Анализ производства гелия в России

Впервые гелий обнаружил французский астроном П. Жансен в 1868 г. исследуя хромосферу Солнца. Позднее газу было дано название «гелий» (др.греч. «солнце»), в то время исследователи видели его только на оболочке солнца.

Спустя 27 лет после открытия, в 1895 г шотландский ученый-химик У. Рамзай обнаружил гелий на Земле. Благодаря его исследованиям гелий, как химический элемент, был включен в периодическую систему элементов Д.И. Менделеева.

Началом развития гелиевой промышленности можно считать 1903 г, когда в США был обнаружен гелий в природном газе (ПГ): извлекаемый из пробуренной скважины ПГ не горел, что заинтересовало ученых. В результате исследования его состава был обнаружен метан 15 %, азот 72 % (объясняющий невоспламеняемость газа), «инертный остаток» 12 % (в т.ч. гелий 1,84%). В последствии в 1914–1918 гг. (в период I мировой войны), Правительство США и Британии спонсировало крупномасштабные исследования, основным образом, направленные на применении гелия в воздухоплавании для военной промышленности. Уже в 1918 году был построен первый экспериментальный завод по добыче гелия из ПГ в Канаде, в 1921 году в США. В 1930 годах началось создание гелиевой промышленности в СССР. В 1931 году в СССР была поставлена задача поиска гелиеносного месторождения. Власти уделяли этому вопросу повышенное внимание, поскольку уже тогда гелий приобрел стратегическое значение в военной сфере – дирижаблестроении и подводных работах. В 1932 году при бурении нефтяной скважины в рес. Коми найдено первое месторождение гелия на территории СССР (содержание гелия до 0,45% об). Первый гелиевый завод (ГЗ) мощностью 50 тыс. куб. м в год был построен там же в 1935 году. В последствии мощность ГЗ была удвоена и при объединении двух заводов предприятие получило название Сосногорский ГПЗ (в 1993 производство гелия было прекращено из-за истощения сырьевой базы).

По состоянию на 1986 год в стране работало 5 ГЗ по производству гелия (таблица 1). До 1990-х годов во всем мире возможность использования (потребления) гелия зависело от возможности его производства.

Таблица 1

Данные о мощностях производства гелия в СССР

С 1978 года Оренбургский ГПЗ, мощностью 8,8 млн куб. м год (было построено 6 установок, производительностью 3 млрд куб. м в год каждая по переработке газа, 1,5 млн куб. м. в год по гелию, 400 тыс. т этана, 900 тыс. т ШФЛУ) являлся основным поставщиком гелия, а в последствии единственным. Как видно из таблицы, производственная мощность других ГЗ была не велика и в дальнейшем эти заводы прекратили производство гелия по причинам: нехватки сырья, уменьшения концентрации гелия в газе, износа оборудования.

Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) ООО «Газпром переработка» входит в состав газохимического комплекса, основанного на базе гелиеносного месторождения (газовый потенциал месторождения 120 трлн м3, миллионы кубических метров гелия). На первой ступени Оренбургский газоперерабатывающий завод (ОГПЗ) проводит глубокую осушку и очистку газа от сероводорода, COS, CS2, тяжелых углеводородов, CO2 и меркаптанов. И только потом после предварительной подготовки газ поступает на ОГЗ где для разделения газа на компоненты применяется криогенная технология.

При строительстве ОГЗ была использована уникальная отечественная технология, которая не имела аналогов в мире и позволяет добывать гелий из «бедных» по содержанию гелия газов (рис. 1). Начальный состав пластового газа Оренбургского месторождения содержал всего 0,055% об. гелия. На сегодняшний день в некоторых источниках декларируется цифра в 0,04% об. Однако ничего не изменилось со времен зарождения гелеевой промышленности: производители используют то сырье, которым располагают и общепринятых показателей содержания гелия в природном и попутном газах для его извлечения не существует. При этом себестоимость производства обратно пропорциональна концентрации гелия в добываемом ПГ и в мировой практике добыча гелиевого конденсата из газовых месторождений с содержанием гелия менее 0,1 % относится к нецелесообразной.

Рис. 1. Принятая в мировой практике классификация гелийсодержащих газов

«Уникальными» по содержанию гелия ПГ владеет США (табл. 2), неслучайно США является лидером производства гелия с начала его открытия. На Оренбургском ГПЗ концентрация гелия в перерабатываемом газе в 8–15 раз ниже, в виду чего при сходной технологии затраты на производство гелия приблизительно в 10 раз выше, чем в США.

Таблица 2

Концентрация гелия в ПГ гелиеносных месторождений мира

Возможность получения гелия, в объёмах производства ОГЗ, в то время, позволило обеспечить потребности страны «солнечным газом» главным образом для военной промышленности и космонавтики. В СССР это был период плановой экономики, когда экономическая эффективность была не столь важна, насколько важна независимость от импорта гелия и обеспечение страны в важном виде сырья. Большие запасы сырья предопределили строительство газового комплекса. Строительство уникального производства требовало новых технологий, научных подходов, конструкторских решений. Для строительства ОГЗ были привлечены научно-исследовательские, проектные и конструкторские предприятия, металлургические, машино- и приборостроительные заводы. Начало проектных работ и строительства датируют 1971 годом, запуск производства 1977 год, получение первой товарной продукции 1978. В короткие сроки был построен газовый гигант мощностью переработки 45 млрд куб м в год ПГ (20% от всего добываемого газа в стране) и 8,8 млн куб м год гелия как было указано ранее. Всего для производства газообразного гелия работает пять гелиевых блока первой, второй и третьей очередей завода.

Рис. 2. Этапы строительства Оренбургского гелиевого завода

Оренбургский гелиевый завод работает по классической технологии производства газообразного гелия, которая состоит из двух стадий (рис. 3).

Рис. 3. Стадии производства газообразного гелия

Промышленное производство гелия требует большое разнообразие применяемых технологических процессов с обширным диапазоном параметров производства: температуры от - 203 Со до + 430 Cо, давления – от «глубокого вакуума» до 400 атм. Все это приводит к необходимости использования соответствующих требованиям сталей, оборудования, материалов.

Рис. 4. Краткая схема технологии производства на ОГЗ

Рис. 5. Существующая схема тонкой очистки гелиевого концентрата на ОГЗ

Начиная с 1993 года заработано производство жидкого гелия на станции У-42 (фирма ООО «Криор»), на сегодняшний день оборудование установки морально, функционально и физически устарело. В 2014 году заработала современная установка сжижения гелия У-44, производительность 4,2 млн. л/год.

Таким образом, кроме газообразного гелия марок А и Б в качестве товарной продукции ОГЗ выпускает: метановую фракцию, этан, ШФЛУ, пропан, бутан, пентан-гексановую фракцию, жидкий азот, жидкий кислород, жидкий гелий. Хотя гелий является ключевым товаром, однако самый прибыльный товар завода – этан.

Поскольку гелий имеет низкую плотность и сверхтекучесть, его очень сложно хранить и транспортировать, он быстро улетучивается через любые материалы. До 1970 г. гелий в основном транспортировался в виде газа в баллонах высокой герметичности с мембранными вентилями, специализированных контейнерах и ж/д агрегатах. В 1972 г. был создан сосуд Дьюара (США), позволяющий делать поставки на дальние расстояния. Для временного хранения используют подземные хранилища гелиевого концентрата (ВПХГК). Такие хранилища организуют вблизи от производства в пористой среде. На ОГЗ первое подземное хранилище гелия было организовано в 1979 году в пластах каменной соли и представляет собой шесть емкостей, расположенных глубине до 1470 м, общим объёмом 235 тыс. куб. м (геометрический объём). Гелий в хранилище находится под давлением 18–19 Мпа, тем самым каждый куб.м. объёма резервуара хранит около 185 куб.м. гелия (общий объём возможного хранения 43,5 млн куб.м. гелия). Стоит отметить, что такого рода хранилища, являются менее надежными, чем природные. Кроме функции хранения, подземные хранилища выполняют функцию накопления оперативных запасов. Так до 1998 года в подземном хранилище Оренбургского ГПЗ хранился Госрезерв в объёме 30 млн. куб.м. гелиевого концентрата. Сегодня происходит забор гелиевого концентрата из подземного хранилища без его пополнения. Известно, что по состоянию на 2010 год в гелиехранилище было задействовано 2 резервуара из шести, объём гелиевого концентрата на хранении составлял 8,5 млн куб. м.

Подробная информация о динамике объёмов производства ОГЗ в период 1990-2015 гг. представлен на рис. 6.

Рис. 6. Динамика объёмов производства ОГЗ 1990-2015гг.

Ввиду истощения Оренбургского месторождения объёмы производства гелия снижаются (рис. 7).

Рис. 7. Максимально возможная выработка гелия на ОГЗ из сырья Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения в период с 2015-2030 гг. (оптимистический прогноз)

На сегодняшний день ОГЗ производит ежегодно 3,6 млн куб.м., что не покрывает потребности даже внутреннего рынка России, дефицит наблюдается не только на внутреннем, но и на мировом рынке. С каждым годом дефицит гелия увеличивается несмотря на то, что многие страны стараются наращивать свое производство (по прогнозам, к 2030 году мировой дефицит гелия может достигнуть 117,9 млн. м³. (рис. 8).

Рис. 8. Мировое производство и потребление гелия

Рост объёмов потребления гелия связано как с развитием высоких технологий: ежегодно открываются новые направления использования гелия, так и покрытием потребностей в традиционных сферах его применения.

Значительный рост спроса наблюдается в странах Азиатско-Тихоокеанского региона.

В России разработаны месторождения с содержанием гелия в ПГ 0,43-0,65 % об (Чаядинское месторождение, Якутия, Республика Саха), 0,26-0,28 % об (Ковыктинское месторождение, Иркутская область) на базе этих и Якутского месторождений с 2015 года строится один из крупнейших в мире, современный газоперерабатывающий завод, который в 2025 году должен выйти на полную мощность 60 млн. куб. м. гелия в год. Завод уже подключен к газопроводу «Сила Сибири», по которому газ поставляется из РФ в Китай и должен стать «трубой в Китай». Строительство завода на Амуре позволит России занять 25–30 процентов мирового гелиевого рынка.

Кроме этого, Иркутская нефтяная компания строит ГЗ на базе Ярактинского нефтегазоконденсатного месторождения (его запуск ожидается в следующем году) и собирается построить аналогичное предприятие на Марковском нефтегазоконденсатном месторождении.

Строительство указанных предприятий перекроет дефицит гелия в будущем и даже возможен переизбыток гелия.

1. Технология переработки природного газа и конденсата: Справочник: В2 ч. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2022. - Ч.1.
2. Якуцени В.П. Сырьевая база гелия в мире и перспективы развития гелиевой промышленности // Нефтегазовая геология. Теория и практика: электрон. науч. журнал, 2009. – №2.
3. Столыпин В.И., Пантелеев Д.В., Молчанов С.А., Зубанова Е.А., Волченко А.Г. Совершенствование технологии получения сжиженных углеводородных газов в ООО «Газпром добыча Оренбург» с целью доведения их качества до требований международных стандартов // Мир нефтепродуктов. –2009. – №9-10.
4. Голубева И.А., Родина Е.В. Оренбургский ГПК – газоперерабатывающий и гелиевый заводы (ООО «Газпром добыча Оренбург») // Нефтепереработка и нефтехимия №2, 2015.
5. Филимонова И.В., Мансурова А.М., Проворная И.В. Анализ современного состояния и прогноз развития мировой гелиевой промышленности с учетом перспектив по хранению гелия. //Газовая промышленность № 12, 2020 г.
6. Климентьев А. Оценка конкурентоспособности СПГ-проектов в условиях нестабильного рынка //Нефтегазовая вертикаль, №12, 2020г.
7. Ларионов А.В. Организационно-экономические механизмы рационального освоения гелиевого ресурса Республики Саха (Якутия).
8. Голубева И.А., Худяков Д.С. Газоперерабатывающие предприятия России, проблемы и пути решения // Neftegaz.RU, №10, 2022.
9. Пост-релиз конференции «Гелий 2018», Большие перспективы, 2018.