CC BY
32
УДК 621.039.534.34: 66.076
DOI: 10.24412/1728-323X-2022-6-109-112
ОБЗОР ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАХОРОНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
В. П. Петрищев, д. г. н., ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, wadpetr@mail.ru, г. Оренбург, Россия,
Т. В. Леонтьева, к. г.-м. н, ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, tvleon@mail.ru, г. Оренбург, Россия,
Н. П. Галянина, старший преподаватель, Оренбургский государственный университет, galyanina@list.ru, г. Оренбург, Россия,
Н. В. Петрищева, к. г. н., ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, knv0405@mail.ru, г. Оренбург, Россия,
В. А. Носырев, ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, vlad14562001@gmail.com, г. Оренбург, Россия
Аннотация. В статье приводится обзор современных исследований, связанных с геологическими аспектами утилизации углекислого газа. Приводятся ключевые параметры, влияющие на транспортировку и захоронение углекислого газа, приводятся конкретные примеры структур, которые в настоящее время представляют собой резервуары-хранилища CO2. Основное внимание обращается на возможности использования в качестве резервуаров отработанных газовых месторождений, значения гидратов углекислого газа и влияние горизонтов высокоминерализованных подземных вод. В геологическом строении структур-хранилищ CO2 уделяется непроницаемости верхней толщи пород, среди которых наиболее перспективными признаются галогенно-сульфатные породы (эвапориты), а для вмещающих CO2 пород выделяются коллекторские свойства — соотношение вертикальной и горизонтальной проницаемости, эффективная пористость. Наиболее перспективными для захоронения CO2 признаются песчаники и известняки. Кроме того, наиболее перспективным с точки зрения снижения рисков утечки CO2 признается сценарий с низкой скоростью закачки, позволяющий отслеживать давление в пластах.
Abstract. The article provides an overview of modern research related to the geological aspects of carbon dioxide utilization. The key parameters affecting the transportation and disposal of carbon dioxide are given, specific examples of the structures that currently represent CO2 storage tanks are provided. The main attention is paid to the possibility of using spent gas fields as reservoirs, the value of carbon dioxide hydrates and the influence of highly mineralized groundwater horizons. In the geological structure of CO2 storage structures, the attention is given to the impermeability of the upper strata of rocks, among which halogen-sulfate rocks (evaporites) are recognized as the most promising, and reservoir properties are distinguished for CO2-containing rocks, i.e., the ratio of vertical and horizontal permeability, effective porosity. Sandstones and limestones are recognized as the most promising for CO2 disposal. In addition, the scenario with a low injection rate, which allows monitoring reservoir pressure, is considered the most promising in terms of reducing the risks of CO2 leakage.
Ключевые слова: захоронение углекислого газа, газогидраты, газовые месторождения, горизонты засоленных подземных вод, остаточный газ.
Keywords: carbon dioxide burial, gas hydrates, gas deposits, horizons of saline groundwater, residual gas.
В 2020 году в мире действовало 19 крупных проектов по улавливанию и хранению углекислого газа (CO2). Однако для достижения нулевого уровня выбросов по программе Международного энергетического агентства (IEA) к 2040 году количество объектов с промышленными масштабами захоронения необходимо увеличить не менее чем до 2000. Каждый из таких проектов включает транспортную инфраструктуру от места улавливания CO2 к м есту захоронения. По оценкам IEA, суммарная длина трубопроводов CO2 составит не менее 200 00 км.
Источники CO2
Одним из основных источников CO2 в мировой экономике является цементная промышленность. Выбросы CO2 достигли пика в цементной промышленности Китая в 2014 году, а теперь неуклонно снижаются. В 2020 году выбросы CO2 цементной промышленностью Китая составили
более 1 млрд т, при пиковом производстве цемента в 2,5 млрд т. Общие тенденции по выбросам СО2 в Китае следующие: к 2100 году предполагается сокращение выбросов по цементной промышленности на 85,9 % и сокращении общей доли до 2,6 %, рост выбросов, связанных с промышленностью, до 88,7 % к 2100 году от общего объема, снижение доли выбросов, связанных с электроэнергетикой до 8,7 %. Китай для решения таких задач предполагает сокращение потребления таких источников энергии, как уголь и нефть, и, самое важное, расширение интеллектуальных и экологически чистых производств. Экономика Китая предполагает движение в соответствии с концепцией «зеленого» и низкоуглеродного развития при отрицательном темпе роста. При снижении производства цемента для внутреннего рынка Китая планируется увеличение поставок на экспорт. При этом ускоряются исследования в области технологий «сухого» цемента второго по-
коления и альтернативного топлива из биомассы и горючих отходов.
Транспортировка СО2
При транспортировке СО2 важное значение имеет состав транспортируемой смеси. В основном такие смеси разделяют на три вида.
При транспортировке важно добиться, чтобы смесь трубопровода, работающего в сверхкритической области (выше 31 °С и 73,8 бар), не охлаждалась, как и смесь трубопровода транспортировки СО2 в жидкой фазе что может привести к конденсации. При этом наименьший размер трубопровода для обеспечения условий эксплуатации при давлении ниже 200 бар во всех рабочих случаях составляет 20,3 см.
Геологическое захоронение СО2
Один из примеров удачного захоронения СО2 проведен в Великобритании в 2012 году. Согласно Европейской энергетической программе Европейского союза была выбрана антиклинальная структура длиной около 25 км и шириной 8 км с формацией бантерского песчаника триаса толщиной 275 м (солевой водоносный горизонт). Кепрок антиклинали состоит по мощности из 10—12 м сланца, перекрытого примерно 80 м га-лита и аргиллитов.
Проект предусматривал бурение трех наклонных скважин, что позволит закачивать 2,65 млн т СО2 в год. Из разницы в плотности между природным рассолом в 1200 кг/м3 и плотностью СО2, которая варьирует в пределах 600—800 кг/м3, после перфорации скважины и прохождения субгоризонтально СО2 мигрирует вверх. Таким образом, СО2 достигает верхнего пласта породы над перфорациями через 5 лет, а гребня структуры через 11 лет. В таком сценарии закачка первой фазы запланирована на 20 лет. Были выбраны три скорости закачки: 795, 1590 и 2385 м3/сут., каждая продолжительностью три часа с 12-часовым перерывом.
Испытание на миниразрыв в глине ретского яруса верхнего триаса и в нижнем Бантере ниж-
него триаса показало, что оба пласта чрезвычайно прочны. Давление закрытия трещины в глине и песчанике было измерено и составило 264 и 262 бар соответственно.
Были собраны ценные данные, которые помогли определить соотношение вертикальной и горизонтальной проницаемости пластов, которое, по оценкам, находится в диапазоне соответственно 0,08 и 0,15. Таким образом, горизонтальная проницаемость оказалась гораздо выше вертикальной в соотношении 15:100 и 8:100.
Другим примером выбора геологических структур, подходящих для захоронения СО2, являются истощенные газовые резервуары в Малайзии.
Результаты моделирования показали, что производительность хранилища пропорционально связана с количеством остаточного газа в среде, и резервуары с низким содержанием остаточного газа являются лучшим выбором для хранения.
Оценка влияния остаточного газа на ключе -вые аспекты хранения СО2 в резервуарах показала, что существует прямая зависимость между остаточным газом и капиллярным улавливанием СО2. Резервуар с большим количеством остаточного газа может создавать высокое давление и повышать риск безопасности. При этом рекомендуется выбирать низкие скорости закачки СО2 в пласт для благоприятной приемистости пласта, когда уровень остаточного газа в пласте значителен. В то же время существует обратная связь между устойчивостью скорости закачки, структур -ным захоронением СО2 и емкостью хранения.
Интересные данные получены при анализе результатов хранения СО2 в истощенном газовом бассейне в районе Форт-Мак-Мюррей в Канаде. Предполагается, что хранение СО2 во множестве небольших газовых залежей, широко разбросанных по территории, предоставит большие возможности для хранения СО2. Образование гидратов СО2 происходит со скоростью, контролируемой теплообменом между нагретым из-за образования гидратов коллектором и холодными вмещающими породами. Больше гидратов СО2 образуется у основания и в верхних пласта залежи, где тепло от образования гидратов быстрее рассеивается в породах. По мере того, как СО2 закачивается в хранилище с остаточным метановым газом, появляется зона, в которой смешиваются СО2 и СН4, образуются смешанные гидраты СО2—СН4, влияющие на емкость хранилища. Нагрев пласта за счет образования гидратов СО2 составляет 2 °С при росте давления на 4 МПа. Большая часть СО2 превратится в гидрат, а снижение среднего пластового давления в итоге приводит к повышению безопасности резервуара. В итоге в истощенные
Таблица 1
Состав смесей при транспортировке СО2 до места захоронения
Газ «Нормаль- «Метано- «Кислород-
ная» вая» ная»
СО2 моль % 99,99 99,50 96,16
N2 моль % 0,01 — 2,5
СН4 моль % — 0,50 —
Аг моль % — — 1,0
О2 моль % — — 0,5
газовые месторождения в бассейне Форт-Мак-Мюррей с 1986 года было закачано 3,8 млн т СО2, из которых 1,85 млн т трансформировалось в газогидрат. На основе моделирования получены данные, показывающие, что в хранилище за счет трансформации в газогидрат может храниться в 5,8 раза больше СО2, в отличие от захоронения в полностью газовой фазе.
Изучение стратегий захоронения СО2 показывает, что более низкие скорости закачки при соответственно более длительном времени снижают вероятность создания чрезмерного избыточного давления флюида в нагнетаемом водоносном горизонте. Таким образом, закачка СО2 с низкими скоростями и более длительного периода времени представляется наиболее удобной политикой для обеспечения безопасности системы.
Соленые водоносные горизонты представляют собой подходящие резервуары для захоронения СО2, потому рассолы не пригодны в качестве источника питьевых вод и миграция подземных вод в засоленном водоносном горизонте очень слабая или ограничена непроницаемыми горизонтами. Горизонты рассолов часто сопровождают нефтяные и газовые месторождения. Японскими учеными было подсчитано, что энергетические затраты на захоронение СО2 в горизонтах подземных вод с высокой минерализацией составят около 73 кВт - ч/т. Исследования этой же научной группы показали, что низкотемпературные резервуары способны вмещать большее количество СО2, в отличие от водоносных горизонтов с теплой или горячей водой. Температура ниже 5 °С при давлении выше 29,1 бар достаточно для образования гидрата СО2, который практически полностью предотвращает утечку СО2. В связи с тем, что СО2 при закачке мигрирует в верхние горизонты и при взаимодействии с подземными водами на глубине 200—400 м образует кепрок из
гидрата СО2, утечка углекислого газа полностью предотвращается.
В целом геологические аспекты захоронения СО2 достаточно многочисленны. Сюда относятся различные технологии захоронения, повышающие нефтеотдачу пластов, особенно на истощенных нефтегазовых месторождениях, технологии, связанные с закачкой СО2 в пласты эвапоритов, в базальтовых и ультрамафитовых породах, в угольных пластах, в том числе в результате повышения извлечения метана из угольных пластов, а также в глубоководных районах океана.
Выводы
Очевидно, что проблемы утилизации СО2, возможно, могут быть преодолены путем разработки коммерчески жизнеспособной гибридной системы, которая включает различные способы улавливания, транспортировки и захоронения углекислого газа. При этом среди наиболее часто предлагаемых в качестве резервуаров для захоронения углекислого газа выделяются геологические структуры шельфовых морей с относительно стабильными сейсмическими характеристиками, структуры, расположенные в высоких широтах с естественными возможностями трансформации углекислого газа в газогидраты, характеристики которых позволяют как закачивать в больших объемах, так и существенно снизить вероятность утечки СО2.
Статья подготовлена в целях достижения показателей по соглашению № 075-15-2022-1051 от 01.06.2022 «О предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с пунктом 4 статьи 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации», а также реализации мероприятий, направленных на поддержку студенческих научных сообществ в образовательных организациях высшего образования.
Библиографический список
1. Jackson S. Development of a Model for the Estimation of the Energy Consumption Associated with the Transportation of CO2 in Pipelines. // Energies, Т. 13, No. 10. 2020. — P. 2427.
2. Furnival S., Wright S., Dingwall S., Bailey P., Brown F., Morrison D., De Silva R. Subsurface Characterisation of a Saline Aquifer Cited for Commercial Scale CO2 Disposal. // Energy Procedia, No. 63, 2014. — P. 4926—4936.
3. Xu G., Xu D., Rehman H. Dynamic scenario analysis of CO2 emission in China's cement industry by 2100 under the context of cutting overcapacity // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, T. 27, No. 8. — P. 53.
4. Raza A., Gholami R., Rezaee R., Han Bing C., Nagarajan R., Ali Hamid M. CO2 storage in depleted gas reservoirs: A study on the effect of residual gas saturation // Petroleum, V. 4, I. 1, March 2018. — P. 95—107.
5. Zatsepina O., Hassanzadeh H., Pooladi-Darvish M. Geological Storage of CO2 as Hydrate in a McMurray Depleted Gas Reservoir / Gas Injection for Disposal and Enhanced Recovery. Part IV: Carbon Dioxide Storage. Editor(s): Wu Y., Carroll J., Li Q., 2014. — P. 311—329.
6. Gonzalez-Nicolas1 A., Bai D., Cody B., Alzraiee A. Stochastic and Global Sensitivity Analyses of Uncertain Parameters Affecting 2 the Safety of Geological Carbon Storage in Saline Aquifers of the Michigan 3 Basin // International Journal of Greenhouse Gas Control, Volume 37, June 2015. — P. 99—114.
7. Koide H., Takahashi M., Shindo Y., Noguchi Y., Nakayama S., Iijima M., Ito K., Tazaki Y. Subterranean disposal of carbon dioxide at cool formation temperature // Conference: CLEAN AIR'94: First North American Conference & Exhibition, emerging clean air technologies and business opportunities, At: Toronto, Canada, Session 6D. — P. 63—72.
8. Hong W.-Y. A techno-economic review on carbon capture, utilisation and storage systems for achieving a net-zero CO2 emissions future // Carbon Capture Science & Technology. Volume 3, June 2022. — P. 100044.
OVERVIEW OF GEOLOGICAL TECHNOLOGIES OF CARBON DIOXIDE BURIAL AND TRANSPORTATION
V. P. Petrishchev, Ph. D. (Geography), Dr. Habil., Orenburg State University, wadpetr@mail.ru, Orenburg, Russia, T. V. Leont'eva, Ph. D. (Geology and Mineralogy), Orenburg State University, tvleon@mail.ru, Orenburg, Russia, N. P. Galyanina, Senior Lecturer, Orenburg State University, galyanina@list.ru, Orenburg, Russia, N. V. Petrishcheva, Ph. D. (Geography), Orenburg State University, knv0405@mail.ru, Orenburg, Russia, V. A. Nosyrev, Orenburg State University, vlad14562001@gmail.com, Orenburg, Russia
References
1. Jackson S. Development of a Model for the Estimation of the Energy Consumption Associated with the Transportation of CO2 in Pipelines. Energies. Vol. 13. No. 10. 2020. P. 2427.
2. Furnival S., Wright S., Dingwall S., Bailey P., Brown F., Morrison D., De Silva R. Subsurface Characterisation of a Saline Aquifer Cited for Commercial Scale CO2 Disposal. Energy Procedia. 2014. No. 63. P. 4926—4936.
3. Xu G., Xu D., Rehman H. Dynamic scenario analysis of CO2 emission in China's cement industry by 2100 under the context of cutting overcapacity. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. Vol. 27. No. 8. P. 53.
4. Raza A., Gholami R., Rezaee R., Han Bing C., Nagarajan R., Ali Hamid M. CO2 storage in depleted gas reservoirs: A study on the effect of residual gas saturation. Petroleum. Vol. 4, Part I. March 1, 2018. P. 95—107.
5. Zatsepina O., Hassanzadeh H., Pooladi-Darvish M. Geological Storage of CO2 as Hydrate in a McMurray Depleted Gas Reservoir. Gas Injection for Disposal and Enhanced Recovery. Part IV: Carbon Dioxide Storage. Editor(s): Wu Y, Carroll J, Li Q. 2014. P. 311—329.
6. Gonzalez-Nicolas1 A., Bau D., Cody B., Alzraiee A. Stochastic and Global Sensitivity Analyses of Uncertain Parameters Affecting the Safety of Geological Carbon Storage in Saline Aquifers of the Michigan Basin. International Journal of Greenhouse Gas Control. Vol. 37. June 2015. P. 99—114.
7. Koide H., Takahashi M., Shindo Y., Noguchi Y., Nakayama S., Iijima M., Ito K., Tazaki Y. Subterranean disposal of carbon dioxide at cool formation temperature. Conference: CLEAN AIR'94: First North American Conference & Exhibition, emerging clean air technologies and business opportunities, At: Toronto, Canada, Session 6D. P. 63—72.
8. Hong W.-Y. A techno-economic review on carbon capture, utilisation and storage systems for achieving a net-zero CO2 emissions future. Carbon Capture Science & Technology. Vol. 3. June 2022. P. 100044.
