представители коренных народов этой провинции пытаются как-то повлиять на процесс масштабного загрязнения региона. Но пока мировые цены на нефть выше себестоимости ее добычи из битумных песков, в провинции Альберты все новые и новые земли будут вовлечены в этот процесс.
Битумные пески изначально считались альтернативным источником нефти. Но, как оказалось, альтернатива здесь только в способе добычи, а по масштабам влияния на окружающую среду подобные месторождения превосходят традиционные нефтяные промыслы. И то, что в начале пути казалось экономически выгодным делом, в результате обернулось экологической катастрофой, варианты ликвидации которой предстоит еще разработать.