Возможности использования технологий замкнутого цикла в нефтегазовом комплексе

Введение

На сегодняшний день, несмотря на набирающее темп развитие новых моделей экономики (зеленой, низкоуглеродной, циркулярной и др.), основанных на принципах устойчивого развития, нефтегазовая промышленность продолжает занимать ключевую роль в обеспечении современной жизни человечества, так как потребность в углеводородах не исчезает. В силу роста давления со стороны регулирующих органов, инвесторов и потребителей [27] (Jain, Panda, Choudhary, 2020), требующих снизить углеродоемкость их продукции и услуг, нефтегазовым компаниям необходимо пересмотреть и переопределить свою традиционную стратегию ведения бизнеса [4].

Так, по данным источника [11], мировое потребление нефти и газа показывало положительный рост с 2009 по 2019 г., однако в 2020 году произошел резкий спад ввиду пандемии коронавируса, и это коснулось каждого источника первичной энергии. Нефть по-прежнему лидирует в структуре энергопотребления с долей в 31,2%, следом идет уголь – 27,2%, и рекордные показатели по отношению к прошлым годам в 2020-м заняли природный газ – 24,7% и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – 5,7%, которые обогнали атомную энергетику (4,3%) [11].

Человеческое общество постепенно приходит к консенсусу о дальнейшем развитии на XXI век, о чем свидетельствуют национальные стратегии устойчивого развития, включающие также политические меры, принятые с 2012 по 2015 г. на Конференциях Организации Объединенных Наций (ООН), проведенных в Рио-де-Жанейро, Нью-Йорке и Париже [1] (Bobylev, 2017).

Целью настоящей статьи является оценка возможности применения технологий замкнутого цикла в нефтегазовой отрасли. Научная новизна исследования заключается в классификации методов зацикливания производства в нефтегазовом секторе.

Циркулярная экономика и нефтегазовый сектор

Для того чтобы достичь прогресса в решении проблем устойчивости нефтегазового сектора, таких как истощение природных ресурсов, увеличение выбросов парниковых газов, высокие темпы генерации отходов, необходимо перейти от привычной модели линейной экономики (добыча – производство – распределение – потребление – отходы) к модели замкнутого цикла, в которой используются оптимизация производственного процесса, многократное или совместное использование продукта и переработка отходов [18] (Ghisellini, Cialani, Ulgiati, 2016).

В работе [10] (Bocken et al., 2016) отражены две задачи, которые определяют переход к экономике замкнутого цикла: задача первая – сведение к минимуму извлечения ископаемых ресурсов, задача вторая – минимизация потерь материалов и предотвращение выбросов в атмосферу. Для решения задач необходимо руководствоваться 4 принципами:

Рисунок 1. Принципы циркулярной экономики

Источник: составлено авторами по данным источника [29].

Несмотря на то, что исследования в области устойчивого развития нефтегазового сектора проводились многими авторами [8, 9, 23] (Anis, Siddiqui, 2015; Basile, Capobianco, Vona, 2021), но работ, посвященных изучению нефтегазовой промышленности с точки зрения принципов циркулярной экономики (экономики замкнутого цикла), в мире, к сожалению, недостаточно. Например, Хуан К., Чжан Дж. определили стратегии замкнутого цикла для добычи нефти и газа в Китае [20] (Huang, Zhang, 2011). Авторы работы Ричард К. и др., посвященной текущей ситуации в Аргентине в области экономики замкнутого цикла на примере нефтегазовой промышленности, пытаются выявить те сектора рассматриваемой отрасли, в которых возможно применение циркулярной концепции со всеми ее преимуществами и недостатками [33].

Нефтегазовый сектор значительно вырос за последние годы, поэтому для него особенно важно вносить серьезные корректировки в методы ведения бизнеса. Этот сектор является одним из крупнейших в мире, с растущими доходами и расходами, необходимыми для обеспечения потребителей энергией. Цепочка создания стоимости продукта в нефтегазовой отрасли состоит из 3 основных секторов:

1. Сектор Upstream, или E&P, где «E – exploitation» означает разведку, а «P – production» – добыча. В разведке и добыче ведется поиск потенциальных месторождений углеводородов на суше или в море комплексом геолого-геофизических инструментов, следом бурятся поисково-оценочные и разведочные скважины. После открытия месторождения начинается промышленная добыча бурением ряда эксплуатационных скважин и их подключения к наземной добычной установке и транспортным средствам.

Нефтегазовые сектора Downstream и Midstream являются дополнением к сектору Upstream для доставки продукции потребителям.

2. Midstream – все, что относится к транспортировке углеводородов от узла учета нефти/газа либо от центрального пункта сбора нефти/газа до нефте- и газоперерабатывающих заводов. Способы транспортировки – трубопроводы, танкеры, железнодорожные цистерны, автомобильный транспорт.

3. Downstream – переработка сырой нефти и природного газа, хранение и сбыт готовой продукции: бензин, керосин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, смазочные воски, асфальт, сжиженный природный газ (СПГ), продукты нефтехимии. Доставка конечному потребителю также является частью сектора Downstream.

Из-за характера деятельности по добыче нефти и газа, сопряженной с высокими рисками, компании постоянно работают над уменьшением своего неблагоприятного воздействия на окружающую и социальную среду. На пути ведения своей деятельности возникают некоторые серьезные проблемы [30] (Mojarad, Atashbari, Tantau, 2018):

· высокая волатильность цен на углеводородное сырье;

· усиление давления на менеджеров со стороны акционеров, которые сосредотачиваются на создании стоимости, а не на выпуске продукции, из-за низкой окупаемости инвестиций;

· сложность процесса бурения и добычи;

· увеличение спроса на углеводороды во многих регионах;

· соблюдение требований охраны труда, промышленной безопасности и охраны окружающей среды остается критически важным – особенно в текущих условиях нестабильных цен и экономии затрат;

· нестабильность фискальных условий;

· уровень развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и инноваций;

· сбор, интерпретирование и управление увеличивающимся объемом данных.

В условиях перехода к политике устойчивого развития под влияние перечисленных проблем попали крупные нефтегазодобывающие компании. В целом проблемы устойчивого развития нефтегазового сектора можно разделить на следующие категории:

· сжигание на факелах попутного нефтяного газа, являющегося ценным источником сырья;

· вывод из эксплуатации нефтегазопромыслового оборудования из-за окончания его срока использования;

· утилизация резервуаров для хранения нефти и газа;

· обработка бурового шлама;

· удаление и очистка пластовой воды;

· обращение с буровыми растворами и тампонажными жидкостями;

· мониторинг выбросов парниковых газов (ПГ);

· проседания горных пород;

· утечки нефти и газа по всей цепочке создания продукта;

· безопасность персонала.

Каждая из вышеупомянутых проблем в прошлом вызвала множество экологических проблем, а иногда и экологических кризисов. Поэтому в 2015 г. страны – участницы ООН приняли 15-летний план по достижению целей устойчивого развития (ЦУР) до 2030 г., которые призваны к действиям, нацеленным на улучшение благосостояния и защиту планеты.

Технологии циркулярной экономики в нефтегазовой отрасли

Для решения выделенных категорий проблем в нефтегазовом секторе существуют 4 способа, работающих по принципам циркулярной экономики (рис. 2).

Рисунок 2. Способы зацикливания производства в нефтегазовом секторе

Источник: составлено авторами по данным источников [22, 25, 32, 36] (Ilinova, Kuznetsova, 2022; Ivanov, Strizhenok, Suprun, 2020; Phillips et al., 2018; Stefanakis, 2022).

В работе [28] (Lackner et al., 2012) автором доказано, что метан обладает 25-кратным потенциалом парникового эффекта по отношению к двуокиси углерода. Поэтому для сохранения экологии требуется избегать попадания метана в атмосферу. Технологии использования попутного нефтяного газа (ПНГ), основным компонентом которого является метан, на сегодняшний день насчитывают несколько направлений [25] (Ivanov, Strizhenok, Suprun, 2020):

1. Переработка на малогабаритных газоперерабатывающих заводах и поставка его в магистральный трубопровод, а также производство широкой фракции летучих углеводородов (ШФЛУ) и сжиженных углеводородных газов (СУГ).

2. Производство электроэнергии (газотурбинные генераторы, генераторы на поршневых газовых двигателях).

3. Химическая переработка для получения смеси ароматических углеводородов.

4. Газохимический процесс (Фишера-Тропша) для получения метанола.

5. Утилизация для собственных нужд, использование в качестве агента для повышения нефтеотдачи пластов (ПНП).

Перечисленные методы утилизации ПНГ требуют значительных капитальных затрат на строительство инфраструктуры. Поэтому государственное стимулирование и налоговые послабления могут помочь в решении проблем утилизации попутного нефтяного газа на месторождениях [3] (Ponkratov, Pozdnyaev, 2014).

Особенность нефтегазовой отрасли в том, что большая часть операционной деятельности связана с негативным воздействием на атмосферу – выделением огромного количества парниковых газов (ПГ), по большей части метана, который может проявиться при бурении и добыче, утечках в фонтанной арматуре и трубопроводах, а также при аварийном выбросе [8] (Anis, Siddiqui, 2015). Также при бурении, добыче и ремонте скважин используются агрегаты, работающие на дизельном топливе, которые выделяют значительное количество ПГ.

Для ликвидации дисбаланса между странами Европейского союза и развивающимися странами со слабым углеродным регулированием, а также предотвращения «углеродной утечки» в 2021 году Европейская комиссия «представила финальный текст Постановления Европейского Парламента и Совета об утверждении механизма трансграничного углеродного регулирования (CBAM – carbon border adjustment mechanism)» [31] (Nevskaya, Baronina, 2021). Поэтому странам, производящим углеродоемкую продукцию, необходимо внедрять в бизнес-модели принципы так называемой циркулярной углеродной экономики (CCE – Circular Carbon Economy).

Технологии улавливания, хранения и использования углекислого газа (CCUS – carbon capture, utilization and storage) изучались многими авторами [7, 13, 19] (Alsarhan et al., 2021; Cherepovitsyn, Chvileva, Fedoseev, 2020; Hasan, Eric First, Fani Boukouvala, Floudas, 2015). Так, в работе [15] (Eide et al., 2019) выявлены различия методов повышения нефтеотдачи пластов с помощью СО₂ на море и суше (рис. 3), а также определены технологические барьеры внедрения этих методов. Авторы исследования [34] (Romasheva, Ilinova, 2019) выделили группы факторов, влияющих на развертывание проектов по улавливанию и хранению углекислого газа. По их мнению, количество барьеров, связанных с экономическими проблемами, безопасностью общества и его сопротивлением полномасштабному развертыванию технологий улавливания и хранения углекислого газа во всем мире, слишком велико, а отсутствие прямого коммерческого эффекта и важность таких инициатив для сокращения выбросов углекислого газа выявляют необходимость роли государственного регулирования – финансовая поддержка, четкое законодательство, разъяснительная работа с общественностью и адекватное налогообложение и кредитование могут помочь в широком внедрении проектов CCUS.

Рисунок 3. Схема применения повышения нефтеотдачи с помощью CO₂

Источник: составлено авторами по данным источника [2].

Несмотря на то, что данный метод успешно применялся в рамках опытно-промышленных работ на Елабужском месторождении, но был закрыт из-за финансовых трудностей, применение методов повышения нефтеотдачи пластов с помощью СО₂ в России является перспективным направлением ввиду наличия большого количества истощенных месторождений [21] (Ilyinova, Romasheva, Stroykov, 2020).

Вода, добытая на месторождениях, после предварительной очистки и доведения до желаемого качества может быть использована в качестве средства для поддержания пластового давления (ППД) либо увеличения нефтеотдачи пластов. Кроме того, вода может быть использована в качестве охлаждающего агента в перерабатывающем секторе, например на нефтеперерабатывающем заводе [6, 36] (Adham et al., 2018; Stefanakis, 2022). Методы очистки добываемой воды, как подчеркивается в [5] (Shesterikova, Shesterikova, Popov, 2015), могут экономить природные ресурсы, снижать негативное воздействие на экосистему, снизить уплату за сбросы в окружающую среду.

У истоков становления нефтегазовой промышленности человечество не задумывалось о наносимом экологическом ущербе при сбрасывании отходов бурения в окружающую среду без какой-либо первичной обработки от опасных компонентов [35] (Siddique, Leung, Njuguna, 2021). Тем не менее согласно источнику [24] (Ismail et al., 2017), на сегодняшний день уже выявлено, что от опасных химических компонентов, содержащихся в буровом шламе, страдают экосистемы (повышение токсичности окружающей среды ведет к гибели организмов), а также человек (появление дерматита, тошнота, кашель, кожное и слизистое раздражение). Поэтому безопасная утилизация бурового шлама требует повышенного внимания во всем мире. Управление отходами бурения находит отражение в работах [12, 14, 17, 32] (Ryen Caenn, Darley, George Gray, 2017; Darajah, et al., 2021; George, Antonis, 2021; Phillips et al., 2018). Отработанные буровые растворы некоторыми авторами [16] предлагается использовать повторно, очищая их виброакустическим методом.

Таким образом, перечисленные технологии, основанные на принципах циркулярной экономики, можно представить в виде таблице 1.

Таблица 1

Классификация технологий зацикливания производства в нефтегазовом секторе

Необходимо учитывать ограничения в применении каждой технологии, так как многие из вариантов требуют выполнения жестких условий, например: для закачки СО₂ в пласт необходимы геологические условия – ловушки, способные вместить в себе газ и не допустить утечек в вышележащие горизонты; получение метанола непосредственно на месторождении соответствующей инфраструктуры – газоперерабатывающего завода, что влечет за собой существенные капитальные вложения; очистка бурового шлама с помощью биологического разложения может занимать длительный период времени – месяцы или даже годы.

Заключение

Проведенное исследование подчеркивает важность циркулярной экономики, а также и необходимость внедрения технологий замкнутого цикла в нефтегазовую промышленность.

Переход к циркулярной экономике для нефтегазовых компаний на данный момент постепенно набирает обороты. Несмотря на бюджетные ограничения и невнятную государственную экологическую политику, зеленые инновации регулярно изобретаются учеными всего мира. Отметим тот факт, что без традиционных источников энергии обойтись невозможно, но необходимо постепенно внедрять инновации и инвестировать в создание низкоуглеродных и энергоэффективных технологий, увеличивать долю альтернативных источников энергии в ТЭК и внедрять системы по управлению отходами бурения.

В данном исследовании была предложена классификация методов зацикливания производства в нефтегазовом секторе. Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, поэтому для того, чтобы внедрять данные технологии, необходимо проводить технико-экономические расчеты для определения целесообразности использования того или иного метода.

В дальнейших исследованиях планируется оценить экономическую эффективность внедрения одного из перечисленных методов в проект по разработке нефтяного месторождения.