Технология CCS от теории к практике
    Архипов В.Н., Ященко С.А., Анкудинов А.А., Мочалова А.А., Смирнова Е.В.


    Тюменский нефтяной

    научный центр

    В 2015 году в Париже подписано соглашение по климату, одной из основных целей которого является «обеспечение здорового образа жизни и содействие благополучию для всех в любом возрасте», достижение которой планируется за счет снижения выбросов парниковых газов до 70 % от уровня 1990 года. Данное соглашение также было подписано Российской Федерацией, которая занимает третью строчку по объемам выбросов из 192 участников соглашения.
    С учетом мировых тенденций и долгосрочных планов Российской Федерации ПАО «НК «Роснефть» ставит перед собой цель по достижению чистой углеродной нейтральности к 2050 году. Это планируется обеспечить за счет мероприятий по сокращению выбросов, использованию низкоуглеродной генерации, развитию энергосберегающих технологий, технологий по улавливанию и хранению углерода, а также ряда других мероприятий.
    Перспективным направлением обращения с выбросами СО2 нефтяные компании выделяют технологию Carbon Capture and Storage (CCS) — отделение диоксида углерода от других газов в промышленных выбросах (как правило, на газотурбинных электростанциях или факелах по сжиганию попутного нефтяного газа), а затем сжатие и транспортировка в изолированное место для длительного хранения.
    На пилотных участках недр компании ПАО «НК «Роснефть» запущен процесс технологической оценки возможности применения CCS. На сегодняшний день сформированы критерии, позволяющие организовать хранение СО2 в природных резервуарах, осуществить поиск и ранжирование геологических объектов, перспективных для долгосрочного хранения. В качестве основных локаций проанализированы пористые водоносные горизонты, пригодные для длительного хранения диоксида углерода, требующие только строительства скважин и технологической организации закачки.
    В процессе анализа геологических данных сформированы основные принципы выбора объекта: наличие ловушки, глинистой покрышки, достаточный объем пор и величина проницаемости, позволяющая вести закачку. Для анализа привлекались инструменты, аналогичные для поиска нефтяных ловушек: сейсмические исследования, петрофизические, гидрогеологические и геомеханические данные. Подтверждение возможности хранения выполняется с применением геологического и гидродинамического моделирования, что позволяет с высокой точностью определить возможность хранения диоксида углерода в пористых водоносных пластах, а также оценить возможность миграции газа в долгосрочной перспективе.
    Технология CCS
    Районы с активной добычей нефти, как правило, характеризуются значительными выбросами углекислого газа, образующегося в процессе сжигания попутного нефтяного газа (на газотурбинных станциях или факелах), а с геологической точки зрения районы характеризуются наличием пористых водоносных пластов, что делает их перспективными для хранения СО2.
    В процессе поиска и разведки месторождений нефти накапливается значительный объем геолого-промысловой информации, с привлечением которой возможно осуществить оценку и выбор участков, потенциально пригодных для размещения диоксида углерода. Сформированный подход условно разделен на две стадии.
    Выбор объектов хранения СО2
    Для геологических объектов общепринятыми являются следующие критерии выбора [1]:
    • удерживающая способность объекта — отсутствие возможности утечки через ненадежные покрышки, разломы и трещины, герметичность существующих и проектных скважин;
    • вместимость — возможность размещения требуемого объема выбросов;
    • приемистость — влияние на количество и конструкцию нагнетательных скважин и давление нагнетания;
    • близость к объектам эмиссии — снижение затрат на логистику.
    Удерживающая способность объекта
    Существует два основных типа водоносных объектов, используемых для размещения СО2 — открытые и закрытые. Закрытые глубинные водоносные горизонты имеют естественные границы, сформированные геологическими ловушками или непроницаемыми разломами, наличие которых значительно снижает вероятность бокового оттока и просачивания CO2 в смежные горизонты. Это делает такие объекты более благоприятными для выбора, но их объем меньше, чем у горизонтов открытого типа.
    Водоносные горизонты открытого типа представляют собой протяженные горизонтальные или пологопадающие формации водоносных пород. Ввиду их открытости CO2 может перемещаться в латеральном направлении, но низкая скорость перемещения и большая протяженность горизонтов дают основание считать, что ареал распространения СО2 будет ограничен в пространстве на существенный срок.
    Как в случае структурных объектов, так и для объектов открытого типа, важно наличие надежного флюидоупора, препятствующего вертикальной миграции углекислого газа. Герметизирующая способность покрышек оценивалась с привлечением данных по стратиграфии, литологии, мощности и латеральной непрерывности первичной покрышки на основе имеющихся скважинных, керновых и сейсмических исследований.
    Покрышками для выбранных объектов являются выдержанные по простиранию региональные флюидоупоры. По данным керна, породы-покрышки представлены мелкозернистыми, глинистыми аргиллитами и алевролитами с толщиной от 8 до 30 м (рис. 1).
    Рис. 1. Фото керна, отобранного из коллектора и флюидоупора

    На основании сейсмических исследований проанализированы присутствующие в районе работ системы разломов, определено, что ни одна из систем не затрагивает рассматриваемые объекты.
    Закачка СО2 в районы размещения существующих или проектных скважин требует дополнительных мероприятий по обеспечению и контролю за их герметичностью. При этом объекты закрытого типа, как правило, находятся ближе к объектам эмиссии СО2, но совпадают в плане с залежами углеводородов.
    В случае объектов открытого типа возможен выбор участка, не совпадающего с зоной размещения добывающих скважин, но для транспорта СО2 к нагнетательным скважинам требуется дополнительная инфраструктура. Выбор оптимального объекта должен быть определен экономическими расчетами.
    Уменьшению подвижности CO2 в обоих случаях может способствовать растворение углекислого газа в остаточной воде, оставшейся в водоносном горизонте, что снижает эффект плавучести, а также реакции CO2 с минералами и образование твердых соединений [2].
    Оценка вместимости объектов
    Для оценки порового объема, изменения параметров пласта по площади и разрезу, определения наиболее перспективных участков построена трехмерная геологическая модель, позволяющая в пространстве оценить изменение параметров пласта по площади и разрезу, поровый объем, определить наиболее перспективные участки для хранения.
    Важным параметром для определения полезного объема хранилища, является эффективный объем хранения, который определяется формулой (1):
    где Vэфф — эффективный объем хранения; V — поровый объем; Кэфф — коэффициент эффективности хранения.
    Коэффициент эффективности хранения характеризует долю объема пор, позволяющего надежно удерживать закачанный СО2.
    В случае объектов закрытого типа, где проявляется эффект структурного удерживания, коэффициент эффективности хранения определяется остаточной водонасыщенностью и коэффициентом вытеснения воды диоксидом углерода. На основе керновых данных величина Кэфф для таких объектов составила 0,31 д. ед.
    По объектам открытого типа Кэфф определяется величиной остаточной насыщенности диоксидом углерода. Ввиду отсутствия прямых лабораторных исследований оценка выполнена по эмпирическим методикам: в зависимости от пористости [3] и в зависимости от глубины и минерализации пластовой воды [4] (рис. 2).
    Рис. 2. Зависимость коэффициента эффективности хранения от пористости и минерализации

    Обе методики показали близкий результат — величина коэффициента эффективности остаточного хранения принята равной 0,041.
    С учетом описанных критериев выделены потенциально пригодные объекты хранения, оценен их объем (рис. 3).
    Рис. 3. Матрица ранжирования потенциальных объектов

    Моделирование закачки СО2 в хранилище
    Оценка протекающих в пласте процессов при эксплуатации хранилища выполнялась с использованием гидродинамических моделей. Были проанализированы следующие показатели:
    • потенциальный рабочий объем хранилища, доступный для размещения СО2 при реализации планируемых сценариев закачки;
    • необходимое количество и места размещения нагнетательных скважин, а также требуемое устьевое давление для достижения необходимой скорости закачки;
    • пространственное распределение и механизмы удерживания СО2 в объекте хранения;
    • динамика пластового давления;
    • потенциальные сценарии миграции.
    Предпосылки проведения расчетов:
    • тип заканчивания скважин — горизонтальный, для обеспечения максимальной приемистости;
    • размещение скважин в купольной части закрытых объектов и в центральной части открытых – для минимизации рисков миграции газа;
    • непревышение забойного давления выше 90 % давления автоГРП покрышки — для предотвращения нарушения целостности покрышки;
    • ограничение суммарного объема закачки по скважинам в соответствии с объемами выбросов СО2.
    Для выбора возможных соотношений устьевого давления и необходимого количества нагнетательных скважин для закачки требуемого объема выполнены расчеты серии вариантов с разным количеством скважин при разных значениях устьевого давления.
    В качестве примера (рис. 4) приведены результаты для одного из участков. По результатам расчетов отмечается возможность закачки необходимого объема СО2 при различных сценариях: либо за счет большего количества скважин 7–10, либо за счет увеличения устьевого
    давления 10–13 МПа.
    Рис. 4. Результаты гидродинамических расчетов для одного из участков

    Оптимальный вариант должен быть определен на последующем этапе работ по результатам экономических расчетов соотношения стоимости наземной и подземной инфраструктуры и операционных расходов на закачку.
    При неструктурном хранении возможна гравитационная миграция СО2 вдоль падения пласта. Рассматриваемые неструктурные объекты характеризуются невысокими углами падения: 0,45–0,58о, результаты моделирования хранения в течение длительного срока (2 100 лет) показывают, что гравитационная миграция СО2 в таких условиях несущественна (рис. 5).
    Рис. 5. Результаты гидродинамических расчетов миграции СО2 на длительный срок

    Архипов В.Н., Ященко С.А., Анкудинов А.А., Мочалова А.А., Смирнова Е.В.

    ООО «Тюменский нефтяной научный центр», Тюмень, Россия

    avstrekalov@tnnc.rosneft.ru
    Сформированы требования для выбора, обоснования и оценки объектов геологического хранения СО2.
    геологическое хранение CO2, Carbon Capture and Storage (CCS), углеродная нейтральность, моделирование геологического хранения CO2
    Архипов В.Н., Ященко С.А., Анкудинов А.А., Мочалова А.А., Смирнова Е.В. Технология CCS: от теории к практике // Экспозиция Нефть Газ. 2023. № 8. С. 107–110. DOI: 10.24412/2076-6785-2023-8-107-110
    17.11.2023
    УДК 620.9
    DOI: 10.24412/2076-6785-2023-8-107-110
    Рекомендуемые статьи
    Автоматизация
    Адаптация моделей газовых сетей для интеллектуального управления
    Разработка алгоритмов, позволяющих полностью автоматически адаптировать модели скважин, трубопроводной арматуры и трубопроводной сети с высокой точностью
    Переработка
    Динамическое моделирование процесса низкотемпературной сепарации
    Динамическое моделирование блока низкотемпературной сепарации установки комплексной подготовки газа и конденсата
    © Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
    +7 (495) 414-34-88
    office@runeft.ru