Углекислый газ способ выделения

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

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2017 — № 2(4). – С. 47-52

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

Ключевые слова: диоксид углерода, запасы газа, генезис, выбросы углекислого газа

Представлена информация о видах ресурсов углекислого газа, доступных для использования в проектах, направленных на повышение нефтеотдачи. Подробно описаны характеристики, свойства и ограничения каждого вида, а также дана оценка потенциальных объемов их применения на месторождениях РФ.

Sources of carbon dioxide supply for EOR operations in Russia

PRONEFT». Professional’no o nefti, 2017, no. 2(4), pp. 47-52

N.G. Glavnov, M.G. Dymochkina, E.I. Litvak, M.V. Vershinina
Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg

Keywords: carbon dioxide, gas reserves, genesis, gaseous emissions

This paper presents complied information on sources of carbon dioxide for enhanced oil recovery projects. Specific properties and limitation of source influence on the efficiency of carbon dioxide capture or production. Natural sources in Russia are insufficient for realization of EOR project, but there are huge volumes of gaseous emissions from different industrial plant.

введение

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 м 3 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 м 3 (рис. 1) 4, 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 СО₂ (С₁+С2 ), равными 601,6 млрд м 3 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 13 С, 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 м 3 /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 м 3 /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 м 3 )

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 м 3 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.

Reference

1. Energy strategy of Russia for the period up to 2030, URL: http://www.energystrategy.ru/projects/docs/%28Eng%29.pdf.
2. Leena Koottungal, 2014 worldwide EOR survey, Oil&Gas Journal, 2014, April 7, pp. 79–91.
3. Allis R., Chidsey T., Gwynn W., Morgan C., Natural CO2 reservoirs on the Colorado Plateau and Southern Rocky Mountains: Candidates for CO2 sequestration, 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 Supplyfor Operations, SPE Economics and Management, April 2012, pp. 69–74.
7. Gosudarstvennyy balans zapasov poleznykh iskopaemykh Rossiyskoy federatsii. Azot, Uglekislyy gaz (The state balance of mineral resources of the Russian Federation. Nitrogen, Carbon dioxide), Moscow, 2015, 77 p.
8. Zor’kin L.M., Genezis gazov podzemnoy gidrosfery (v svyazi s razrabotkoy metodov poiska zalezhey uglevodorodov) (The underground hydrosphere gases genesis (in connection with the development of methods for the search for hydrocarbon deposits)), URL: http://www.geosys.ru/images/articles/Zorkin_1_2008.pdf.
9. Pankina R.G., Mekhtieva Proiskhozhdenie kislykh gazov (H2SiCO2) i prognozirovanie ikh soderzhaniya v uglevodorodnykh skopleniyakh (The origin of acid gases (H2S and CO2) and the prediction of their content in hydrocarbon clusters), Moscow: Publ. of VIEMS, 1983, 54 p.
10. Yashenkova L.K., Kharakteristika rasprostraneniya i kriterii prognoza prirodnykh zapasov SO2 v neftegazonosnykh provintsiyakh Rossii i za rubezhom (Characteristics of the distribution and the criteria for forecasting natural CO2 reserves in the oil and gas provinces of Russia and abroad), Leningrad: Publ. of VNIGRI.
11. Galimov E.M., Problems of carbon geochemistry (In Russ.), Geokhimiya, 1988, no. 2, pp. 258–279.
12. Gurieva S.M., Maksimov S.P., Pankina R.G. et al., Genezis CO2 i prognoz ego soderzhaniya v gazakh yuga Zapadnoy Sibiri (po izotopnym dannym) (The genesis of SO2 and the forecast of its content in the gases of the south of Western Siberia (based on isotope data)), Moscow: Publ. of VNIGNI.
13. Kontorovich A.E., Ivanov I.A., Sveshnikov A.E. et al., Geologicheskie usloviya neftegazonosnosti verkhney chasti paleozoyskogo razreza Zapadnoy Sibiri (Geological conditions of oil and gas potential of the upper Paleozoic section of Western Siberia), Collected papers Teoreticheskie i regional’nye problemy geologii nefti i gaza» (Theoretical and regional problems of oil and gas geology), Novosibirsk,1991, pp. 152–171.
14. Abrosimova O.O., Guba A. Seismogeological criteria of oil and gas potential of the zone of contact between the Paleozoic and Mesozoic deposits of the Mezhevskiy arch (Novosibirsk region) (In Russ.), Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2013, no. 1, pp. 40–45.
15. Abrosimova O.O., Belova E. Reservoirs of hydrocarbons in the protrusions of rocks in the southeastern part of the West Siberian Plate (In Russ.), Geologiya nefti i gaza = The journal Oil and Gas Geology, 2000, no. 3, pp. 17–21.
16. Malyshev A.I., Gazovyy faktor v endogennykh protsessakh (Gas/oil ratio in endogenous processes): thesis of doctor of geological and mineralogical sciences, Ekaterinburg, 2011.
17. Nenartovich T.L., Fazovye ravnovesiya dvuokisi ugleroda s uglevodorodami i ikh vliyanie na protsess vytesneniya nefti (Phase equilibria of carbon dioxide with hydrocarbons and their influence on the process of oil displacement): thesis of candidate of technical science, Moscow, 1991.
18. Namiot A.Yu., Nenartovich T.L., Peshkin M.A., R.M., Vytesnenie iz poristoy sredy rasseyannogo uglevodorodnogo kondensata gazoobraznym dioksidom ugleroda (The displacement of the diffuse hydrocarbon condensate from the porous medium by gaseous carbon dioxide), Proceedings of VNIIneft, 1986, pp. 33–37.
19. The National Report of the Russian Federation on the Inventory of the Anthropogenic Emissions and Sinks of Greenhouse Gases Not Controlled by the Montreal Protocol for the years 1990–2010, URL: http://.ru/index.php /en/officialdocuments/nationainventoryreport/

Ссылка на статью в русскоязычных источниках:

The reference to this article in English is:

Источник