Единицы и источники энергии
Прежде чем продолжить наше изложение, внесем ясность в некоторые термины. Энергия — это способность производить работу. Единицы ее измерения отражают вид производимой работы. Например, калория определяется как теплота, необходимая для нагревания 1 грамма воды на 1 °С; джоуль — энергия, необходимая для поддержания электрического тока в 1 ампер за 1 секунду при потенциале в 1 вольт. Конечно, энергия может превращаться из одной формы в другую, следовательно единицы энергии взаимозаменяемы. Один джоуль равен 0,239 калории. Кроме джоуля и калории используется много других единиц энергии. Примером могут служить Британская тепловая единица (Btu) и эрг. Чтобы избежать путаницы, возникающей при переходе от одной системы единиц к другой, мы будем использовать только джоуль.
Хотя полная энергия, которой мы располагаем, является важным количественным показателем, нас должна интересовать также скорость использования энергии, а это значит, что необходимо ввести показатель, зависящий от времени. Этот показатель называется мощностью и измеряет энергию, произведенную или использованную за фиксированную единицу времени. Вероятно, самой известной единицей мощности является лошадиная сила — старая единица, принятая еще в 1766 г. Дж. Уаттом для сравнения скорости работы лошади и паровой машины. Единица мощности, используемая в этой книге, — ватт, названа в честь Дж. Уатта; представляет собой мощность, при которой за время 1 сек совершается работа, равная 1 джоулю. Ватт, эквивалентный 1,341∙10-3 л. с., особенно важен при обсуждении возобновляемых ресурсов. Например, суммарное количество солнечной радиации, поступавшей на Землю в прошлом, или количество энергии, которое достигнет Земли в будущем, неважно в плане потребления энергии в данный момент, однако скорость ее поступления на Землю именно сейчас является важной величиной, так как это максимальная скорость, с которой мы можем ее использовать.
Использование энергии человеком
Количество энергии, используемое в настоящее время человечеством в дополнение к силе человеческих мускулов, огромно. В 1983 г. население Земли, по оценкам, использовало 2,6∙1020 Дж энергии, полученной из таких источников, как уголь, нефть, природный газ, гидроэлектрические и атомные станции. Нам точно не известно, сколько дров и кизяка сжигается ежедневно в кухонных печах многих стран Азии и Африки, но это количество должно быть довольно большим; если энергию, полученную от сжигания этого топлива, прибавить к числу 2,6∙1020 Дж, то энергия, используемая всем населением Земли, возрастет по крайней мере до 3∙1020 Дж. Это соответствует средней мощности расхода энергии 9,5∙1012 Вт. Исходя из только что определенного значения 2,6∙1020 Дж, в 1983 г., когда население Земли составляло 4,4 млрд. человек, потребление энергии на душу населения достигало 60∙109 Дж, что эквивалентно сжиганию 2 т угля или примерно 10 барр. нефти на каждого мужчину, женщину или ребенка. В мировом масштабе потребление электроэнергии на душу населения неуклонно растет, несмотря даже на то, что в некоторых промышленно развитых странах темп роста падает.
Тем не менее это количество ничтожно мало по сравнению с солнечной радиацией, достигающей ежедневно поверхности Земли — 1,5∙1022 Дж. Ясно, что проблема энергии как ресурса — не в ее общем возможном количестве, а скорее, в количествах, получаемых из источников, которые мы предпочитаем и в состоянии использовать в настоящее время. Лишь небольшая доля энергии поступает из возобновляемых источников — гидроэлектростанций, солнечной радиации, сжигания дров, ветра и водяных колес. Гораздо большее ее количество дают невозобновляемые источники, особенно горючие ископаемые — уголь, нефть и природный газ. Количество используемой в мире энергии продолжает возрастать за счет нефти и газа. Ситуация в промышленно развитых странах, например в США, отличается от положения в мире в целом, но ненамного. В общем на долю природного газа приходится 21 %, а на долю сырой нефти — 45 % всей энергии. В США широкая сеть газопроводов существенно облегчает использование газа, поэтому здесь указанные величины равны соответственно 37 и 32 %.
В любой дискуссии о природных ресурсах важен вопрос о способах их использования. Особенно это касается энергетических ресурсов, поскольку способ получения энергии во многом определяет способ ее использования. Например, атомные станции производят электричество, однако электричество не может обеспечить движение грузовика, для которого нужно моторное топливо. Поэтому в индустриальном обществе, каким являются США, относительно использования электроэнергии возникает много интересных проблем. Существуют неизбежные потери при хранении, транспортировании и превращении энергии из одного вида в другой. Это обусловлено законами природы, однако значительная часть энергии теряется из-за нашей расточительности или неспособности эффективно ее использовать.
Горючие ископаемые
Термин горючие ископаемые (ископаемое топливо) относится к органическим остаткам растений и животных, захороненным в осадочных породах. Горючие ископаемые представлены многими разновидностями, что обусловлено характером осадочных пород, природой изначальных органических компонентов и изменениями, которые с ними произошли на протяжении долгих геологических эпох.
Живые организмы получают энергию от Солнца. Главным энергоулавливающим механизмом является фотосинтез — процесс, благодаря которому растения, используя лучистую энергию Солнца, соединяют воду с двуокисью углерода и производят углеводороды с кислородом, которым мы дышим. Когда животные поедают растения, органические компоненты становятся тем горючим, которое поддерживает их жизнь и активность; животные, стало быть, — вторичные потребители уловленной растениями солнечной энергии. Когда растения съедаются животными или когда они отмирают и разлагаются, накопленная в них энергия высвобождается, а органическая материя распадается снова на воду и двуокись углерода.
Незначительная часть органического материала улавливается и захороняется в осадках прежде, чем он полностью исчезнет из-за разложения. Таким образом, некоторая часть солнечной энергии как бы консервируется в горных породах, становясь с этих пор горючими ископаемыми. Скорость разложения растений и животных почти равна скорости фотосинтеза, и доля захороненного органического материала ничтожно мала. Несмотря на это, в настоящее время накопилось значительное количество растительных остатков, которые отлагались в течение миллиарда лет существования жизни на Земле. Скорость аккумуляции была в миллион раз ниже скорости, с которой мы теперь добываем и сжигаем органический материал; таким образом, горючие ископаемые являются по существу невозобновляемым ресурсом. Фактически органический материал встречается в каждой осадочной горной породе, однако большая его часть является рассеянной и трудно извлекаемой. На сегодня мы научились использовать только три вида горючих ископаемых: уголь, нефть и природный газ. «Большая троица» поставляет в настоящее время свыше 95 % мировой энергии, но, возможно, когда-нибудь мы будем использовать и другие источники, такие, как твердый органический материал в тонкозернистых осадках и особенно в породах, называемых горючими сланцами.
Уголь
Этот вид горючих ископаемых образуется из остатков пресноводных растений. Отмершие ветви стволы, листья, семена и споры падают в густозаросшие болота, где они становятся топляками и оседают на дно. В результате бактериального разложения покрытые когда-то водой и защищенные от атмосферы древесные растительные остатки превращаются в гелеподобную массу торфа. В стоячей воде быстро расходуются запасы кислорода, умирают бактерии, прекращается гниение и накапливается торф. Мощные залежи торфа могут образоваться только в том случае, если болото в процессе накопления оседает, а богатый месторождения образуются только тогда, когда поступление глины и других обломочных пород (неточно именуемых золой) невелико. В современную эпоху области накопления торфа на Земле довольно редки. К ним можно отнести болото Дисмал в шт. Виргинии и Северная Каролина, где современный торф средней мощностью 2 м покрывает площадь в 5,7 тыс. км2. Самые ранние ископаемые остатки наземных и пресноводных растений, которые предположительно произошли от существовавших в то время пресноводных растений — переходных от примитивных организмов к сложным — встречаются в горных породах возрастом 410 млн. лет. А до этого времени дневная поверхность планеты была покрыта мхами, лишайниками и водорослями и должна была выглядеть совершенно иначе, чем сегодня. Древнейшие отложения угля встречаются же породах, имеющих возраст 370 млн. лет. Самые древние месторождения угля известны в Канадской Арктике; их возраст 350 млн. лет. Важнейший период углеобразования в истории Земли приходится на интервал 350—250 млн. лет назад. Угленосные отложения, формировавшиеся в этот стомиллионный промежуток времени, обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи отлагались в Северной Америке, Европе и Азии. В течение великих периодов углеобразования (пермского и каменноугольного) Северная Америка, Европа и Азия долгое время были в экваториальных и умеренных широтах, где теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Континенты современного Южного полушария — Южная Америка, Австралия и Африка — пребывали в теплом климате сравнительно короткий период, а в высоких, холодных широтах, напротив, — продолжительное время. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой, но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как в великую угольную эпоху, закончившуюся 250 млн. дет назад.
Торф — первая стадия образования угля — является низкосортным горючим материалом, т. е. характеризуется высоким содержанием воды и сравнительно низким содержанием углерода и поэтому имеет невысокую теплогенерирующую, или теплотворную, способность. Захороненный и уплотненный торф претерпевает серию реакций. Изгоняются большие количества воды, кислорода, азота и других компонентов, первоначально присутствующих в растениях, после чего остается все более плотный и богатый углеродом уголь. Со временем происходит процесс углефикации, приводящий к увеличению сортности топлива. Поэтому чем уголь древнее и чем он глубже захоронен, тем он обычно более высокосортный по сравнению с более поздними и приповерхностными углями. Положительным следствием того факта, что великий период углеобразования закончился 250 млн. лет назад, является высокосортность наибольшей части угля, добываемого в настоящее время. Если все известные угли и торфы сравнить по теплотворности, то битуминовые угли, или антрациты, составят 62 %, суббитминозные угли — 28,3%, лигниты — только 8,6, торфы — 1,1 % (по данным Всемирной энергетической конференции 1980 г.).
Очень многие угольные бассейны были удивительно стабильными и со времени своего образования подвергались ни метаморфизму, ни быстрой эрозии. Некоторые геологи полагают, что большая часть главных угольных бассейнов (но не обязательно все) уже открыта. Исходя из этого, Аверитт из Геологической службы США в 1969 г. опубликовал результаты самого глубокого для того времени анализа мировых запасов ископаемых углей. Сделав несколько специфических предположений относительно их извлекаемости, Аверитт оценил мировые запасы всех видов углей в 8620 млрд. т, а дополнительные потенциальные ресурсы — в 6650 млрд. т. При этом извлекаемыми считаюсь запасы углей в пластах мощностью более 30 см, залегающих на глубине не более 2000 м. Угли, не отвечающие этим требованиям, — например, хорошо известные пласты ниже предельных для добычи глубин — были отнесены к потенциальным ресурсам. В настоящее время потенциальные ресурсы ископаемых углей оценены достаточно точно; с некоторыми оговорками суммарные запасы и потенциальные ресурсы составляют 15 270 млрд. т, что эквивалентно тепловой энергии порядка 4,2∙1023 Дж. Не известно, сколько же Аверитт исключил угля, ограничиваясь мощью пластов в 30 см, но, вероятно, это количество не так велико. К сожалению, весь уголь из пласта добыть невозможно, и во многих случаях при подземных разработках извлечение на уровне 50 % считается хорошим. Используя эти 50 % как величину извлекаемой части угля, Аверитт пришел к выводу, что мы сможем в целом добыть 7135 млрд. т угля, что эквивалентно примерно 2,1∙1023 Дж. Географическое распределение запасов угля весьма неравномерно. Известны и более поздние исследования запасов угля, но они мало что меняют в оценке Аверитта. Всемирная энергетическая конференция 1980 г. увеличила, например, оцененные извлекаемые ресурсы всех видов угля до 13 800 млрд. т. Сюда включены только что открытые месторождения угля в Австралии, но в данном случае толкование того, какой уголь является извлекаемым, было более широким, чем у Аверитта. Независимо от того, какое количество угля мы примем за извлекаемое, география его распределения останется той же самой: примерно 43 % углей мира залегают в СССР, 29 % — в Северной Америке, 14,5 % — в странах Азии (без СССР), главным образом в Китае, и 5,5 % — в Европе. На остальной мир приходится только 8 %.
Широкое использование угля как топлива началось в XII в. н. э., когда жители северо-восточного побережья Англии обнаружили, что воспламеняющиеся черные породы, обнажающиеся в береговых утесах при выветривании, являются хорошим заменителем дров. С тех пор новый вид топлива, известный как «морские головешки» (черный цвет придает ему сходство с углями из костра), широко используется, причем в таких масштабах, что в 1273 г. возбужденные лондонцы выражали недовольство в связи с отвратительным запахом и загрязнением воздуха, возникшими от сжигания угля. Однако это никого не испугало, и использование угля в качестве топлива быстро распространялось. Хотя уголь во всем мире не является ведущим видом топлива, в некоторых странах он все еще преобладает, а возможные в будущем трудности в снабжении нефтью и газом наводят на мысль о том, что в грядущие десятилетия использование угля может быстро возрасти. Возможно, что к 2020 г. уголь снова станет господствующим топливом на планете.
Каким бы хорошим топливом ни был уголь, при его использовании возникает много трудностей. Он содержит от 0,2 до 7 % серы, присутствующей в основном в виде пирита FeS2, сульфата записного железа FeSO4∙7H2O, гипса CaSO4∙2H2O и некоторых органических соединений. Когда уголь сгорает, выделяется окисленная сера, выбросы которой в атмосферу могут вызвать в окружающей среде такие нежелательные явления, как смог и кислотные дожди. Сжигание угля с низким содержанием серы не дает столь серьезных последствий, однако в большинстве случаев уголь необходимо обрабатывать либо в процессе сжигания, либо до него, чтобы понизить уровень выделения серы в атмосферу. Такая обработка обходится дорого и, по мнению специалистов, не вполне надежна. Бурная реакция лондонцев в 1273 г. на едкие сернистые выделения свидетельствует о давности этой проблемы. Другая животрепещущая проблема — это сама добыча угля. Подземные методы разработки трудны и даже опасны, кроме того, они вредны для здоровья. Разработка открытым способом более эффективна и менее опасна, но вызывает нарушение поверхностного слоя на большой площади. Более того, только 4 % всех ископаемых углей залегают достаточно близко от поверхности или слагают достаточно мощные пласты, что является необходимым условием для открытой добычи. В США для такой разработки пригодны 130 млрд. т. угля из общих запасов в 3900 млрд. т. Поэтому в течение длительного времени подземная добыча, несмотря на ряд трудностей, будет оставаться преобладающей формой разработки угольных месторождений.
Нефть и природный газ
Весь попавший в осадки органический материал изначально был твердым. Небольшая часть твердого материала при соответствующем повышении температуры претерпевала серию химических изменений, в ходе которых какая-то часть материала превращалась в жидкости и газы. Именно они и явились предшественниками нефти и природного газа. Гораздо большее количество оставшегося органического материала могло превратиться в жидкости и газы в условиях еще более высоких температур и давлений, однако всегда оставались и непревращенные остатки. Этот не прогретый до высоких температур твердый органический материал в составе тонкозернистых осадочных пород, называемых горючими сланцами, специалисты предлагают извлекать и перерабатывать в условиях необходимых температур и давлений для эффективного превращения его в жидкости и газы.
Нефть и природный газ, подобно углю, находятся в осадочных породах и состоят главным образом из химических соединений, называемых углеводородами. Хотя распространение нефти и газа не ограничивается морскими осадочными породами, в них они развиты более широко, чем в пресноводных отложениях, и, по-видимому, более обильны в бассейнах с высоким процентным содержанием тонкозернистых богатых органикой осадков. Все осадки содержат некоторое количество органического обломочного материала и различных жидких углеводородов. Во многих часто встречающихся породах, таких, как сланцы и известняки, можно даже обнаружить мельчайшие капельки нефти в ассоциации с твердым органическим веществом. Это убедительно свидетельствует в пользу того, что источником нефти служит широко распространенный осадочный органический материал растительного или животного происхождения. Кроме того, образование нефти и газа начинается, по-видимому, сразу после захоронения органического материала.
Компоненты нефти и газа, образовавшиеся самыми первыми, имеют высокие молекулярные массы, подобные массам компонентов твердого материала, из которого они произошли, и представляют собой очень вязкие нефти. После захоронения по мере роста температуры и давления большие молекулы непрерывно разрушаются, или расщепляются, на более легкие и более подвижные. Чем длительнее процесс, тем все «более легкой», или менее вязкой, становится нефть. Хотя элементарный химический состав изменяется не сильно и большая часть нефти и природного газа оказывается в пределах сравнительно узкого ряда химических смесей, различие образующихся компонентов столь велико, что нет даже двух нефтей, содержащих одну и ту же молекулярную смесь.
По мере того как углеводородные молекулы становятся все более легкими и все более подвижными, они легко мигрируют. Пути миграции в данном осадочном бассейне остаются неопределенными, однако ясно, что по мере погружения осадочных толщ, нефть, газ и вода, заполняющие межзерновые пространства, медленно выжимаются и мигрируют к поверхности. Тонкозернистые богатые органикой сланцы, являющиеся источником нефти и газа, почти непроницаемы, потому что проходы, соединяющие отдельные поры, тончайшие и движение флюидов существенно замедляется. Медленное движение нефти и газа к соседним, более проницаемым осадочным слоям, таким, как песчаники и известняки, является, следовательно, первым шагом в процессе миграции. Под давлением перекрывающих горных пород жидкости в проницаемых слоях растекаются по латерали через поровое пространство. Нефть и газ легче воды и поэтому концентрируются в верхней части проницаемого слоя. Если на путях миграции встречаются барьеры или ловушки, нефть и газ накапливаются, заполняя большинство пор в ловушке. Важно понять, что так называемые «залежи» нефти и газа в действительности представляют собой твердые горные породы и что только поровое пространство содержит нефть и газ. Успешное извлечение нефти и газа в большой степени зависит от того, насколько быстро они будут вытекать из пор в скважины, которые мы пробурим.
Тот факт, что утечка нефти и газа из пачки осадочных пород происходит медленно, доказывается тем, что самые высокие отношения объема нефтяных залежей к объему осадков обнаруживаются в наиболее молодой группе нефтеносных осадков, отложившихся не позднее 2,5 млн. лет назад. Наблюдениями подтверждается также, что общее количество нефти и газа, попавшее в ловушки, убывает по мере движения в глубь веков. До недавнего времени даже предполагалось, что не существует значительных скоплений нефти и газа, более древних, чем кембрийские (570 млн. лет), хотя известны сланцы, богатые органикой, которые по возрасту более чем в 2 раза древнее. В настоящее время на примере СССР и в меньшей степени Австралии показано, что осадки, значительно более древние, чем протерозойские, также могут содержать газовые поля, хотя здесь отношение уловленного газа к объему осадков весьма низкое.
Содержание природного газа, который является самой легкой фракцией углеводородов (и в особенности метана СН4), может варьировать от небольших количеств, растворенных в нефти, до газовых шапок над нефтяными залежами и, наконец, до отдельных скоплений, не связанных с ближайшими залежами нефти. Все эти скопления имеют ценность. Технологические совершенствования в прокладке трубопроводов, а позднее — и в эффективном сжижении газа приводят к широкому использованию природного газа в качестве топлива.
Нефть и газ, так же как и уголь, географически распространены широко, но неравномерно. Причины такого распределения не столь очевидны, как в случае с углем. Типы богатых органикой осадков, которые могут быть источником нефти и газа, развиты очень широко, но, для того чтобы достаточное количество твердого органического материала превратилось в нефть и газ, осадки должны испытать воздействие умеренно высоких температур, причем преобразование должно произойти, пока осадки еще проницаемы и могут служить проводниками для мигрирующих флюидов. Даже если все прочие условия являются благоприятными, реальное улавливание нефти может произойти только в узком временном интервале. Большинство нефтяных и газовых полей фиксируются в ловушках, подготовленных складчатостью и трещиноватостью вмещающих горных пород. Ловушки, конечно, должны быть сформированы до того, как начнется миграция и утечка большей части нефти и газа, а это, по-видимому, дело до некоторой степени случайное. Твердая на вид земная поверхность на самом деле подвижна и постоянно подвергается медленным вертикальным и горизонтальным движениям; поэтому почти все осадочные породы деформируются на определенном этапе своей истории. Большинство деформаций, очевидно, происходят после главного периода образования нефти и газа и их миграции, так что большая доля образующихся нефти и газа не улавливается, теряется. По оценкам геологов, шансы совпадения периодов образования нефти и газа с формированием больших ловушек столь малы, что не более 0,1 % органического материала, отложенного в материнских породах, окончательно улавливается нефтяными залежами. Однако там, где имеет место сочетание всех факторов, как, например, в Саудовской Аравии, Кувейте и Иране, могут быть уловлены поистине громадные количества нефти. Из известных на сегодня крупнейших нефтяных Полей Саудовской Аравии может быть извлечено около 50 млрд. барр. нефти.
Производство и потребление нефти и газа достигло таких огромных размеров, что уже с трудом можно вспомнить, что первая скважина на природный газ была пробурена во Фредонии, шт. Нью-Йорк, в 1821 г., а промышленная добыча нефти началась только в 1857 г — немногим более 100 лет назад — в Румынии; двумя годами позже началась добыча в США. Мировое потребление как сырой нефти, так и природного газа многие годы возрастало приблизительно на 8,5 % в год, что соответствует периоду удвоения — 8 лет. Короткий спад в потреблении нефти последовал за нефтяным кризисом 1973 г., однако с 1975 г. рост потребления возобновился. Нефть и газ используются настолько широко, что насущным становится вопрос о достаточности их запасов.
Хотя предприятия нефтяной и газовой индустрии обеспечены запасами на ближайшее будущее, они нуждаются в надежном способе оценки пока еще не обнаруженных потенциальных ресурсов. Нефтяные и газовые залежи невелики по сравнению с угленосными полями и могут быть обнаружены только ценой больших затрат. Однако хорошо известно, где на Земле находятся осадочные породы, и если предположить, что на неэксплуатировавшихся площадях потенциал нефти почти такой же, как на большинстве освоенных площадей, то можно провести геологическую оценку предельных извлекаемых мировых ресурсов нефти и газа… Такие оценки выполнены рядом авторитетных ученых, которые пришли к результатам, различающимся между собой в три-четыре раза. Элемент неопределенности связан с уточнением доли нефти, принимаемой в качестве извлекаемой из уже обнаруженных залежей. Существующее значение (35 %) некоторыми авторами рассматривается как слишком низкое, а другими — как вполне реалистическое. Другой источник неопределенности заключается в том, что остается неясным, изучены ли осадочные бассейны оцениваемого района столь же хорошо, как уже освоенные площади, например, в США. Если принять 1470 м3 газа, равным по теплотворности 1 барр. нефти или 6∙109 Дж, то большинство оценок мировых извлекаемых потенциальных ресурсов нефти и газа окажутся в пределах 1∙1022 — 2,6∙1022 Дж. Сюда же входят залежи нефти и газа, которые еще следует обнаружить и подготовить к отработке на континентальных шельфах, континентальном склоне и в крупных скоплениях осадков вдоль основания многих континентальных склонов.
Одна из наиболее авторитетных и самых оптимистических оценок была дана Всемирной энергетической конференцией (1980 г.): 1,5∙1022 Дж для извлекаемой нефти и 1,1∙1022 Дж для газа (обе цифры приведены к тепловому эквиваленту).
Насколько надежны оценки потенциальных ресурсов? На самом деле мы не сможем определить, какими будут окончательные цифры, пока нефть и газ не будут полностью извлечены из недр. Однако есть наблюдения, свидетельствующие о приемлемой надежности этих цифр. Геологи в широко исследованных и освоенных районах наблюдали, что более половины общих запасов нефти и газа приходится на несколько гигантских бассейнов; кроме того, ими отмечено, что гигантские бассейны обнаруживаются первыми. Наибольшая неопределенность в оценках, по-видимому, относится к наименее изученным площадям — Антарктиде, Австралии и Китаю. Конечно, глубоководные скопления осадков у подножия континентальных склонов также нуждаются в проверке; они могут оказаться значительно богаче, чем сейчас предполагается.
Из существующих знаний о ресурсах нефти и газа, можно вывести ряд важных заключений, однако только три из них заслуживают особого внимания. Во-первых, очевидно, что регионы, которые сейчас являются главными производителями нефти и газа и которые имеют наибольшие доказанные запасы, обладают также и наибольшим потенциалом для новых открытий. Во-вторых, ресурсы нефти и газа, подобно многим другим минеральным ресурсам, распространены на земном шаре очень неравномерно. Страны Южного полушария, как и в случае с углем, по-видимому, обладают меньшей долей. Третье заключение связано с оценками ресурсов нефти и газа и темпов мирового годового потребления, которое в 1983 г. превзошло 1,8∙1020 Дж. Даже если для всего мира количество извлекаемых ресурсов нефти и газа окажется близким к оптимистической оценке (2,6∙1022 Дж), то при сохранении существующей скорости роста потребления половина суммарных ресурсов будет использована к 2003 г.; если же предположить, что газ заменит нефть после того, как нефтяные ресурсы будут исчерпаны, все ресурсы нефти и газа иссякнут к 2015 г. Эта ситуация не будет иметь драматического характера, так как задолго до указанного срока начнут во все увеличивающихся размерах использоваться другие виды топлива. Но этот пример показывает, что история нефти и газа может оказаться очень короткой — не многим более 150 лет.
Битуминозные пески, горючие сланцы и другие горючие ископаемые
Когда из скважины, пробуренной на месторождении, выкачивается нефть, не менее 60 % ее первоначального количества остается в недрах, запечатанного в поровом пространстве в виде межзерновых пленок и в неизмеримо малых пустотах и трещинках в горных породах. За геологически длительное время запечатанная нефть могла бы постепенно стечь в скважину, но это бесполезно, ибо нефть нужна именно сегодня. В результате запечатанная часть нефтяной залежи оказывается неизвлекаемой существующими методами. Определенный успех в ускорении истечения нефти был достигнут с помощью таких средств, как взрывание и дробление горных пород резервуара, прогревание недр и нагнетание в резервуар двуокиси углерода или пара под высоким давлением; к сожалению, и эти методы все еще оставляют в недрах не менее половины изначальной нефти. Таким образом, запечатанная нефть представляет собой потенциальный ресурс, но, если даже этот ресурс и будет использоваться, потребуется обновление технологии добычи.
Особенно густая и вязкая нефть называется тяжелой нефтью или, более обыденно, битумом, дегтем, гудроном или асфальтом. Деготь — это нефть, которая содержит большие молекулы углеводородов, но не способна течь или мигрировать; деготь остается на месте в виде материала, цементирующего зерна минералов пористых песчаников. Для извлечения углеводородов из таких пород нужно использовать процессы, подобные применяемым при вторичном извлечении; чтобы деготь приобрел подвижность, породу следует прогреть струей пара или газа (типа двуокиси углерода); полученный таким образом экстракт дегтя необходимо переработать, чтобы извлечь ценную фракцию нефти. Для некоторых тяжелых нефтей, подобных добываемым в шт. Калифорния (США), прогревание и процессы газовой промывки могут быть проведены непосредственно под землей, однако многие гудроны столь вязки, что они могут извлекаться только шахтным способом, путем проведения горных выработок, с последующей переработкой на поверхности. Это означает, что могут использоваться только неглубокие месторождения, до которых можно добраться горными выработками. К счастью, для горных работ доступно крупнейшее в мире месторождение битуминозных песков Тар-Сэнд, которое находится в северной части провинции Альберта (Канада) в долине реки Атабаска. Такие пески в небольшом масштабе эксплуатируются ныне около города Форт-Мак-Марри. Однако решение технических проблем связано с определенными трудностями и требует значительных расходов, поэтому разработка битуминозных песков получит широкое развитие, по-видимому, в следующем столетии.
Битуминозные пески Атабаски развиты на площади не менее 75 000 км2, достигая мощности 60 м; при условии 50 %-ного извлечения битума запасы составляют 0,31∙1022 Дж. Известны два других крупных месторождения битуминозных песков. Согласно оценкам, месторождение Ориноко (Венесуэла) почти столь же велико, как и канадское, однако оно залегает на большей глубине, что вызовет значительные трудности при добыче. Согласно сообщениям, Оленёкское месторождение (СССР) имеет приблизительно такие же размеры, как и Атабаска, но здесь также встают проблемы извлечения. Других столь же крупных месторождений на Земле пока не известно, однако во время поисков нефти попутно обнаружено много мелких месторождений. Если предположить, что при поисках тяжелой нефти будет открыт ряд неизвестных в настоящее время крупных месторождений, и допустить, что коэффициент извлечения на них составит 50 %, то, по мнению многих специалистов, потенциал тяжелой нефти будет примерно равен потенциалу сырой нефти вместе с природным газом, т. е. 2,5∙1022 Дж.
Подобно тому как битуминозные пески и тяжелые нефти обещают в будущем продолжение производства нефтепродуктов, так и природный газ можно будет добывать из нетрадиционных источников. Природный газ — главным образом метан СН4 — является обычным продуктом распада органического вещества. Поэтому природный газ присутствует во многих разновидностях осадочных пород, которые отличаются большой плотностью и, следовательно, низкой проницаемостью. Однако извлечение газа из плотных образований — процесс дорогостоящий и технологически сложный, так как для увеличения проницаемости вмещающих пород их необходимо разрушить. Кроме того, во многих осадочных пластах поры заполнены рассолами, которые находятся под давлением, значительно превышающим нормальное гидростатическое давление. Высокое давление способствует растворению метана в рассолах, что приводит к образованию огромных потенциальных ресурсов природного газа в так называемых водоносных горизонтах с избыточным давлением. Самая известная зона аномальных давлений находится в США, вдоль побережья шт. Техас и Луизиана, и представляет собой полосу шириной 100 км и длиной в несколько сот километров. Здесь осадочные породы содержат пласты с раствором метана в горячих рассолах с таким избыточным давлением, как будто они опущены на глубину 16 000 м.
Вопрос о том, сколько же в конце концов можно извлекать газа из плотных песков и сланцев или из водоносных горизонтов с избыточным давлением, остается пока открытым. В сообщении, опубликованном в 1980 г., приведена оценка, согласно которой уже сейчас можно повсеместно получать газ из нетрадиционных источников в количестве, эквивалентном 0,07∙1022 Дж, но и это количество ничтожно мало по сравнению с 4,5∙1022 Дж, которые, по оценке правительства США, можно извлекать из водоносных пластов с избыточным давлением только на территории США. Ясно, что потенциальные ресурсы нетрадиционного природного газа огромны и, возможно, достигают 10∙1022 Дж, однако доля извлекаемого газа остается неопределенной, являясь функцией дальнейшего развития технологии.
Перейдем к последнему виду ископаемого органического топлива, ресурсы которого превышают даже угольные, хотя большая их часть вряд ли станет осваиваться. Все осадочные породы содержат некоторую долю органического материала, а в обычной тонкозернистой их разновидности — сланцах — его достаточно много, чтобы экстрагировать нефтепродукты путем нагревания горной породы с тем, чтобы вызвать необходимые превращения. Если органический материал, содержащийся во всех сланцах мира, преобразовать и использовать в качестве топлива, то такие ресурсы могли бы обеспечить по меньшей мере 1026 Дж энергии, а возможно, и больше. Однако эти прогнозы не так оптимистичны, как кажутся на первый взгляд.
При переработке сланцев используется энергия на их добычу и нагревание. Легко подсчитать, что на переработку 1 т сланцев нужно затратить столько энергии, сколько ее получается при сжигании 40 л нефти. Однако большая часть сланцев не дала бы 40 л нефти или эквивалентного количества газа, поэтому обычные сланцы не могут рассматриваться в качестве потенциального энергетического ресурса до тех пор, пока не будут найдены новые или улучшены старые способы извлечения нефти из этих пород. Несомненный интерес представляют только те сланцы, которые при переработке 1 т сырья могут дать более 40 л нефти. Богатейшие месторождения таких сланцев, расположенные в Эстонской ССР, дают до 320 л нефтепродуктов на 1 т сырья.
Соединенные Штаты Америки располагают крупнейшими в мире запасами горючих сланцев. В межгорной впадине на территории штатов Колорадо, Вайоминг и Юта в течение эоценовой эпохи существовали три больших мелководных озера; в них формировалась осадочные серии, богатые органическим материалом, которые в настоящее время представляют собой горючие сланцы. Известные как горючие сланцы Грин-Ривер, они иногда могут давать до 240 л нефти на 1 т. Запасы, оцененные Геологической службой США, огромны. Учитывая только сланцы, способные производить более 40 л на 1 т, и предполагая, что может быть извлечена и переработана только половина всех сланцев, потенциальные ресурсы месторождения Грин-Ривер оцениваются в 0,75∙1022 Дж. Большая часть этого потенциала расположена в бассейне Пайсинс (шт. Колорадо).
Многие годы производство нефти из сланцев успешно ведется в СССР (Эстонская ССР) и в Китае.
Эстонские горючие сланцы носят название «кукерситы». — Прим. перев.
В США также предпринимались попытки промышленной переработки сланцев Грин-Ривер, показавшие, что технически это возможно, однако пока еще не доказано, что полученные нефтепродукты экономически конкурентоспособны с нефтью и природным газом. Вопрос о промышленной эксплуатации сланцевых запасов бассейна Пайсинс исследовался рядом крупных компаний, но многие специалисты обеспокоены возможными побочными явлениями. Разработка должна вестись в широких масштабах, при этом объем тонких сажистых отходов производства будет во много раз больше объема исходных перерабатываемых сланцев. Следовательно, главная проблема заключается в том, как удалить эти отходы производства.
Кроме сланцев Грин-Ривер в недрах США содержится много других ресурсов горючих сланцев, однако все они или менее богаты, или не столь легко доступны. Согласно оценке Геологической службы США, потенциальные ресурсы горючих сланцев США с выходом 40 л нефти из осадочных пластов мощностью не менее 1,5 м и 50 %-ным извлечением могут достигать 7∙1022 Дж. Большая часть этого потенциала находится в центральной и восточной частях страны. Разработка на такой громадной площади кажется невероятной, и в который уже раз мы убеждаемся в необходимости поисков новых более совершенных технологий.
В других частях света богатые ресурсы горючих сланцев исследованы недостаточно, однако уже найдены новые крупные месторождения, такие, например, как в Квинсленде (Австралия). Ресурсы горючих сланцев Ирати (юго-восточная Бразилия), вероятно, самые значительные за пределами Северной Америки и составляют, по-видимому, половину ресурсов горючих сланцев Грин-Ривер в США. На других континентах известны столь же обширные, как и в США, месторождения горючих сланцев, но более низкого качества. Их ресурсы не были точно оценены, однако, по мнению экспертов Геологической службы США, исходивших из 40-л выхода нефти из 1 т сырья и 50 %-ного извлечения, потенциальные ресурсы этих месторождений составляют 1024 Дж.
Сравнение ресурсов горючих ископаемых
Нас не должен приводить в состояние благодушия тот факт, что ресурс, слагаемый всеми видами горючих ископаемых, в количественном выражении кажется очень большим. Во-первых, следует обратить внимание на то, что основная часть этого количества относится к потенциальным ресурсам, которые пока либо не обнаружены, либо относятся к ископаемым, которые нужно еще научиться использовать. Во-вторых, нефть и газ — два вида топлива, вызывающие наибольший интерес, — наименее обильны. А ведь именно их добыча и переработка обходятся наиболее дешево с точки зрения использования рабочей силы и охраны окружающей среды. Широкомасштабный переход на другие виды топлива неизбежно будет сопровождаться повышением цен и необходимостью решения ряда новых проблем, таких, например, как разрушение земель в связи с горными работами крупного масштаба и развитие новых и больших транспортных систем. Горючие ископаемые вносят свой отрицательный вклад в проблему охраны окружающей среды. При сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасывается двуокись углерода. Состав атмосферы остался бы без изменения, если бы темп выброса двуокиси углерода был медленным, так как ее излишек в процессе фотосинтеза поглощался бы растениями или растворялся в океане, на дно которого она в конце концов осаждалась бы в виде карбоната кальция. Но сейчас мы сжигаем ископаемое топливо и вырабатываем двуокись углерода значительно быстрее, чем ее могут поглотить растения и океан. В результате этого уровень двуокиси углерода в атмосфере медленно возрастает. Взаимодействие двуокиси углерода и электромагнитного излучения может привести к ряду экологических проблем. Коротковолновое излучение в виде света, приходящего от Солнца, пронизывает атмосферу, не взаимодействуя с двуокисью углерода. Солнечные лучи нагревают сушу и море, и уже тепловая энергия излучается в пространство в виде длинноволновой радиации. Двуокись углерода замедляет прохождение длинноволновой радиации, что вызывает потепление атмосферы, а это в свою очередь ведет к медленному потеплению климата на Земле. Остается только гадать, как подобные изменения будут влиять на такие локальные факторы, как количество осадков и сельское хозяйство.
Исходя из вышесказанного, можно сделать одно совершенно очевидное заключение — необходимо все больше обращаться к источникам энергии, использование которых исключает разработку недр и сжигание горючих ископаемых.