Бітумінозні піски - це один з видів горючих корисних копалин, альтернативне джерело нафти. Вони являють собою суміш мокрого піску і глини, просочену бітумом (в'язким речовиною, схожою на смолу). Згідно органічної гіпотези походження нафти, будь-які види горючих корисних копалин, будь то природний газ, нафту або бітуми в пісках Альберти, являють собою продукти перетворення похованою глибоко в землі органіки, яка давним-давно була древніми рослинами і тваринами. Розкладання відбувається при високому тиску і температурах, а також, що важливо, без участі кисню повітря, якого немає в земних глибинах. Тому, на відміну від звичайного гниття на поверхні землі, підземний процеси породжують різні вуглеводні.
Залежно від тиску, температури і часу, що пройшов з початку розкладання, що виходить продукт може бути газом або нафтою різного складу, що містить більші чи менші кількості домішок. Якщо нафта піднімається з глибин ближче до поверхні землі, вона стає їжею для живуть в землі бактерій. Але так як бактерії харчуються в основному легкими вуглеводнями, то нафта переробляється не вся. Втративши здебільшого легких фракцій, вона стає більш в'язкою і чіпляється за якісь сипучі породи, розташовані недалеко від поверхні, просочує їх і залишається там. Так утворюються бітумінозні піски. Легко помилитися, припустивши, що бітуми - це просто більш густа, важка нафта. Насправді, органічні речовини, що містяться в них, відрізняються за структурою, що добре видно на малюнку.
Звичайна сира нафта складається з декількох сотень різних речовин з класів алканів (граничні або насичені вуглеводні), нафтенов і аренів. У таблиці добре видно, що структури цих сполук досить прості. Зовсім інша справа - асфальтени, основний компонент бітуму. Один з його громіздких представників показаний в таблиці. Величезна молекула наче постаралася увібрати в себе все, що є в сирої нафти, на хімічному мовою - скондесувати арени, нафти, парафіни і гетероциклічні системи. Мало того, що молекула велика сама по собі, так вона ще з'єднується з іншими за допомогою сірчаних містків між молекулами і захоплює важкі метали (ванадій і нікель), утворюючи з ними комплексні сполуки. Ось чому асфальтени настільки в'язкі, що при звичайній температурі стають твердими речовинами. Для транспортування по трубопроводу їх довелося б розігрівати до декількох сотень градусів, а їх переробка стає набагато важче через складну структури і великої кількості домішок, в першу чергу важких металів.
Трильйони барелів смоли
Це добре пояснює, чому до останнього часу розробкою бітумінозних пісків майже ніхто не займався, не дивлячись на те, що запаси їх в світі обчислюються сотнями мільярдів барелів (1 барель - 159 літрів). За даними Міжнародної ради з енергетики (WEC), в світі виявлено близько шестисот родовищ бітумінозних пісків, найбільші з яких розташовуються в Канаді, Казахстані та Росії.
Проте, більше 70% цих запасів, майже 180 мільярдів барелів, знаходяться в трьох найбільших родовищах, розташованих на південному заході Канади, в Альберті. Запаси в цих родовищах складають майже 10% всіх світових запасів нафти, поступаючись за розмірами лише запасах сирої нафти в Саудівській Аравії, 97% нафтових запасів Канади і 75% нафтових запасів всієї Північної Америки. І це тільки ті запаси, які, на думку дослідників, можна добути, використовуючи доступні сьогодні технології. Якщо ж вважати все піски в цілому, то в бітумінозних полях під Альбертою, що займають площу, що перевищує за розмірами Англію, міститься майже два трильйони барелів. А це вже можна порівняти за масштабами з усіма світовими запасами сирої нафти разом узятими.
У Росії поклади бітумінозних порід знаходяться в Волго-Уральському басейні, Східного Сибіру і Татарстані, але вони важкодоступні, тому їх не чіпають. Подейкують, що найближчим часом можуть початися розробки бітумінозних пісків на родовищах в Західному Казахстані. У них дійсно запасене багато нафти - близько 40 мільярдів барелів. Однак навряд чи тут зможуть скористатися відпрацьованими канадськими технологіями, оскільки вони вимагають багато води, а в Казахстані з цим проблема.
Добре забуте старе
Можна подумати, що такі важкі в розробці корисні копалини стали використовувати зовсім недавно. Як не дивно, але бітуми були першим типом нафти в історії людства, що знайшов практичне застосування. Це підтверджують археологічні знаходь - кам'яні знаряддя зі слідами бітумів, якими користувалися ще неандертальці за часів палеоліту, понад 40 000 років тому. З родовищ важких нафт і бітумів, що виходять до земної поверхні, як правило, по берегах річок, вже в давні часи навчилися отримувати «смолу» для герметизації кораблів, спорудження будинків, в Стародавньому Єгипті - для муміфікації. Існує думка, що саме бітуми використовували в якості цементу при будівництві знаменитої Вавилонської вежі. А індіанці, які віками жили в Канаді в районі басейну річки Атабаска, природними бітумами смолили каное.
Але тільки в 1920-х роках Карл Кларк, хімік з Університету Альберти, відкрив, що за допомогою пари можна відокремити бітуми від піску.
Перша корпорація, що займалася видобутком бітумів в Альберті, була заснована Робертом Фітцсіммонс в 1927 році. Компанії вперше вдалося отримати бітуми в промислових масштабах, закачуючи в піски гарячу воду. Однак в цілому такі методи видобутку все одно виявлялися нерентабельними.
Плани з видобутку нафти з бітумінозних пісків Альберти в масштабах, які були б значними в порівнянні зі звичайними джерелами сирої нафти, почали розробляти в 1950-і роки. Тоді підрахували, що такий видобуток буде економічно вигідною, якщо вона перевищить 20 тисяч барелів на день. Плани були різними, аж до божевільної ідеї, запропонованої в 1958 році корпорацією «Ричфилд Ойл», підірвати під землею девятікілотонную атомну бомбу. За ідеєю, вибух повинен був разжижить підземні поклади важких вуглеводнів, миттєво перетворивши родовище в озеро нафти. Цікаво, що проект сприйняли цілком серйозно, і навіть провели випробувальні підземні вибухи в пустелі Невада.
Проте, жоден з цих проектів не був реалізований аж до середини сімдесятих через політику канадського уряду - допомагати виробникам звичайної нафти. Її продаж всередині країни була обмежена низькими цінами на нафту, а поява альтернативного джерела могло ще більше знизити їх і похитнути і так нестійкий ринок канадської нафти. Розробку бітумінозних пісків в Канаді дозволили тільки на початку сімдесятих, коли змінився уряд, а ціни на нафту так підскочили, що почали загрожувати економічній безпеці країни. З тих пір ця галузь розвивалася зі змінним успіхом, в залежності від державної політики і світових цін на нафту.
Смола з піску
Звичайну нафту добувають з-під землі, пробуривая свердловину в нафтовій резервуар, після чого нафта сама тече назовні, виштовхується тиском пластів. Коли нафта в цій природній ємності добігає кінця, доводиться штучно підвищувати тиск, закачуючи в неї воду або газ.
Оскільки бітуми дуже в'язкі і важкі, самі по собі вони не течуть. Тому для їх видобутку застосовують інші методи, головна мета яких - разжижить і відокремити їх від глини і піску.
Найпростішим і спочатку поширеним методом була відкрита видобуток. Бітумінозні піски залягають на глибині 40-60 метрів під шаром піску, глини і торфовищ. Якщо зрубати ліс і зняти верхній шар грунту, то пісок разом з бітумами можна просто викопувати. Зараз це роблять за допомогою гігантських екскаваторів, за один раз зачерпує по 100 тонн піску, і найбільших в світі кар'єрних вантажівок, що перевозять за один раз 400 тонн вантажу і стоять по 5 мільйонів доларів кожен. На першій стадії переробки видобутий пісок розводять гарячою водою з лугом і суміш прокачують по трубопроводах на ділильні установки. Там гарячу суміш перемішують у величезних чанах, продуваючи через неї повітря. Органіка спливає, утворюючи верхній шар, який потім знімають, чистять і сушать. Один барель (близько однієї восьмої тонни) такої нафти виходить приблизно з двох тонн битуминозного піску. Спочатку з піску вдавалося витягти близько 75% бітумів, але завдяки новим технологіям в останні роки ця цифра перевищила 90%.
Проблема в тому, що за допомогою відкритого видобутку можна розробити не більше 10% бітумінозних пісків, до яких сьогодні можна дістатися. Щоб добути залишилися 90%, бітуми з пісків все одно доведеться, так чи інакше, викачувати через свердловину, як звичайну нафту. Але для цього треба змусити бітум текти, зробити його рідким. Сьогодні бітум роблять текучим за допомогою гарячої водяної пари, який закачують в свердловини. Першою промисловою технологією став метод CSS (Cyclic Steam Stimulation). Пар при температурі вище 300 ° С протягом декількох місяців закачують в свердловину, потім ще кілька тижнів дають на прогрів свердловини, після чого протягом кількох місяців можна викачувати нафту. Потім процес повторюють, поки він не перестане бути прибутковим. Цей метод дозволяє добувати до 25% відсотків нафти, що міститься в піску, але висока вартість закачується пара виявляється серйозним недоліком.
Наступною технологічною сходинкою став метод SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage), в якому закачування пара і викачування розріджених бітумів об'єднано в єдиний процес. Бурят дві горизонтальні свердловини, одна приблизно на п'ять метрів вище за іншу. У верхню закачують пар, який, виходячи через отвори в трубах, розріджує бітуми. Вони стікають вниз, в нижню свердловину, звідки їх і викачують. На одному родовищі десятки таких свердловин можуть розходитися від центральної шахти і тягнутися на кілька кілометрів в різні боки. Цей метод дешевше, ніж CSS, він забезпечує високу швидкість видобутку нафти і дозволяє отримати до 60% бітумів, що містяться в родовищі. Зараз саме він стає самим широко використовуваним методом розробки бітумінозних пісків, приходячи на зміну відкритому видобутку.
Є й інші експериментальні методи, які знаходяться в розробці. Наприклад, на деяких родовищах замість пара використовують органічні розчинники, які повинні разжижить бітуми, і тим самим економлять енергію на розігрів пара. Інші експериментатори намагаються використовувати контрольоване підземне горіння органіки, що міститься в пісках: тепло від горіння повинно розріджувати бітуми і робити їх податливими для насосів.
Втім, будь-який з цих методів на порядок складніше простого викачування нафти з підземних резервуарів. Всі вони вимагають дорогої техніки, величезних кількостей води і хімічних реактивів для розрідження бітумів, енергії на нагрів води і пара, а також на прибирання величезних кількостей порожнього піску і відпрацьованої води, що залишаються після їх відмивання. І це лише початок.
Нафта з смоли
Бітуми, відокремлені від пісків, - - це чорна в'язка важка маса. Що з нею робити? Її знову треба розріджувати, змішуючи з більш легкими вуглеводнями, або хімічно переробляти, отримуючи синтетичну сиру нафту. Така переробка необхідна і для того, щоб бітуми можна було пускати на звичайні нафтопереробні заводи. Ці попередні маніпуляції, звані «апгрейдинг», складаються з трьох стадій.
Спочатку, на першій стадії, під вакуумом відокремлюють легкий газ і рідкі нафти від важких асфальтенових фракцій. Газ використовують в якості палива для наступних стадій апгрейдинг, а рідкі фракції відразу відправляють на очистку.
Каталітичний гідрокрекінг - більш тонкий метод розкладання важких фракцій. Він дозволяє отримувати більше цінних синтетичних нафт, але обходиться дорожче і більш чутливий до забруднень. При каталітичному гідрокрекінгу важкі бітуми реагують з воднем при температурі близько 400 ° С і тиску до 200 атмосфер. Цей метод не тільки розщеплює важкі молекули, але ще і збільшує кількість водню в одержуваних продуктах, перетворюючи ароматику в циклічні насичені вуглеводні. При гідрокрекінгу не виходить коксу, але залишкові важкі речовини іноді відправляють на коксування, об'єднуючи обидва методи для кращої переробки.
В якості каталізаторів часто поширюються через підключення молібдену в поєднанні з кобальтом або нікелем, нанесені на пористі кульки з оксиду алюмінію або алюмосиликатов і цеолітів. Щоб пори каталізатора краще відповідали розмірам молекул переробляються речовин, в оксид алюмінію можуть додавати, наприклад, оксид титану. Погано те, що в бітумах містяться різні каталітичні отрути, сполуки сірки, азоту та важких металів, які паралізують каталізатор. Проблема ще й у тому, що бітуми за складом, включаючи отрути, різняться від родовища до родовища, тому в кожному випадку треба підбирати індивідуальний каталізатор. Зрозуміло, що все це складно. Однак дослідження тривають, і якщо правильно підібрати каталізатор, вартість апгрейдинг значно знижується.
Остання стадія апгрейдинг, або вторинний апгрейдинг, - - це каталітична гідроочищення отриманих легких фракцій від сполук сірки і азоту, непотрібних і шкідливих. Вона, в принципі, схожа на гідрокрекінг, з тією лише відмінністю, що сполуки сірки та азоту, часто на тих же кобальт-молібденових каталізаторах, але при трохи менш високих температурах і тисках, відновлюються до сірководню і аміаку.
Нарешті, отримані гази поділяють, конденсують і отримані рідкі нафтові фракції відправляють по трубопроводах на звичайні нафтопереробні заводи.
Виходи при апгрейдинг різняться в залежності від застосовуваних методів від 80% (компанія «Suncor», метод сповільненого коксування) до 90% (завод Albian Sands в Скотфорде, метод гідрокрекінгу). Однак, з огляду на енергетичну складову, втрати виявляються ще більше. Якщо при видобутку і апгрейдинг бітумів для нагріву використовувати природний газ, то для отримання одного бареля синтетичної нафти потрібно спалити обсяг газу, енергетично еквівалентний приблизно 20% цього бареля. Якщо при видобутку бітумів спалювати ці ж самі бітуми, втрачається до 35% видобутої енергії. В результаті, на шляху від брудного піску до високоякісної нафти може губитися майже половина речовини.
Тим не менш, це не зупиняє канадські компанії, що займаються розробкою бітумінозних пісків. Адже після всіх стадій видобутку, очищення та обробки, після втрат речовини і енергії, собівартість бареля синтетичної нафти, виробленої в Канаді, все одно виявляється не більше 30 - 40 доларів. А це приблизно в три рази менше сьогоднішніх цін на нафту.