16.05.2011

Проблемы освоения ресурсов восточно-сибирского гелия

Проблем с освоением высокогелиеносных газов Восточной Сибири много. Главная из них в том, что природные газы, в которых выявлена высокозначимая в планетарном масштабе ресурсная база гелия, в ближайшем будущем начнут активно осваиваться как для внутренних, так и экспортных нужд. И если своевременно не защитить содержащиеся в них ресурсы гелия, то они будут утрачены, причем  для России навсегда, т.к. иных нефтегазовых бассейнов с геологически благоприятными условиями гелиенакопления у нас нет (рис.1). Да и в мире в целом таких регионов единицы. За  более чем 100-летнюю практику нефтегазопоисков они выявлены лишь на Североамериканском континенте (США, Канада), в Северной Африке (Алжир) и на юге Сибирской платформы в России.

     Гелий - попутный вид сырья, в свободном виде в недрах не встречается, распространен в промышленных масштабах в природных газах с концентрациями в основном менее 0,5-1,0% и при утилизации газов теряется в атмосферу, где его всего 0,0005%. Существует только один способ сохранения в промышленных объемах гелия при газодобыче – предварительное его извлечение из газов и закачка избытков относительно потребления в виде азотно-гелиевого концентрата в подземные структурные гелиехранилища на перспективу, т.е. создание в недрах техногенного азотно-гелиевого месторождения (гелиехранилища). Процесс этот  связан с глубокой криогенной ректификацией  газа (глубже –160°С), т.е. это энерго-металло-капиталоемкий производственный цикл, с высокими затратами и с долгими, на десятилетия, сроками их окупаемости. В таком случае встает другая проблема – стоит ли гелий этих затрат и если да, то в каком объеме, т.е. оценка его практической значимости в сопоставлении с вложенными средствами на его сохранение.

Товарную значимость гелия и динамику объемов его потребления хорошо иллюстрирует рис. 2.

Рис.1 Схема гелиеносности природных газов нефтегазоносных бассейнов России (составители: В.П. Якуцени, Л.К. Яшенкова)

Россия на фоне этого графика едва обозначилась. И это не удивительно. Сферы потребления гелия это инновационные технологии. У нас они в основном только декларируются. Области его применения не цель статьи, но они весьма показательны. Это авиаракетостроение, оборонная и металлургическая промышленности, прецизионное приборо- и машиностроение, ядерная и криогенная техника и технологии, медицинская томография и др. Отмечу лишь, что вместе с прогрессом в инновациях они меняются. В 60-70 годах прошлого века 45-55% гелия потребляемого в США шло на развитие космических программ. Для запуска Аполлона, необходимо ~370 тыс.м³ гелия, на каждый запуск Шатлла - 20 тыс. м³ гелия. Но уже в начале нового столетия тот же объем был реализован при производстве микроэлектроники, в ядерно-магнитных томографах при медицинской диагностике, в криогенных технологиях, сварке цветных металлов, и совсем неожиданно крупным потребителем гелия стали уже действующие сверхскоростные ж/д трассы на магнитном подвесе (580-600 км/час в Китае, Японии, США и др.). Особенно резкий скачок в объемах мирового потребления гелия – на 20% был отмечен в 2000 г.

     Не премину также помянуть, что в США, во второй половине ХХ века обсуждался проект создания атомных реакторов с «врожденной безопасностью». Главная экологическая опасность ядерных реакторов – перегрев активной зоны, приводящий к разрыву защитной оболочки и выбросу радиоактивных веществ. В чем снова убедился мир на примере Фукусимы.

По разработкам американских специалистов на основе гелиевых охладителей возможно создание реакторов в виде системы керамических блоков с гелиевыми теплоносителями, погруженными в землю. Их масса меньше критической и из-за разобщенности блоков не способна к соединению до критической и спонтанному делению. Гелий для них охладитель с высокой теплопроводностью и устойчивостью к радиации. Создание модульных ядерных реакторов в керамических оболочках с гелиевым охладителем размещенных под землей, исключит в принципе такие аварии как Чернобыльская, Тримай-Айленд, Фукусима и др. Возможно, что это один из будущих типов АЭС.

Рис.2 Динамика потребления гелия и прогноз спроса (прогноз спроса после 2010 г. оценивался по умеренному росту его потребления - 4%, без учета возможных экономических катаклизмов, снижающих его).

     Основная сложность в широком использовании гелия в качестве теплоносителя в ядерных реакторах - его высокая проницаемость. При температурах в реакторе около 600°С и давлении 60 атм. через стенки трубы из аустенитовой стали диффундирует 1·10^-9 л/см²·с. Любой микродефект в сварке системы может привести к потере гелия. Сама утечка гелия не опасна - он не радиационен, опасна его потеря как теплоносителя. Использование оболочек ТВЭлов из алюминиевых сплавов повысит их надежность, а контроль за их целостностью легко обеспечат гелиевые течеискатели. Перспективность проблемы создания безопасных реакторов с гелиевым теплоносителем пусть даже и меньшей мощности, чем современные крупномасштабные АЭС вынуждает вести интенсивные исследования, в том числе и в этом направлении. Очевидно, что таких  непредсказуемых ныне открытий в области потребления гелия в будущем, не говоря уже об исследованиях в области термоядерной энергетики, еще будет много, учитывая уникальные его свойства, но его сырьевая база ограничена и крайне уязвима в связи с его попутным характером в интенсивно разрабатываемых природных газах. Иных источников промышленного получения гелия нет. Нет и замены ему.

Сырьевая база гелия в мире

     В России она близка по объемам выявленных запасов к аналогичной в США, уступает им лишь по качеству (табл.1, 2), но перспективы дальнейшего прироста его запасов у нас выше. К тому же многолетняя добыча высокогелиеносных газов в США истощила запасы гелия, у нас они практически и не осваивались. Алжир извлекает гелий из газов газового гиганта Хасси-р-Мел (He - 0,17%) и др. более мелких месторождений провинции Ин-Салах. Китай избегает публикаций по поводу своих возможностей, но они у него, хотя и ограниченные, все же есть, Канада производит гелий в незначительных объемах, имея небольшие, но качественные его ресурсы, а в Польше запасы месторождений гелия в азотных газах уже выработаны и завод в Одольяново практически прекратил его выпуск.

Таблица 1 Запасы гелия в природных газах зарубежных стран с высоким (более 0.15%) гелиесодержанием

Основные запасы газа в мире связаны с молодыми мезокайнозойскими отложениями. Они малогелиеносны - до 0,01-0,04%. В их числе практически все открытые газовые гиганты арктической суши и акваторий России и Северной Америки, гелиесодержание в которых меняется в пределах 0,008-0,035%. В палеозое и верхнем протерозое гелиеносность газов возрастает, но только до глубин не более 4-5 км (рис. 3). Глубже они малогелиеносны. Поэтому заметного возрастания запасов гелия ожидать не приходится.

Рис. 3 Вероятностное распределение запасов природного газа в мире (%) с разным гелиесодержанием в основных тектонотипах нефтегазоносных бассейнов (В.П. Якуцени и др.

Резко изменилось положение в мире с возможностью обеспечения потребителей гелием в связи с развитием производства жидкого метана (СПГ). Остаточным продуктом процесса криогенной ректификации газов после ожижения метана является азотно-гелиевый концентрат. Численность и производительность заводов СПГ в мире в последние годы неуклонно возрастает. И если в природных газах мало азота - до 2-3%, то даже при пониженном гелиесодержании (0,04-0,06%) остаточный продукт криогенного процесса является коммерческим сырьем для получения товарного гелия. Именно на такой основе и работают заводы в Алжире (Арзев и Скикда на южном берегу Средиземного моря) и в Катаре (Рас-Лаффан на берегу Персидского залива). Основной дефект такого вида источника сырья для извлечения гелия – прямая зависимость масштабов его производства от объемов торговых соглашений на производство сжиженного метана, а не на потребности в гелии. К тому же транспорт и реализация жидкого метана существенно дороже трубного, что ограничивает спрос на него.

* Учтены запасы гелия в свободных газах при He ≥0,05 %. ** Астраханское ГК месторождение, учтенное в Южном ФО, становится кондиционным по гелию после удаления кислых газов (H2S+CO2 - 52%) Таблица 2 Распределение запасов гелия по федеральным округам России

Важно отметить также, что оценки мировых ресурсов (запасов) гелия меняются в широком интервале в разных источниках в зависимости от принятых при их учете кондиций, которые меняются в интервале 0,04-0,30%.

Краткая характеристика сырьевой базы гелия в Восточной Сибири

Рис.4 Схема расположения газогелиевых месторождений на юге Восточной Сибири

По географическому и административному признакам, качеству газогелиевого сырья и его готовности к промышленному освоению на юге Сибирской платформы выделяется три блока месторождений: Западный – Юрубчено-Тохомский блок с базовым по запасам гелия Собинским нефтегазоконденсатным месторождением в Красноярском крае; Южный – Ковыктинский, с базовым одноименным газоконденсатным месторождением в Иркутской области и Восточный – в пределах Непско-Ботуобинской антеклизы с базовым Чаяндинским нефтегазоконденсатным месторождением в Якутии. Их расположение, состав и численность месторождений приведены на рис. 4 и в табл. 3.

     Конкурентоспособность сибирского гелия на мировом рынке, сравнительно с зарубежными сырьевыми базами диктуется не только их качеством и масштабами, а также географией, т.е. дальностью транспорта товарного гелия, которая определяет и цену на него. На дальние расстояния он перевозится ныне в жидком состоянии в контейнерах устроенных по типу дьюаров. Следовательно, современное направление экспорта гелия из США и Алжира в страны Западной Европы сохранится и на ближайшее будущее. Причем в перспективе 25-30-х годов объемы экспорта гелия  из них начнут сокращаться вместе с истощением газогелиевой сырьевой базы.

     Для сибирского гелия основными конкурентами в перспективе могут стать страны Персидского залива, в частности Катар с гигантскими запасами газа (>10 трлн.м³), но с невысоким содержанием гелия – 0,04% и азота на базе заводов СПГ.

Заводы СПГ в Рас-Лаффан сжижают газ месторождения Северное Поле (Свод) отложения свиты хуфф (пермь), с глубины 3 км. Гелий извлекают из остаточного N₂ – не концентрата с августа 2005 года. В 2007 продали жидкого гелия (t=269 ⁰С) в контейнерах-дьюарах ёмкостью 4,6 тонн (330 шт.). Контейнеры снабжены вакуумным кожухом и тепловым щитом из жидкого N2 (-195,8 ⁰С). Позже объемы продаж нарастали, в 2009 г. уже было поставлено в жидком виде 13 млн. м³ гелия. Ожидается дальнейшее расширение производства до 36 млн. м³ в год в течение 30 лет.

     Соглашения на производство и покупку гелия заключены с Air Liquide Engineering (Франция), на покупку – с Linde, Iwatani Corporation, ведутся переговоры с ВОС Group, и др. (Ras Gas Magazine).

     Иными словами, конкурентоспособность сибирского гелия на мировом рынке на среднесрочную перспективу окажется в зависимости от масштабов производства гелия, его себестоимости и цены на заводах СПГ в Катаре (Рас-Лаффан). Но в дальнесрочной перспективе, т.е. после 30-35 гг. вместе с ростом мирового потребления гелия и истощением его западных зарубежных сырьевых баз, газовые месторождения Восточной Сибири станут основным источником получения гелия, при условии если мы защитим его запасы в ходе утилизации и экспорте газа.

Приоритеты в очередности освоения газогелиевых месторождений

     Лучшим по качественному составу газов для извлечения гелия, географическому положению и крупнейшим по запасам гелия в России в целом, является Ковыктинское газоконденсатное месторождение в Иркутской области, недавно выкупленное ОАО Газпром’ом у ОАО Русиа Петролеум (ТНК-ВР). В составе его газов гелия – 0,28%, меньше чем в других месторождениях, но меньше и азота – 1,5%. Поэтому азотно-гелиевый концентрат, который будет получен в остатке, после полного цикла переработки газа будет близок по содержанию гелия к его товарному продукту – 85,6% (по данным ЛенНИИХимМаш), т.е. это будет самая низкая себестоимость производства товарного гелия..

     Оценивая сравнительную значимость в приоритетности первоочередного освоения крупнейших газогелиевых месторождений региона, мы вынуждены учитывать, что гелий это попутный, а не целевой продукт их освоения. Именно поэтому приоритетным по срокам освоения может оказаться Чаяндинское НГК месторождение (Республика Саха), с крупными запасами нефти (~ 50 млн. т) и газовой шапкой с гелием над нею. Месторождение находится на трассе завершающегося строительством нефтепровода в Китай, который в скором времени надо будет заполнять. То есть первоочередное освоение высокогелиеносных газов газовой шапки (He – 0,43%) Чаянды неизбежно. Следовательно  меры защиты запасов гелия должны быть своевременно предусмотрены в проекте его освоения. Для начальных этапов его разработки, до создания необходимой инфраструктуры, нужно предусмотреть хотя бы обратную закачку гелиеносного газа в газопродуктивные пласты, что не только сохранит запасы гелия, но и поддержит пластовое давление в нефтяной части залежи.

     В Красноярском крае основное по запасам гелия Собинское месторождение подготовленное к промышленному освоению, несмотря на высокое гелиесодержание – 0,58% и запасы – 0,8 млрд. м³, наименее ценное по составу газов. В нем 25% азота, что резко снижает содержание гелия в остаточном после сжижения УВ концентрате – до 4-5%, но одновременно криогенная ректификация его газов создает сырьевую базу для азотно-тукового производства, а также доводит до стандартного состав газа для передачи его в магистральный газопровод, поскольку в природном состоянии газ низкокалориен.

     Собинское месторождение вместе с соседним Пайгинским, аналогичным по составу (He – 0,52%), но с меньшими запасами, входит в состав самого западного в регионе Юрубчено-Тохомского блока месторождений, находящихся в разведке, со значительной нефтяной составляющей. Гелиеносность газов в нем умеренная – 0,18%, азота – 8,2%, т.е. особого интереса как гелиевое оно пока не представляет.

     Если подвести итог по приоритетности в очередности освоения основных газогелиевых месторождений Восточной Сибири для извлечения гелия, игнорируя их связь со сроками экспорта нефти, то повторим: первоочередное – Ковыктинское, затем Чаяндинское вместе с Непско-Ботуобинским блоком месторождений, и позже – Собинское. В настоящее время Собинское месторождение следует рассматривать как резервное на более отдаленную перспективу.

Способы и объемы гелиегазохранения

Рис.5 Схема расположения гелиевых заводов, гелиетрубопроводов и месторождений Мидконтинента США (Hamak J.E., Gage, 1993)

     Способов защиты запасов гелия от потерь достоточно много. Прежде всего некоторые из месторождений могут быть зачислены в фонд федерального или потенциального резерва на перспективу с отложенным сроком освоения. К примеру Собинское. Практически в неофициальном резерве находится уже со времени открытия в 1987 г. Ковыктинское месторождение. Для его полномасштабного промышленного освоения нет внутренних потребителей, а для экспорта ни магистрального газопровода восточной ориентации, ни торговых соглашений. Возможно, что эта пауза в организации газодобычи продлится и еще несколько лет, поскольку внутреннее газоснабжение обеспечивается другими, уже освоенными месторождениями, тоже высокогелиеносными, но в незначительных, сравнительно с запасами объемами. Накопленная добыча, а следовательно потери гелия к 2010 г. составили в целом по региону 26 млн. м³, т.е. менее 0,3% от суммарных запасов, что вполне допустимо, учитывая необходимость регионального газоснабжения и практическое отсутствие резервов запасов малогелиеносных газов.

     Наиболее сложным и дискуссионным является вопрос об объемах и способах защиты запасов гелия при широкомасштабной добыче высокогелиеносных газов и особенно их экспорте в страны АТР. Очевидно, что экспорт газа без учета значимости и стоимости в нем гелия неприемлем. Но и увеличение его цены за счет гелия относительно мировой вряд ли будет воспринято. Одновременно с этим стимулировать собственными ресурсами инновационное и социальное развитие других стран и создание из них конкурентов на мировом рынке не в наших интересах. Такого рода опыт по нефти мы уже имели с Белоруссией, поставляя ей нефть по льготной цене, а она после переработки продавала ее товарную продукцию по мировой, конкурируя с Россией на мировом рынке..

     Одновременно с этим обеспечить низкотемпературную переработку 30 млрд. м³ газа в год (по мощности газопровода), к примеру газов Ковыкты, технико-экономически не состоятельно. Это крайне капиталоемкий процесс и, к примеру, в США он не распространялся на все добываемые даже высокогелиеносные газы (> 0,5%). Реализовать, примерно, 80 млн. м³ в год, которые могут быть получены с Ковыкты в дополнение к уже имеющимся 170 млн. м³ на мировом рынке тоже не реально, особенно учитывая экономическую нестабильность в мире последних лет. За 10 лет такого производства будет накоплен примерно 1 млрд. м³ концентрата. И это не предел, т.к. войдут в разработку и другие месторождения.

Таблица 4 Основные гелиевые заводы, построенные в США до 1963 г. (Дж. Кемпбелл, 1964 г.)

Если вернуться к вопросу об объемах извлечения гелия для его хранения, то можно использовать проверенный практикой более чем полувековой опыт США. За оптимальный объем хранения они приняли в 1960 г. десятикратный объем мирового потребления гелия, что составило ~ 1,2 млрд. м³ для концентрата (He – 70%, N₂ – 30 %). Программа охраны гелия субсидировалась казначейством США. Были построены заводы по производству концентрата и гелиепровод для него (рис. 5, табл. 4). Для хранилища, являвшегося государственной собственностью, использовалось выработанное газовое месторождение Клиффсайд (рис. 6). Все это мероприятие функционировало с 1960 г. по закону «О гелии» принятому в США еще в 1925 г. В 1996 г. хранилище гелия было приватизировано. Причина приватизации проста – кончилась монополия на качественные ресурсы гелия с открытием их аналогов в России, а также и на его производство, налаженного на заводах СПГ в Алжире и Катаре. При этом часть объема сохраненных от потерь запасов  гелия в Клиффсайде и аппаратуры остались в госсобственности.

     Современный годовой объем мирового гелиепотребления составляет 170 млн. м³ (табл. 5). Для 10-ти кратного обеспечения мировых потребностей в гелии  достаточно 2 млрд. м³ концентрата в гелиевом эквиваленте. При этом мы не учитываем, что ежегодная норма роста потребления гелия уже более полувека составляет 4-6% и к 2030 г. мировое потребление гелия может составить 372-545 млн. м³. Это, безусловно, лишь ориентировочный подход к оценке объемов хранения гелия, но с годами он может корректироваться в любую сторону, без капитальной модернизации хранилища, поскольку емкость естественных подземных структур не столь ограничена, как искусственных соляных.

Рисунок 6 Динамика накопления азотно-гелиевого концентрата в подземном гелиегазохранилище Клиффсайд, США, его реализации и продаж (W.D. Leachman, 1989 г. с дополнением)

Расположение гелиевого завода оптимально на трассе магистрального газопровода, объединяющего все основные месторождения Южного (Ковыктинского) и Восточного (Чаяндинского) блоков месторождений с экспортным газопроводом. Хранилищем гелия может служить только природная подземная структурная емкость в продуктивной толще выработанного газового месторождения, а не часто обсуждаемые искусственные соляные выработки. Последние тоже реальны и возможно необходимы, например при частных гелиевых заводах, для стабильности их работы, но не для длительного хранения на перспективу государственного резерва запасов гелия. При выборе объекта для создания гелиехранилища желательно ориентироваться на выработанное газовое месторождение с четко выраженной замкнутой антиклинальной структурой с высоким этажем без дислокаций и блоков и с умеренной глубиной продуктивных горизонтов (~1,5 км). Сомневаться в герметичности структур в которых газовые залежи хранились десятки или даже сотни миллионов лет нет оснований. Приведу ряд примеров сохранности высокогелиеносных газов в отложениях палеозоя в Скалистых горах США на глубинах 183-334 м с гелиесодержанием 0,75-10% (Модель Доум, Харлей Доум, Навайо-Чемберс, Битлебито и др.). Основное техническое требование к подобного рода структурам надежная консервация (герметизация) ранее пробуренных скважин и минимальная их численность.

     Гелиехранилище должно иметь статус государственного с правом аренды для частных предпринимателей и быть единым, что технико-экономически оправдано. Оно должно быть связано с гелиевым заводом и гелиепроводом для концентрата, иметь оборудование для производства товарного гелия и быть оптимально ориентированным для последующего транспорта гелия в жидком или газообразном состоянии.

Заключение

     После этой упрощенной и весьма схематичной оценки значимости сибирского гелия в обеспечении многих отраслей инновационного развития России и его экспорта , ограниченности и невозобновляемости его ресурсов, резюмируем состав тех первоочередных мероприятий, которые должны быть своевременно обоснованы и подготовлены, чтобы при освоении ресурсов природных газов Восточной Сибири не утратить их уникальную в мировом масштабе составлящую – гелий.

     Прежде всего, отметим, что должна быть разработана «Стратегия (Программа) освоения и охраны газогелиевых ресурсов Восточной Сибири» или федеральная программа «Гелий России» в формулировке Газпрома. Она должна быть подготовлена под государственным патронажем и выполняться по основным ее параметрам на основе госбюджетного финансирования, включая частно-государственное партнерство.

     Первоочередным мероприятием должно быть обеспечение правовой защиты высококачественных ресурсов гелия от потерь. В США, как уже упоминалось, с 1925 г. введен и действует по ныне Закон «О гелии». Он со временем дополнялся, изменялось его содержание, но никогда не отменялся и действует по сей день. Рассчитывать на ускоренное принятие аналогичного закона Парламентом РФ не приходится. У нас нет даже закона «О нефти», имеющегося во всех основных нефтегазодобывающих странах мира, на валютном обеспечении которой уже многие годы в основном и держится экономика России, включая лихие годы перестройки и мирового экономического кризиса. Инициатива в составлении Федеральной программы должна исходить от МПР РФ и ОАО Газпром’а, поскольку она имеет комплексный характер. Ее подготовку необходимо завершить до постройки газопровода к странам АТР. Важно также регламентировать состав экспортного газа по гелию, он не должен превышать 0,05%, с тем, чтобы не усложнять в перспективе российские позиции в борьбе за рынки сбыта не только гелия, но и технологически сопутствующей его производству продукции – всех высококипящих фракций газа и их товарных производных (полиэтилен, полипропилен и др.).

     Для начала можно обеспечить правовую защиту ресурсов гелия от потерь путем включения его в «Перечень основных видов стратегического минерального сырья» (Распоряжение Правительства РФ от 16.01. № 50-р), составленного Минэкономикой России в 1995 г. Правила освоения, включенных в него 29 видов полезных ископаемых находятся под юридической защитой закона «О недрах». Для начала хотя бы этого достаточно.

     Без элементов правовой защиты запасов гелия и своевременно разработанной «Стратегии (Программы) освоения и охраны ресурсов гелия Восточной Сибири», включая нормативно-правовую базу государственного регулирования процессов недропользования, его потери после начала экспорта высокогелиеносных газов неизбежны. А это означает потерю стратегически важного продукта инновационных технологий, незаменимого и невозобновляемого, уникального и неповторимого по своим физическим и химическим свойствам, с ограниченным распространением в планетарном масштабе, со стабильным ростом потребления в самых неожиданных направлениях вместе с развитием научно-технического прогресса.

Использованная литература

     Кемпбелл Дж. Позиция американского правительства в отношении гелия. Два пути к реформе. Crio Gas International J. 1994, N 4, v.33.

     Производство и потребление гелия в США в 2009 г. http://www.usgs.gov/.

     Якуцени В.П. Сырьевая база гелия. Журн. Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2001, № 2, с. 10-32.

     Helium on the Rise. An Air Products Spesial Report. Crio Gas International J. March 2008, pp.1-.2.

     Leachman W.D. Helium Minerals. Yearbook 1989, pp.503-508.

     Ras Gas Magazine N 25, 2009, pp.18-19; N 30, 2010, pp.10-11.

Якуцени Вера Прокофьевна, гл.н.сотр. ВНИГРИ,

Докт. г.-м.наук, профессор, Академик РАЕН,

Засл. деят. науки РФ