Пермские исследователи выяснили, как уменьшить парниковый эффект, закачивая углекислый газ в нефтяные резервуары.
Статья опубликована в Chemical Engineering Journal. Исследование проводилось в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Парниковый эффект способствует повышению температуры на Земле, удерживая солнечное тепло. Это естественный процесс, однако на него значительно влияет человеческая деятельность. Ископаемые виды топлива, такие как нефть, продолжают оставаться основными источниками энергии, но их сжигание приводит к выбросам парниковых газов в атмосферу. Среди них находится углекислый газ, который усугубляет глобальное потепление, поэтому его следует утилизировать.
Эффективным способом решения проблемы считается улавливание, использование и хранение углекислого газа в нефтяных пластах. Газ очищается от примесей, сжимается и под высоким давлением закачивается в пласт, где он смешивается с жидкостью. Это также повышает текучесть нефти, что способствует увеличению её добычи. Хотя технология широко применяется, микроскопические процессы и влияние растворения газа на свойства породы всё ещё недостаточно изучены. Сложные физико-химические реакции между углекислым газом, растворённым в воде, и породой могут влиять на её физические характеристики: пористость, проницаемость, смачиваемость и так далее. Эти параметры определяют, сколько нефти можно извлечь из пласта.
Ученые Пермского Политеха исследовали, что происходит, когда углекислый газ закачивается в горные породы для безопасного хранения. Они провели эксперимент на керне – образце длиной 20 миллиметров и диаметром 10 миллиметров, вырезанном из горной породы. Его высушили, проверили на герметичность и просканировали с помощью томографа, что позволило получить 3D-изображения и изучить поры. Затем керн заполнили дистиллированной водой, насыщенной углекислым газом, и провели повторное сканирование, чтобы увидеть и сравнить изменения в структуре. В ходе эксперимента измеряли количество жидкости, выходящей из керна, а также изучали образовавшиеся жидкость и осадок в результате реакции.
Выяснилось, что закачка углекислого газа влияет на проницаемость пласта, что является крайне важным показателем для нефтедобычи.
«Эксперимент показал, что углекислый газ вызывает неоднозначные изменения в структуре пор. Растворяясь в пластовой воде, он вступает в химическую реакцию с горной породой, что запускает два противоположных процесса. Сначала газ разрушает тонкие стенки между порами, увеличивая их размер (за счёт увеличения пустот, через которые течёт жидкость, увеличивается и проницаемость): после 35 часов реакции пористость возросла почти на два процента (с 14 до 16 процентов). Однако позднее в результате этой реакции образуется осадок карбоната калия в виде кристаллов, которые могут блокировать поры, что мешает нефтедобыче. Это приводит к резкому снижению проницаемости», – комментирует Дмитрий Мартюшев, профессор кафедры нефтегазовых технологий ПНИПУ, доктор технических наук.
При дальнейшей закачке углекислоты начинает образовываться карбонат магния. Сначала он выглядит как пушистый осадок с рыхлой структурой и крупными порами – такая структура временно улучшает проницаемость породы. Однако затем он начинает формировать чешуйчатые кристаллы, из-за чего ток жидкости снова усложняется, и поры продолжают блокироваться. В результате проницаемость породы снижается на 60-70 процентов по сравнению с исходным значением.
Исследование ученых Пермского Политеха поможет лучше понять, как безопасно закачивать углекислый газ в пласты, чтобы хранить его и одновременно увеличивать добычу нефти. Этот процесс оказался более сложным, поэтому перед использованием газа для повышения нефтеотдачи или утилизации в пластах, политехники рекомендуют проводить лабораторные исследования его взаимодействия с водой и горной породой, чтобы избежать негативных последствий, которые могут привести к снижению добычи. В будущем ученые планируют провести дополнительные эксперименты с различной скоростью потока и давлением, чтобы изучить, как эти факторы влияют на закупорку пор.