К оглавлению журнала

ПРИРОДНЫЕ БИТУМЫ: СОСТОЯНИЕ РЕСУРСОВ - ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В.М.Губницкий (Волжское отделение ИГиРГИ)

Снижение объемов прироста запасов нефти во многих нефтедобывающих регионах мира, в том числе и на территории России, вызывает необходимость вовлечения в хозяйственный оборот альтернативных источников УВ-сырья, в первую очередь природных битумов. В то же время разрозненная информация по ресурсам, использованию и добыче битумов зачастую излишне детализирована, что не позволяет оценить состояние проблемы в целом.

В основу многопланового анализа проблемы битуминозности положены материалы:

1) II Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию нефтебитуминозных пород (Гурьев, 1985 г., Научный совет по нефтехимии Казахстана);

2) I Всесоюзной научно-технической конференции "Нетрадиционные ресурсы углеводородов и проблемы их освоения" (Ленинград, 1988 г., ВНИГРИ);

3) Всесоюзной конференции по проблеме комплексного освоения природных битумов и высоковязких нефтей (Казань, 1991 г., Казанский научный центр АН СССР);

4) Международного симпозиума "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения" (Санкт-Петербург, 1992 г., ВНИГРИ);

5) Международной конференции "Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов" (Казань, 1994 г., АН Татарстана) .

Природные битумы и битуминозные породы представляются ценным многоцелевым сырьем для многих отраслей промышленности: топливно-энергетическойдополнительный источник УВ, строительной компоненты асфальтобетонных смесей, лакокрасочной, металлургической попутные металлокомпоненты.

По оценке ООН мировые геологические ресурсы природных битумов составляют ~ 260 млрд т [2 ]. Их извлекаемые ресурсы, без стран СНГ, оцениваются в 70 млрд т, из которых около 70 % находятся в Канаде (Грибков В.В., 1988 г.*). Скопления битумов установлены также в СНГ, Венесуэле, США, Колумбии, Аргентине, Нигерии и на Мадагаскаре.

На территории б.СССР выявлено около 700 залежей битуминозных пород (Б.Г.Лобанов, 1994 г.). К основным районам проведения работ по'освоению ресурсов битуминозных пород и природных битумов относятся: Татарстан, Республика Коми, Казахстан и Азербайджан (Б.А.Клубов, 1988 г.).

Начальные суммарные ресурсы битумов России оцениваются в несколько десятков миллиардов тонн и характеризуются крайнее низкой разведанностью (менее 5 %), причем накопленная добыча и промышленные запасы сосредоточены только в Татарстане. В настоящее время по условиям залегания в промышленное освоение может быть вовлечено менее 20 % прогнозных ресурсов природных битумов, в том числе лишь около 5 % — по топливно-энергетическому варианту (Э.М.Халимов, 1994 г.).

На территории России основные перспективы поиска битумов связаны с пермскими породами центральных районов Волго-Уральской битумонефтегазоносной провинции. Здесь, в зоне сочленения Мелекесской впадины и Южно-Татарского свода, выявлено более 400 залежей и локальных битуминозных участков, а прогнозные ресурсы битумов в пермских отложениях превышают ресурсы нефти девон-каменноугольной толщи.

Скопления битумов Урало-Поволжья приурочены к песчаным, органогенно-обломочным и оолитовым породам, имеющим ограниченное распространение. Литофации песчаников уфимского яруса получили развитие на западном и южном склонах Южно-Татарского свода, песчаных и органогенно-обломочных пород казанского яруса на восточном борту Мелекесской впадины, оолитовых пород казанского яруса в Мелекесской впадине и на восточном склоне Токмовского свода (Р.Х.Муслимов и др., 1991 г.).

Качественная структура ресурсов в разновозрастных отложениях перми также обладает специфическими чертами. Так, в терригенной толще уфимского яруса кондиционные битумы (в породах с битумонасыщением свыше 5 %) составляют 40 % ресурсов. В карбонатных отложениях казанского и сакмарского ярусов доля кондиционных ресурсов снижается до 17 %, в связи с чем их освоение целесообразно проводить во вторую очередь (Г.Т.Юдин, 1988 г.).

Залежи природных битумов разрабатывают открытыми (карьерными) и подземными (шахтными, скважинными) методами.

Открытыми методами разрабатываются битуминозные породы на глубине до 30-50 м при коэффициенте вскрыши менее 3:1 и мощности пласта свыше 5 м. Открытый очистной и шахтный методы предусматривают подъем пород на поверхность и извлечение битума. Собственно извлечение битума из пород выполняется тремя способами: водой с добавлением поверхностноактивных веществ, экстракцией органическими растворителями и тепловым воздействием (М.И.Старшов, 1991 г.).

Скважинные методы битумодобычи осуществляются с применением паротеплового воздействия, внутрипластового горения или других источников воздействия на пласт: вибрационных, акустических, электромагнитных.

Применение шахтных методов целесообразно при освоении битуминозных пород в терригенных и карбонатных пластах мощностью более 5 м на глуби не 100-400 м с битумонасыщением породы свыше 5 %.

Более половины всех битумных месторождений СНГ сосредоточено на глубине, допускающей их освоение карьерами и шахтами.

Карьерные методы намечалось использовать на месторождениях Казахстана (Мортук, Донгелессор) и Азербайджана (Кирмаку). В больших масштабах добыча битумов открытым методом проводится в Канаде на месторождении Атабаска (Б.С.Лобанов, 1991 г.).

Шахтным методом ранее добывали битум на Шугуровском месторождении Татарстана. По шахтно-скважинному варианту длительное время разрабатывалась залежь высоковязкой нефти Ярегского месторождения, где предусматривались использование гравитационного эффекта при дренировании пласта скважинами, применение реагентов и теплоносителей.

Степень извлечения битума зависит от метода добычи и составляет: при карьерном методе — 65-85 %, при скважинном — 25-40 %. Максимальный экономический эффект достигается при открытой разработке, позволяющей наиболее полно использовать все компоненты битуминозных пород: углеводороды, серу, металлы и собственно породу (И.М.Климушин, 1988г.).

При залегании битуминозных пород в терригенных пластах с проницаемостью более 0,1 мкм2 на глубине свыше 50-100 м ведущими методами битумодобычи являются скважинные, обеспечивающие увеличение подвижности битумов с использованием химических реагентов, паротеплового воздействия и внутрипластового горения. Повышенные коэффициенты битумо-(нефте) отдачи (>= 0,3) для скоплений природных битумов и высоковязкой нефти с вязкостью более 1000 мПа*с достигаются только с применением термических способов воздействия на пласт (Г.Т.Юдин, 1991 г.).

Опытно-промышленные работы по внутрипластовой добыче битумов проводятся в России, Канаде, США, Венесуэле.

Так, на Сугушлинском месторождении Татарстана испытаны методы: закачки пара и серной кислоты, внутрипластово го горения, разогрева пласта токами высокой частоты, гидродобычи. На Мордово-Кармальском месторождении успешно осуществляются опытно-промышленные работы по добыче битумов с помощью паротеплового воздействия, внутрипластового горения, а также комбинированием последнего с закачкой химических реагентов (И.Р.Дияшев, 1994г.).

При скважинной гидродобыче снижается свойственное термическим методам отрицательное воздействие технологических факторов на экологию. При данном способе гидромониторами разрушаются рыхлые и слабосцементированные породы, а битумная суспензия транспортируется на поверхность. На наземных установках извлекается до 80-90 % УВ, после чего отработанная порода может использоваться в дорожном строительстве (М.И.Старшов, 1991 г.).

Ведущими направлениями в деятельности зарубежных фирм являются исследования по комплексированию добычи с переработкой природных битумов и улучшению условий их транспортировки (В.В.Грибков, Э.М.Халимов, 1994 г.).

Так, в Канаде на месторождении Атабаска добываемая экскаваторами песчано-битумная масса подается транспортером на измельчительный пункт и экстракционный завод, расположенные около карьера. После экстракции битума горячей водой (с добавлением каустической соды), отстоя и центрифугирования он поступает на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). На установках термоконтактного крекинга НПЗ после предварительной гидроочистки с получением товарной серы выделяют фракции: бензиновые, дизельные, котельного топлива и металлосодержащий кокс.

В Венесуэле при разработке гудроновых залежей "нефтяного пояса" Ориноко производят эмульсионную смесь, состоящую из битума и воды с моющей добавкой (Э.Барет, 1994 г.). Смесь может транспортироваться по трубопроводам, перевозиться на танкерах, использоваться как тяжелое нефтяное топливо.

Природные битумы и битуминозные породы относятся к категории комплексного сырья.

Битуминозные породы применяются при строительстве дорог, бесканальных теплотрасс, в качестве гидроизоляционных и связующих материалов для строительных конструкций.

Неразвитость дорожной сети одна из крупнейших проблем Нечерноземья, где потребность в дорогах с усовершенствованным покрытием обеспечена лишь наполовину. В себестоимости сельхозпродукции транспортные издержки достигают 40 % [1 ]. Выполнение масштабной программы "Дороги Нечерноземья" (1989-1995 гг.) в значительной степени сдерживалось из-за недостаточного обеспечения дорожного строительства необходимыми материалами и в первую очередь битуминозными породами.

В дорожном строительстве битуминозные породы могут успешно применяться как самостоятельно, так и в смеси с битумами нефтепереработки. При этом на 30-80 % снижается потребление битумов нефтепереработки и существенно улучшаются качественные характеристики дорожных покрытий. Последнее обстоятельство связано с повышенным содержанием в природных битумах кислород- и серосодержащих функциональных групп. Наличие этих реакционноспособных групп предопределяет и более высокую силу сцепления вяжущих компонентов с породой (адгезионные свойства) по сравнению с искусственными композициями на основе продуктов нефтепереработки [4].

Дорожное строительство с использованием природных битумов осуществляется в Канаде, США и Западной Европе (Б.А.Клубов, 1988 г.). В различные годы при строительстве дорог применялись битумы Самарской области, Татарстана, Казахстана, Грузии, Азербайджана и Туркменистана. Из битуминозных карбонатных пород получали мастику и щебень.

В СНГ основные месторождения приповерхностных битуминозных пород, соответствующих кондициям получения дорожных покрытий, расположены на п-ове Мангышлак (Беке, Тюбеджик), в Урало-Эмбинском районе (Иман-Кара, Кара-Мурат, Мортук), Среднем Поволжье (Ново-Шугуровское, Алексеевское, Ерилкинское и др.), Тимано-Печорской провинции (Ижемское, Войковское), на Кавказе и в Предкавказье (Кирмаку, Эльдарское, Хадыженское), Сред ней Азии (Челекенское, Небит-Дагское). Восточной Сибири (Олененское).

Сотрудниками ВНИИУСа (Казань) и БашНИПИнефти (Уфа) рассмотрены два варианта использования битумов Урало-Поволжья. По первому варианту комплексное сырье для строительства дорог получают без отделения УВ-составляющей от породы. Второй вариант предусматривает разделение органической (продукция химической промышленности) и минеральной (строительные материалы) составляющих битуминозных пород.

Одним из перспективных направлений представляется использование битуминозных пород в виде компонентов дорожных асфальтобетонных смесей. Технология приготовления последних на основе битуминозных песчаников и доломитов, разработанная в Казанском химико-технологическом институте, прошла опытно-промышленную проверку с хорошими результатами (И.М.Старшов, 1991 г.).

Разработан метод получения дорожных покрытий с использованием киров Западного Казахстана. По данной технологии построено и отремонтировано более 400 км дорог (В.А.Найденко, 1991 г.). Добавление эмульсии на основе этой разновидности битуминозных пород оказывает положительное влияние на процессы структурообразования бетонов, цементнопесчаных и асбоцементных материалов, а также на реологические и термовязкие свойства глин при получении пористых заполнителей (А.П.Нурлыбекова, 1991 г.).

Весьма обширна сфера использования битумов в топливно-энергетической и химической отраслях промышленности. Особенности получаемых видов топлив и масел зависят от схемы переработки битумов. В СНГ наибольшее распространение получили битумная, масляно-битумная и топливно-коксовая схемы переработки с получением: дорожных битумов, дизельного топлива, бензина, смазочных масел и кокса (И.М.Климушин, 1988 г.).

Компоненты мальт и тяжелой нефти Среднего Поволжья характеризуются пологой кривой зависимости между температурой и вязкостью, что позволяет рассматривать их в качестве перспективного сырья для получения авиационных и дизельных масел с улучшенными низкотемпературными свойствами (Г.П.Курбский, Н.МЛихтерева, 1991 г.). Кроме того, битумы находят применение при получении пластификаторов полиэфирных смол, гликолей, ароматических кислот, сульфидов, сульфоксидов (Б.С.Лобанов, Л.И.Фердман, 1991 г.). На основе фракции мордово-кармальских битумов с добавлением олифы "оксоль" получены специальные антикоррозионные покрытия для нефтяной промышленности. Из битумов Ашальчинского месторождения выделены высокомолекулярные компоненты, применяющиеся в виде комплексной добавки (пластификатор, адгезионный ингредиент) для резиновых смесей (И.Н.Дияшев, И.А.Посадов, 1991 г.).

В природных битумах обнаружено более 40 неуглеводородных компонентов. С позиций комплексного использования нафтидов особый интерес представляет возможность попутного извлечения металлов и в первую очередьванадия и никеля. В ряде битумных месторождений их концентрация сопоставима с содержанием в рудах.

Проблема металлогении нафтидов многогранна и затрагивает различные аспекты разработки скоплений, геохимии, нефтехимии и экологии. До настоящего времени остаются спорными причины накопления рассеянных элементов в нафтидах.

Добыча битумов методами паротеплового воздействия и внутрипластового горения сопровождается значительными потерями металлов. Более полное извлечение полезных металлокомпонентов возможно по схеме территориального и технологического совмещения добычи и переработки битумов (и тяжелой нефти) с использованием теплоносителя на УВ-основе для повышения нефтеотдачи разрабатываемых пластов [3,5].

Повышенное содержание ванадия в УВ-сырье нефтехимических предприятий вызывает "отравление" катализаторов. При переработке битумов и тяжелой нефти, а также при использовании топлив на их основе часть экологически опасных тяжелых металлов попадает в атмосферу, почву и поверхностные воды. В этой связи целесообразно проводить контроль за качеством топлива, поставляемого на ТЭК, и принимать меры, исключающие загрязнение среды активными токсикантами (В.П.Якуцени, 1992г.).

В Канаде, США, Венесуэле действуют предприятия получения ванадия из тяжелой нефти и битумов по схеме их глубокой переработки на установках термоконтактного крекинга (ТКК). Страны, освоившие технологию ТКК, утилизируют ванадий, что наряду с получением ценного металла способствует улучшению состояния окружающей среды. В конце 80-х гг. в развитых странах возросла доля производства ванадия из битумов и нефти (В.И.Воропаев, 1988 г.).

Следует отметить, что высокие концентрации металлов установлены на многих месторождениях нафтидов центральных районов Урало-Поволжья. Так, в тяжелой нефти концентрации ванадия часто превышают 0,1-0,2 кг/т, а в жильных асфальтитах достигают 1-4 кг/т.

Исследования ВНИИНП (Москва) и ПО "Татнефть" показали возможность получения ванадиевых концентратов при переработке некоторых тяжелых нефтей Татарстана (Д.М.Соскинд, Р.Х.Муслимов, 1991 г.).

За рубежом для укрепления сырьевой базы битумов и тяжелой нефти правительства Канады и Венесуэлы используют щадящую налоговую систему. Такой подход способствует поддержанию этого вида нефтяного бизнеса и снижению импорта топлива.

Для успешного развития в России рынка природных битумов и укрепления их конкурентоспособности требуется поддержка со стороны Правительства РФ и администраций соответствующих территорий, как это имеет место, например, в Татарстане. В России при существующих мировых и внутренних ценах на УВ-сырье возможно решение рассматриваемой проблемы с помощью:

введения налоговых льгот на работы, связанные с освоением битумного сырья;

специфического подхода к условиям лицензирования территорий совместного залегания битумных и нефтяных скоплений, предусматривающего выполнение необходимого комплекса геолого-геохимических работ по оценке ресурсов и кондиций различных видов УВ-сырья.

*Здесь и далее указаны автор и год сообщения на конференции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Власов А.В. Дороги Нечерноземья // Правительственный вестник. - 1989. - № 5. - С.3-5.

2. Калинко М.К. Геология и геохимия нафтидов. -М.: Недра,1986.

3. Повышение эффективности комплексного освоения месторождений тяжелых металлоносных нефтей и битумов / М.Д.Бело-нин, И.С.Гольдберг, В.В.Грибков, Н.И.Искрицкая // Геология нефти и газа. - 1990. - № 9. - С.2-4.

4. Штейнгольц В.Л., Шаргородский И.Е.

Промышленная оценка месторождений битумо-содержащих пород // Разведка и охрана недр. -1987.-№10.-С.35-40.

5. Якуцени В.П., Белонин М.Д., Грибков В.В. Нетрадиционные объекты и источники углеводородного сырья России и технологии их комплексного освоения // Геология нефти и газа. -1994.-№ 12.-С.35-39.

ABSTRACT

Natural bitumen are a valuable complex raw material. Bitumen accumulations were discovered in many countries of the World. Within the territory of Russia, the main bitumen prospects are associated with the Permian deposits of the central zone of the Urals-Povolzhie with larger share of quality standardized bitumen confined to terrigenous rocks of the Ufimian stage.

Bitumen-bearing rocks can be developed by different methods: open-pit, mines, boreholes. The following main trends in pilot commercial activity aimed at bitumen development may be distinguished:

production combined with bitumen processing, testing of methods - in-situ combustion, steam-thermal stimulation, hydroproduction.

Natural bitumen are being used in fuel, energy and mineral resources, chemical and road construction branches of industry. From the standpoint of complex hydrocarbon utilization, according to the scheme of territorial and technological combination of bitumen production and processing a possibility for associated metal recovery is of particular interest.