Потенциал природных и техногенных источников диоксида углерода для реализации технологии смешивающегося вытеснения на территории РФ

Источник: Журнал «PROнефть»

Н.Г. Главнов, М.Г. Дымочкина, к.т.н., Е.И. Литвак, М.В. Вершинина Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

В энергетической стратегии России на период до 2035 года отмечено, что нерациональное недропользование, в частности низкий уровень коэффициента извлечения нефти (КИН), относится к числу основных проблем развития нефтяного комплекса страны. Для решения данной проблемы необходим переход от ресурсно-сырьевого к ресурсно-инновационному направлению развития нефтедобывающей отрасли с формированием длинных технологических цепочек и наполнением их инновационными технологиями [1]. Одной из таких технологий является технология увеличения КИН путем закачки в нефтяной пласт диоксида углерода (СО2).

Диоксид углерода при закачке в пласт (в смешивающемся режиме) обеспечивает снижение остаточной нефтенасыщенности и вязкости нефти, что способствует более эффективному вытеснению ее из пласта, в то же время происходит увеличение вязкости пластовой воды, приводящее к снижению ее подвижности. Как следствие, закачка СО2 именно после применения заводнения позволяет увеличивать КИН до 20 % от достигнутого с применением первичных методов.

К настоящему времени в мире уже накоплен опыт промышленной реализации газовых методов увеличения нефтеотдачи с применением СО2 с доказанной экономической эффективностью. По опубликованным данным на начало 2015 г. только в США существует более 80 проектов разработки нефтяных месторождений с закачкой СО2, характеризующихся положительным NPV, а суммарный прирост добычи нефти составляет более 15 млн т/год, или 3 % общей добычи нефти в США [2].

Свойства СО2 позволяют использовать его для увеличения КИН в достаточно широком диапазоне геолого-физических свойств нефтяных пластов. Основными условиями эффективного взаимодействия СО2 с пластовыми флюидами является глубина более 700 м и температура выше 31 °С. Но при этом для получения 1 т дополнительно добытой нефти требуется в среднем 1 000 м3 чистого СО2. Поэтому наличие достаточного объема диоксида углерода для реализации проекта является ограничивающим и наиболее весомым фактором, влияющим на рентабельность применения данной технологии.

Диоксид углерода может быть получен как из природных залежей, так и из промышленных источников (техногенный СО2). В США сосредоточены крупнейшие из известных в настоящее время месторождений природного СО2, суммарный объем запасов которых превышает 1 трлн м3 (рис. 1) [3-6], и именно этот фактор существенно повлиял на масштабное развитие технологии в Северной Америке.


Рис. 1. Схема проектов по повышению нефтеотдачи путем закачки CO2 и месторождений – источников СО2 на территории США [6] (красными линиями обозначены трубопроводы)

Параллельно с задачей увеличения КИН при разработке нефтяных месторождений с применением технологии закачки СО2 может быть решен ряд важнейших экологических задач: утилизация нефтяного газа путем его сжигания и последующего выделения СО2 для закачки в продуктивные нефтяные пласты; сбор и использование выбросов СО2, в большом количестве образующихся в качестве газообразных отходов различных производств (энергетики, металлургии, химической промышленности); соблюдение международных конвенций по контролю климатических изменений. В рамках Киотского протокола 1990 г. и Конференции ООН по климату в Копенгагене 2009 г. было объявлено, что Россия берет на себя обязательства по снижению выбросов парниковых газов на 15-25 % к 2020 г. относительно уровня 1990 г., поэтому утилизация промышленного СО2 – основного парникового газа, является крайне актуальной задачей.

Несмотря на высокие затраты, неизбежно сопровождающие любой крупный инновационный проект, ПАО «Газпром нефть» рассматривает развитие технологии использования СО2 для увеличения нефтеотдачи и параллельное снижение экологических рисков как одно из приоритетных направлений технологического развития компании.

На текущий момент в России в отличие от США не открыты месторождения природного СО2, в основном он присутствует в недрах в виде попутного компонента углеводородных газов. На Государственном балансе РФ на 01.01.2015 г. числились четыре месторождения с запасами СО21+С2), равными 601,6 млрд м3 при средней концентрации СО2 – 13,9 %. При этом 99,1 % запасов сосредоточено в Астраханской области (Астраханское, Западно-Астраханское месторождения), 0,9 % – на шельфе Баренцева моря (Поморское, Северо-Гуляевское месторождения) [7].

Поскольку наличие СО2 в необходимом объеме и непрерывность его поставок являются первоочередными условиями успешной реализации проекта по увеличению нефтеотдачи, при первичной оценке проектов большое внимание должно уделяться как поиску природных источников диоксида углерода, так и анализу способов получения техногенного СО2.

Природные источники и генезис СO2

В естественной среде диоксид углерода в виде примесей присутствует во всех подземных флюидах, включая углеводороды. По типу генезиса природный СО2 разделяется на три основные разновидности: органогенный, метаморфический и вулканогенный (или эндогенный). Они отличаются не только происхождением, но и концентрацией в газе устойчивого изотопа углерода 13С, который позволяет СО2 сохраняться в неизменном виде, несмотря на высокую реактивность [8, 9].

Под органогенным СО2 понимается углекислота, образованная при различных биохимических и химических процессах, происходящих с органическим веществом и углеводородными газами. Количество органогенного СО2 составляет 90 % всего количества существующего диоксида углерода на планете. Он практически не способен накапливаться в самостоятельном виде, вступая в реакцию с пластовой водой, горными породами, и содержится в виде попутного компонента в углеводородных флюидах в концентрации до 5 %. Из-за столь незначительной концентрации его запасы не представляют промышленного интереса и не могут быть использованы для закачки с целью увеличения нефтеотдачи [10, 11].

Метаморфический СО2 образуется в результате преобразования карбонатных пород под действием высоких давления и температуры и характеризуется отсутствием примесей, в том числе сероводорода, что очень важно для обеспечения эффективности процесса вытеснения нефти. Метаморфический СО2 может содержаться как в виде примесей, так и в свободном виде, концентрация его может достигать 95 % и более [12].

В России именно с с метаморфическим диоксидом углерода связаны наиболее крупные известные скопления СО2 – месторождения Астраханского и Сургутского сводов. При этом, если на месторождениях Астраханского свода он содержится в виде примеси углеводородного газа концентрацией до 25 %, то на месторождениях Сургутского свода его концентрация достигает 97 % (например, Межовское месторождение Каймысовской нефтегазоносной области). Данное месторождение приурочено к базальным горизонтам мезозойского платформенного чехла, залегающего непосредственно на гранитах. Вокруг Межовского гранитного массива развита карбонатная палеозойская толща, которая и является источником метаморфического СО2. Территория Сургутского свода очень перспективна для анализа процессов генезиса и накопления природного диоксида углерода, а также для его добычи с целью использования для увеличения нефтеотдачи. Однако, несмотря на то, что палеозойские карбонаты развиты на обширной территории, проявления СО2 носят локальный характер, обусловленный особенностями процесса метаморфизма. Поэтому прогнозирование подобных залежей и оценка их ресурсного потенциала вызывают большие трудности [13–15].

С вулканогенным СО2 связаны самые крупные месторождения в мире, в них концентрация СО2 достигает 100 %. Примерами таких месторождений являются Sheep Mountain, McElmo Dome, Jackson Dome в США, Repcelak и Mihalyi в Венгрии. Формирование подобных месторождений происходит под влиянием следующих факторов [16]:

1) проявления современного вулканизма, в результате которых поступает поток ювенильной кислоты; высокие температуры потока (выше 100 °С) и наличие тяжелых изотопов обеспечивают сохранность СО2 при его миграции;

2) наличие на пути газового потока горизонтов (мощные водоносные горизонты, слои вечной мерзлоты, придонные океанические воды), на которых происходит его принудительное охлаждение до температуры ниже 31 °С, при такой температуре СО2 переходит в жидкую более стабильную фазу.

Образованию месторождений СО2 в США способствуют активный Тихоокеанский вулканический пояс, обеспечивающий создание потока ювенильной кислоты, а также наличие температурных условий для его охлаждения до жидкости (мощные водоносные горизонты-охладители).

На территории РФ существует как современная вулканическая активность (Камчатка, Курилы), так и погребенные охлажденные вулканы, способные продуцировать поток насыщенной кислоты, а обширная зона многолетнемерзлых пород может обеспечить охлаждение СО2 до температуры конденсации. Наиболее перспективны в данном направлении Восточная Сибирь и Сахалин [10]. Однако специальные исследования по прогнозированию зон концентрации запасов природного СО2 и оценка их объемов до настоящего времени не проводились.

В 70–80-е годы ХХ века в СССР осуществлялись масштабные лабораторные исследования, доказавшие высокую технологическую эффективность использования СО2 для увеличения КИН [17, 18]: на некоторых нефтяных месторождениях (Туймазинском, Ромашкинском и др.) проводились опытно-промышленные работы по вытеснению нефти путем закачки СО2. Однако, несмотря на высокую перспективность, технология не получила промышленного развития, в частности из-за отсутствия необходимых объемов диоксида углерода.

Техногенные источники СО2

Существующие в России мощности по производству диоксида углерода (как целевого продукта) не способны глобально покрыть потребности нефтяной промышленности в СО2 как агента для третичных методов повышения нефтеотдачи. Как правило, производство СО2 в соответствии с потребностями рынка ведется на установках небольшой производительности – до 1000 м3/ч, а территориальная рассредоточенность действующих производителей не позволяет рассматривать их в качестве надежных поставщиков данного ресурса.

В то же время по данным работы [19] объемы выбросов углекислого газа на территории Российской Федерации (без учета землепользования, изменения в землепользовании и лесного хозяйства) варьируются на уровне 800 млрд м3/год (рис. 2), при этом основной объем выбросов СО2 связан с энергетическим сектором промышленности (рис. 3).


Рис. 2. Динамика выбросов CO2 на территории Российской Федерации

Среди перспективных источников СО2 выделены различные промышленные процессы, газообразные отходы которых содержат углекислый газ (синтез аммиака, производство этанола методом спиртового брожения, обжиг известняка (получение негашеной извести), производство тепла и электроэнергии и др.). На основе данных о проектных мощностях и применяемых технологиях вычислены ориентировочные объемы максимальных выбросов диоксида углерода действующих промышленных предприятий России.


Рис. 3. Распределение объемов эмиссии CO2 по секторам промышленности за 2012 г. (млрд м3)

Для повышения экономической привлекательности проектов воздействия на пласт с использованием СО2 для техногенных источников углекислого газа необходимо соблюдение следующих условий.

1. Высокая начальная концентрация углекислого газа. Содержание СО2 в сбрасываемых газах и побочных продуктах, образующихся в результате химических реакций в промышленных процессах, изменяется от нескольких единиц до 98-99 %. Более высокие концентрации обеспечивают снижение затрат на выделение чистого СО2.

2. Отсутствие агрессивных примесей, способных вызвать осложнения при дальнейшем выделении диоксида углерода из исходного потока. Наличие нежелательных примесей может привести к появлению в технологической схеме дополнительных стадий очистки, негативно влияющих на экономику проекта.

3. Повышенное начальное избыточное давление, которое ведет к уменьшению габаритов применяемой аппаратуры.

4. Достаточные потенциальные объемы производства СО2, позволяющие улучшить эффективность проекта за счет эффекта масштаба и локализации производства.

5. Относительно небольшая удаленность от традиционных и перспективных регионов нефтедобычи. Удаленность напрямую влияет на капитальные вложения и эксплуатационные затраты на транспорт СО2.

Ни один из рассмотренных источников СО2 не удовлетворяет всем изложенным выше условиям одновременно. Так, в рассмотренных авторами процессах наиболее высокая концентрация СО2 наблюдается в газах брожения (до 98 %), выделяющихся как побочный продукт при производстве этилового спирта, а максимальные объемы – при выработке тепловой и электрической энергии (при концентрации СО2 менее 20 %). Объемы образующегося диоксида углерода на крупнейших объектах энергетики могут достигать десятков миллиардов кубических метров в год, что соизмеримо с уровнем добычи чистого СО2 в США.

Тем не менее в соответствии с проведенными исследованиями наиболее перспективным источником углекислого газа с точки зрения объемов, доступности и распространенности является дымовой газ, образующийся в результате сгорания органического топлива и продуктов его переработки. Содержание СО2 в продуктах сгорания составляет приблизительно 9–16 % в зависимости от используемого топлива. Остальной объем в смеси занимает преимущественно азот. Более высокие концентрации СО2 наблюдаются при сжигании твердых горючих ископаемых, однако при этом в продуктах горения, как правило, содержится большое количество нежелательных примесей (сернистый ангидрид и др.). Невысокая концентрация диоксида углерода и низкое давление дымовых газов делают стадию выделения СО2 из смеси газов наиболее затратной составляющей производства.

Наряду с дымовыми газами тепловых и электрических станций в качестве источника СО2 для повышения нефтеотдачи могут рассматриваться дымовые газы, образующиеся при сжигании нефтяного газа в случае, когда другие способы его рационального использования нерентабельны.

Еще одним направлением, способствующим повышению экономической эффективности производства СО2 в промышленных масштабах, является исследование в области получения чистого дешевого кислорода в больших объемах для дальнейшего его использования при сжигании топлива, что позволит полностью отказаться от выделения углекислого газа из смеси дымовых газов.

Заключение

В условиях постоянного увеличения трудноизвлекаемых запасов, которые иногда превышают половину суммарных запасов в России, актуальными становятся методы, позволяющие повысить КИН после применения заводнения. Одним из таких методов является закачка углекислого газа в пласт в смешивающемся режиме. Потенциально извлекаемые запасы с применением данной технологии только на активах ПАО «Газпром нефть», по предварительной оценке, превышают 500 млн т, для их извлечения требуется 500 млрд м3 чистого СО2. Известные на текущий момент объемы запасов природного СО2 не удовлетворяют потребности нефтяной промышленности. С учетом требований к техногенным источникам СО2 перспектива реализации технологии закачки углекислого газа связана с использованием дымового газа при непрерывном совершенствовании процессов и технологий выделения СО2 из смеси газов, что также может существенно сократить его выбросы в атмосферу.

Список литературы

1. http://www.scrf.gov.ru/security/economic/document122/

2. Leena Koottungal. 2014 worldwide EOR survey // Oil&Gas Journal. – 2014. – April 7. – P. 79-91.

3. Natural CO2 Reservoirs on the Colorado Plateau and Southern Rocky Mountains: Candidates for CO2 Sequestration/ R. Allis, T. Chidsey, W. Gwynn, C. Morgan//Proceeding of the First National Conference on Carbon Sequestration, 14-17 May 2001, DOE NETL, Washington, DC.

4. Campbell J.A. Carbon dioxide resources of Utah: Utah Geological and Mineral Survey Report of Investigation. – 1978. – 36 p.

5. De Bruin R.H. Wyoming’s carbon dioxide resources. Open File Report 91-6, Geological Survey of Wyoming. – 1991. – 20 p.

6. DiPietro P., Balash P.,Wallance M. A note on Sources of CO2 Supply for EOR operations, SPE Economics&Management. – 04/2012.

7. Государственный баланс запасов полезных ископаемых Российской федерации. Азот, Углекислый газ. – М. – 2015. – Вып. 88. – 77 c.

8. Зорькин Л.М. Генезис газов подземной гидросферы (в связи с разработкой методов поиска залежей углеводородов) http://www.geosys.ru/images/articles/Zorkin_1_2008.pdf.

9. Панкина Р.Г., Мехтиева В.Л. Происхождение кислых газов (Н2S и CO2) и прогнозирование их содержания в углеводородных скоплениях//Обзор МИНГео СССР, ВНИИГНИ, ВНЭМС. Геология, методы поисков и разведки месторождений нефти и газа, 1983. – 54 с.

10. Яшенкова Л.К. Характеристика распространения и критерии прогноза природных запасов СО2 в нефтегазоносных провинциях России и за рубежом. – СПб.: ВНИГРИ, 2016. – 30 с.

11. Галимов Э.М. Проблемы геохимии углерода // Геохимия. – 1988. – № 2. – C. 258-279.

12. Генезис СО2 и прогноз его содержания в газах юга Западной Сибири (по изотопным данным)/ С.М. Гуриева, С.П. Максимов, Р.Г. Панкина [и др.]//Геология нефти и газа. – 1982. – № 11. – C. 22-27.

13. Геологические условия нефтегазоносности верхней части палеозойского разреза Западной Сибири/ А.Э. Конторович, И.А. Иванов, А.Е. Свешников [и др.]// В сб. научных трудов. Теоретические и региональные проблемы геологии нефти и газа. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1991. – С. 152-171.

14. Абросимова О.О., Губа А.В. Сейсмогеологические критерии нефтегазоносности зоны контакта палеозойских и мезозойских отложений Межовского свода (Новосибирская область) // Известия ТПУ. – 2013. – № 1. Т. 322. – С. 40-45.

15. Абросимова О.О., Белова Е.В. Резервуары углеводородов в эрозионно-тектонических выступах доюрских пород юго-восточной части Западно-Сибирской плиты// Геология нефти и газа. – 2000. – № 3. – С. 17-21.

16. Малышев А.И. Газовый фактор в эндогенных процессах: Автореф. на соиск. уч. степ. докт. геол.-мин. наук. – Екатеринбург, 2011. – 20 с.

17. Ненартович Т.Л. Фазовые равновесия двуокиси углерода с углеводородами и из влияние на вытеснение нефти: Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. – М., 1991. – 27 с.

18. Вытеснение из пористой среды рассеянного углеводородного конденсата газообразным диоксидом углерода/А.Ю. Намиот, Т.Л. Ненартович, М.А. Пешкин, Р.М. ТерСаркисов// Тр. ин-та/ВНИИнефть. – 1986. – Вып. 97. – С. 33-37.

19. http://unfccc.int/files/national_reports/annex_i_ghg_inventories/inventory_review_reports/applicatio...


Авторы статьи:  Н.Г. Главнов, М.Г. Дымочкина, к.т.н., Е.И. Литвак, М.В. Вершинина Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)
Источник:  Журнал «PROнефть»

Возврат к списку