Горючий сланец — одно из наиболее распространённых и недооценённых видов твёрдого органического топлива, ресурсы которого в мире многократно превышают разведанные запасы традиционной нефти. Это осадочная порода, в которой минеральная основа тесно переплетена с органическим веществом — керогеном, способным при термической переработке давать жидкие и газообразные углеводороды. Понимание происхождения, состава и свойств горючего сланца определяет выбор технологии его переработки и оценку промышленной ценности этого сырья.

Что такое горючий сланец

Горючий сланец — это плотная осадочная порода тонкослоистого строения, содержащая значительное количество органического вещества, которое не растворяется в обычных органических растворителях. Главным горючим компонентом является кероген — высокомолекулярное органическое вещество, рассеянное в минеральной матрице породы. В отличие от нефти и природного газа, органика горючего сланца находится в твёрдом состоянии и не может быть извлечена простой добычей, а требует термического воздействия — пиролиза.

По сути горючий сланец занимает промежуточное положение между обычными осадочными породами и каустобиолитами угольного ряда, представляя собой самостоятельный вид топливно-энергетического и химического сырья.

Геологическое происхождение и образование

Горючие сланцы формировались на протяжении геологических эпох на дне древних морских и озёрных бассейнов в результате накопления и захоронения остатков планктонных водорослей, микроорганизмов и иной биомассы. Преобладание сапропелевого органического материала, отлагавшегося в восстановительной среде без доступа кислорода, отличает их от гумусовых углей, образованных из остатков высших наземных растений.

В процессе диагенеза и последующего катагенеза при умеренных температурах и давлении исходное органическое вещество преобразовывалось в кероген. Тонкое переслаивание органики с глинистым, карбонатным или кремнистым минеральным материалом определило характерное слоистое сложение породы и её зольность.

Состав: кероген и минеральная матрица

Горючий сланец состоит из двух principal частей — органической и минеральной. Органическая часть представлена керогеном, доля которого в промышленно ценных сланцах обычно составляет от 10 до 30 % и более по массе; именно кероген при нагреве разлагается с образованием сланцевого масла, газа и твёрдого остатка — полукокса. Минеральная часть формирует высокую зольность породы и состоит главным образом из глинистых минералов, карбонатов и кварца.

Ключевые компоненты горючего сланца включают:

• кероген — основное органическое вещество, источник жидких и газообразных продуктов при пиролизе;
• битумоиды — небольшая доля растворимого органического вещества;
• минеральную матрицу — глины, карбонаты (кальцит, доломит), кварц и пирит, определяющие зольность;
• связанную влагу и небольшие количества соединений серы и азота.

Физико-химические свойства

Важнейшими технологическими характеристиками горючего сланца являются теплота сгорания, зольность, влажность и выход сланцевого масла, определяемый стандартным методом полукоксования по Фишеру (Fischer assay). Теплота сгорания товарных сланцев обычно лежит в диапазоне примерно от 6 до 16 МДж/кг и существенно ниже, чем у угля, из-за высокого содержания минеральной части. Выход смолы при лабораторном полукоксовании служит главным показателем ценности сланца как сырья для получения жидкого топлива и обычно составляет от нескольких до 20 и более процентов на сухую породу.

Высокая зольность и сравнительно низкая теплотворная способность накладывают ограничения на способы использования: при прямом сжигании эффективность ниже, поэтому для глубокой переработки предпочтительнее термическое разложение керогена с раздельным получением жидких, газообразных и твёрдых продуктов.

Промышленное значение и переработка

Промышленная ценность горючего сланца определяется тем, что при пиролизе кероген превращается в сланцевое масло — синтетический аналог нефти, пригодный для производства моторных топлив, котельного топлива и широкого спектра химических продуктов. Это делает сланец стратегической альтернативой традиционным нефти и газу для регионов, обладающих крупными его запасами, и основой для развития сланцеперерабатывающей промышленности.

Наиболее эффективной для энергетического использования сланца зарекомендовала себя технология пиролиза с твёрдым теплоносителем (УТТ, Галотер), при которой измельчённый сланец нагревается горячим зольным теплоносителем. Такой подход обеспечивает высокий выход сланцевого масла, позволяет утилизировать энергию полукокса и комплексно использовать сырьё, минимизируя образование отходов.

В русскоязычных публикациях термины «сланцевое масло» и «сланцевая нефть» нередко используют как синонимы, хотя они обозначают принципиально разные виды углеводородного сырья и получают их совершенно разными способами. Сланцевое масло — это продукт термической переработки твёрдого горючего сланца, тогда как сланцевая нефть — лёгкая нефть, добываемая из плотных низкопроницаемых пород бурением и гидроразрывом пласта. Разберём, откуда возникает путаница, как производится каждый продукт, чем различаются их состав и качество и где они применяются.

Откуда берётся путаница

Корень недоразумения — перевод английского словосочетания «shale oil». В английском языке слово «oil» означает одновременно и «масло», и «нефть», поэтому один и тот же термин по традиции относили к продукту переработки горючего сланца, а позже им же стали называть лёгкую нефть из сланцевых формаций. При переходе на русский язык один англоязычный термин распался на два понятия, и граница между ними в популярных текстах часто стирается.

Между тем за этими словами стоят разные геологические объекты и разные технологии. Чтобы не смешивать продукты, инженеры различают «сланцевое масло» (retort/kerogen oil) — из твёрдого сланца, и «сланцевую нефть» (tight oil) — из плотных пород.

Сланцевое масло: продукт переработки горючего сланца

Сланцевое масло получают термической переработкой горючего сланца — осадочной породы, содержащей нерастворимое органическое вещество кероген. Сама порода жидких углеводородов не содержит: кероген превращается в масло только при нагреве без доступа кислорода (ретортинг, пиролиз) при температуре порядка 480–520 °C, когда крупные органические молекулы расщепляются и из них выделяется парогазовая смесь, конденсирующаяся в жидкое масло.

В современных установках с твёрдым теплоносителем (УТТ, технология «Галотер») тепло сланцу передаёт нагретая зола, что обеспечивает быстрый нагрев и высокий выход масла. По сути сланцевое масло — это синтетическая жидкость, искусственно полученная из твёрдого сырья, а не извлечённая из недр в готовом виде.

Сланцевая нефть: лёгкая нефть из плотных пород

Сланцевая нефть — это обычная лёгкая нефть, которая уже находится в недрах в жидком виде, но заключена в плотных низкопроницаемых породах (часто сланцах и плотных коллекторах). Из-за крайне низкой проницаемости такая нефть не течёт к скважине самотёком, поэтому её добывают горизонтальным бурением в сочетании с гидроразрывом пласта: в породу под давлением закачивают жидкость с проппантом, создавая систему трещин, по которым нефть поступает в скважину.

Здесь нет термической переработки органики — это именно добыча уже сформировавшейся нефти, просто из коллектора, недоступного традиционным методам. Поэтому правильнее называть её нефтью плотных пород (tight oil), а не продуктом переработки сланца.

Различия в составе и качестве

Поскольку у продуктов разное происхождение, различаются и их свойства. Сырое сланцевое масло, полученное из кcкерогена, обычно тяжелее и содержит больше гетероатомных соединений — серы и особенно азота, а также непредельных углеводородов и смолистых компонентов, поэтому перед переработкой в моторные топлива оно требует облагораживания (гидроочистки). Сланцевая нефть, напротив, по своей природе лёгкая, маловязкая, с низким содержанием серы и близка к качественным сортам традиционной нефти.

• Происхождение: сланцевое масло — синтез из твёрдого керогена при нагреве; сланцевая нефть — добыча готовой жидкой нефти из пласта.
• Способ получения: ретортинг / пиролиз (УТТ, «Галотер») против горизонтального бурения и гидроразрыва пласта.
• Качество сырья: сланцевое масло тяжелее, богаче азотом и смолами; сланцевая нефть лёгкая и малосернистая.
• Подготовка к переработке: сланцевое масло требует облагораживания; сланцевая нефть пригодна к переработке практически как обычная нефть.

Где применяется каждый продукт

Сланцевое масло — ценное химико-энергетическое сырьё. Его фракции используют как компоненты котельного и судового топлива, как сырьё для производства дорожных и кровельных битумов, а также для выделения индивидуальных химических продуктов; лёгкие фракции после гидрооблагораживания могут идти в моторные топлива. Технология с твёрдым теплоносителем («Галотер», УТТ) позволяет комплексно перерабатывать горючий сланец, получая масло, газ и тепло.

Сланцевая нефть встраивается в обычную нефтепереработку наравне с традиционной нефтью: из неё получают бензин, дизельное топливо, авиакеросин и сырьё для нефтехимии. Таким образом, сланцевое масло ближе к специальной химико-технологической продукции, тогда как сланцевая нефть — это массовое топливное сырьё мирового рынка.