Механизмы и варианты утилизации и захоронения углекислого газа в недрах

Изменение климата представляет собой актуальную и потенциально необратимую угрозу для человечества [11]. В знак признания этого подавляющее большинство стран мира, включая Российскую Федерацию, приняли Парижское соглашение от 12.12.2015, главная цель которого заключается в концентрации усилий по ограничению глобального повышения температуры. Смягчение последствий глобального потепления может быть достигнуто в том числе сокращением и предотвращением выбросов парниковых газов (прежде всего углекислого газа), а также увеличением объемов их поглощения.

Текущие суммарные мировые объемы выбросов углекислого газа составляют порядка 32 млрд т [2][3][17]. При этом на долю стран-лидеров — Китая, США, Индии, России и Японии — приходится около 60% общемировой эмиссии СО₂ (рис. 1).

Краткий обзор технологий улавливания, транспортировки, утилизации и (или) захоронения углекислого газа

В настоящее время в качестве одной из ключевых для смягчения последствий глобального потепления рассматривается технология улавливания, транспортировки, утилизации и (или) захоронения углекислого газа (CCUS — Carbon Capture, Utilization and Storage) [10][19][23]. Таким образом, технология CCUS может служить двум основным целям: предотвращению попадания новых объемов CO₂ в атмосферу или удалению раннее произошедших выбросов.

Технологическая цепочка проектов CCUS включает ряд процессов.

Улавливание углекислого газа — процесс поимки CO₂ из техногенного источника. Это самая капиталоемкая часть проектов CCUS. Существующие на текущий момент технологии улавливания можно разделить на три категории.

• Улавливание до сжигания. Происходит предварительная конвертация топлива в газообразную смесь водорода и диоксида углерода. После этого CO₂ отделяется от водорода на основе физической адсорбции.
• Улавливание после сжигания. Происходит с помощью разделения дымовых газов на составляющие. Углекислый газ улавливается с помощью механических сепараторов и жидких растворителей (химическая адсорбция).
• Улавливание при сжигании в чистом кислороде. Происходит образование газовой смеси из водяного пара и CO₂, который можно отделить посредством охлаждения и компрессии газового потока.

Транспортировка диоксида углерода во многом схожа с перемещением природного газа. Перед транспортировкой требуется осушка CO₂ в целях предотвращения коррозии и гидратообразования и избегания расходов, связанных со строительством трубопроводов из коррозионно-стойкого материала.

В качестве основного вида транспортировки существенных объемов углекислого газа рассматривается трубопроводный транспорт. На текущий момент протяженность трубопроводов непосредственно для CO₂ в мире составляет порядка 7 тыс. км, в то время как предполагаемая протяженность трубопроводов для выполнения плана развития технологий CCUS только в Европе должна составить около 18 тыс. км [23]. Для экономически эффективного использования пропускной способности трубопроводов СО₂ сжимается до сверхкритического состояния, что придает ему плотность жидкости одновременно с вязкостью газа и облегчает прохождение по трубопроводам.

Кроме трубопроводного транспорта, для транспортировки углекислого газа могут быть использованы суда-газовозы, что особенно актуально для прибрежных регионов, а также авто- и ЖД-цистерны для небольших объемов перевозок.

По мере увеличения количества проектов CCUS будет расти спрос на разветвленную газотранспортную сеть, представляющую собой комбинацию всех вышеуказанных видов транспорта. Для оптимизации системы сбора и захоронения (утилизации) диоксида углерода важное значение будет иметь организация так называемых кластеров и хабов СО₂, в которых выбросы из нескольких источников будут объединяться и совместно транспортироваться к общему хранилищу. Подобное распределение транспортных расходов между несколькими источниками выбросов приведет к экономии средств за счет масштаба.

Геологическое хранение предполагает закачку CO₂ в пласты горных пород, которые способны к его поглощению и долгосрочному безопасному удержанию. Подходящие для этих целей породы находятся в осадочных бассейнах, повсеместно распространенных по земному шару. Непосредственно в качестве естественных хранилищ углекислого газа в недрах рассматриваются пласты горных пород выработанных месторождений углеводородного сырья, высокоминерализованные водоносные горизонты, а также базальтовые и соленосные породы и неразрабатываемые угольные пласты.

Наиболее типичное и наиболее коммерчески успешное применение уловленного углекислого газа в настоящее время — это использование СО₂ в качестве агента для увеличения нефтеотдачи. В целом же сферы применения диоксида углерода достаточно обширны и их можно разделить на 3 основные области:

• химическое использование (сферы применения — производство химических веществ, удобрений, продуктов питания и др.);
• «минерализация» (производство строительных материалов и др.);
• биологическое использование (стимулирование роста растений).

Механизмы и варианты хранения углекислого газа в недрах

В основе удержания CO₂ в недрах лежат четыре основных механизма (рис. 2) [21].

1. Структурное удержание, обусловленное наличием геологической ловушки. Углекислый газ, закачанный в пласт-коллектор ловушки, остается неподвижным и физически не способен мигрировать за его пределы из-за наличия непроницаемой преграды (породы-покрышки, экранирующего разлома и др.).
2. Гидродинамическое удержание за счет капиллярных сил в поровом пространстве породы-коллектора.
3. Удержание путем растворения CO₂ в пластовых водах, в результате которого нейтрализуются агрессивные свойства закачиваемого газа.
4. Минеральное удержание за счет химического взаимодействия с вмещающими горными породами и флюидами с образованием твердого осадка или водных растворов. В результате углекислый газ полностью преобразуется и перестает существовать в своем первоначальном составе.

Относительная важность указанных механизмов удержания CO₂ зависит непосредственно от потенциального хранилища. При этом механизмы действуют не одновременно, а последовательно в течение продолжительных периодов времени. Поэтому на этапе закачки преобладает физическое удержание углекислого газа, которое в итоге переходит в минеральное удержание за счет химических реакций. Подобная совокупность создает комбинированный эффект, благодаря которому различные механизмы удержания, как правило, увеличивают долю неподвижного СО₂.

К геологическим условиям и характеристикам резервуаров для хранения углекислого газа должны предъявляться особые требования по обеспечению долгосрочного безопасного хранения CO₂. Должны быть исключены утечки углекислого газа, в том числе в целях обеспечения безопасности подземных источников питьевого водоснабжения, а также его выходы на поверхность. В связи с этим потенциальные геологические объекты для захоронения диоксида углерода должны оцениваться по следующим основным критериям:

• соответствие рассматриваемого потенциального пласта горных пород условиям долгосрочного удержания и невысвобождения закачанного углекислого газа;
• степень воздействия кислых компонентов на рассматриваемые горные породы и насыщающие их флюиды с целью защиты минеральных ресурсов и пластовых вод.

К настоящему времени, как уже упоминалось, в качестве основных вариантов хранилищ углекислого газа рассматриваются пласты истощенных залежей углеводородного сырья и минерализованные водоносные горизонты.

Хранение в пластах выработанных залежей углеводородов. Продуктивные пласты истощенных залежей углеводородного сырья могут рассматриваться в качестве благоприятных объектов долгосрочного безопасного хранения СО₂ по ряду факторов. Во-первых, наличие ловушки и, в частности, эффективной породы-покрышки, способствовавшей сохранению залежи в течение геологических периодов. Во-вторых, высокие фильтрационно-емкостные свойства продуктивных пластов, обеспечивавшие естественное накопление и хранение углеводородов и последующую их добычу. Они позволят осуществлять эффективную закачку углекислого газа в пласт. Третий аспект заключается в том, что в ходе разведки и освоения месторождения углеводородного сырья накапливается значительный объем подробных сведений о геологической структуре, свойствах пород-коллекторов и герметичности пород-покрышек. Это существенно снижает неопределенность поведения закачанного СО₂ в пласте.

Вместе с тем закачка агрессивного углекислого газа в пласты выработанных месторождений нефти и газа ставит задачи ликвидации существующих скважин, оценки риска коррозии металлов и деградации цемента, оборудования с последующими возможными утечками [5].

Хранение в минерализованных водоносных пластах. Водоносные пласты могут рассматриваться как объекты для хранения СО₂, если они отвечают следующим основным требованиям: достаточная для поглощения углекислого газа пористость и проницаемость пласта; наличие перекрывающей водоносный горизонт флюидоупорной породы, способной препятствовать рассеиванию диоксида углерода; значительные мощность и латеральное распространение вмещающего пласта для хранения больших объемов СО₂; достаточная для обеспечения безопасного хранения глубина залегания пласта (более 800 м — на таких глубинах, в условиях повышенных термобарических условий, углекислый газ переходит в жидкое или сверхкритическое состояние с относительно высокой плотностью).

Некоторым сдерживающим фактором развития этого варианта хранения углекислого газа является необходимость проведения дополнительного детального геологического изучения потенциальных хранилищ.

Помимо указанных основных вариантов, хранение углекислого газа также может осуществляться в неразрабатываемых угольных пластах, соленосных и базальтовых формациях.

Хранение в неразрабатываемых угольных пластах. Как правило, угольные месторождения разрабатываются до глубины порядка 1500 м, поэтому относительно глубокозалегающие угольные пласты могут рассматриваться в качестве хранилищ для СО₂. Углекислый газ после закачки в угольный пласт в результате адсорбции прочно связывается с поверхностью угольной матрицы.

В случае захоронения СО₂ в угольные пласты присутствует еще один дополнительный стимул. По мере того как углекислый газ адсорбируется на поверхности угольной матрицы, изначально связанный с угольным пластом метан десорбируется и высвобождается и, следовательно, может быть извлечен. Такой процесс извлечения метана из угольных пластов, к примеру, используется в бассейне Сан-Хуан в США [6].

Важнейшим критерием осуществимости подобного варианта хранения является проницаемость угольных пластов, которая определяет, сможет ли закачиваемый диоксид углерода охватить большие площади угольной матрицы. Пласты, которые залегают относительно глубоко для добычи, зачастую сильно уплотнены и обладают низкой проницаемостью, чтобы обеспечить возможность эффективной закачки СО₂. Кроме того, существует риск разбухания угольных пластов при закачке углекислого газа, что значительно снижает их проницаемость.

Хранение в соляных кавернах. Пустоты в отложениях каменной соли могут рассматриваться в качестве потенциальных объектов хранения СО₂ поскольку каменная соль характеризуется значительной устойчивостью во времени, имеет практически ничтожную проницаемость, низкое содержание влаги и склонность к пластическому течению, что приводит к быстрому устранению образующихся дефектов (трещин).

При этом для долгосрочного безопасного хранения углекислого газа каменная соль не должна содержать прослоев легкорастворимых калийных и магниевых солей. Кроме того, такие хранилища, как правило, будут относительно менее емкими и сами пласты каменных солей имеют ограниченное распространение в осадочных бассейнах по миру.

Хранение в базальтовых формациях. Обладая различными фильтрационно-емкостными свойствами, базальт является высокоактивным в химическом отношении к углекислому газу, что в итоге приводит к образованию карбонатных пород. Базальтовые формации, встречающиеся во многих регионах мира, могут рассматриваться в качестве варианта захоронения диоксида углерода, в особенности в районахбез подходящего осадочного выполнения.

Утилизация углекислого газа в рамках операций по увеличению нефтеотдачи

Помимо непосредственно захоронения углекислого газа в недрах, широко используемым процессом в нефтедобывающем секторе является закачка СО₂ в пласты горных пород, содержащих нефтяные залежи, с целью увеличения нефтеотдачи. Почти половина всех существующих проектов по использованию методов увеличения нефтеотдачи в мире — это закачка углекислого газа [23]. При этом по окончании эксплуатации объекта практически весь закачанный углекислый газ остается в пласте. Часть закачанного СО₂, которая прорывается в добывающую скважину вместе с нефтью, отделяется от нее, компримируется и затем вновь закачивается в пласт. Такая цикличность минимизирует утечки углекислого газа при добыче нефти.

Показателем эффективности закачки является достижение смесимости диоксида углерода с нефтью. При смешивающемся вытеснении практически исчезает граница раздела фаз между углекислым газом как вытесняющим агентом и нефтью, что увеличивает текущую добычу и повышает коэффициент извлечения. Примечательно, что в реальных проектах при закачке СО₂ наблюдается снижение охвата пласта-коллектора на 20—30% по сравнению с заводнением, но данное падение компенсируется лучшими вытесняющими свойствами диоксида углерода [23].

Вместе с тем следует отметить, что не все нефтяные месторождения подходят для применения методов увеличения нефтеотдачи с использованием углекислого газа. Это зависит от свойств пород-коллекторов и насыщающих их нефтей.

Кроме того, углекислый газ как высококоррозионный агент по отношению к добычному оборудованию и оборудованию системы сбора предъявляет особые требования к материалам оборудования, требует регулярного мониторинга состояния оборудования и применения ингибиторов коррозии.

Закачка углекислого газа в нефтесодержащий пласт для целей увеличения нефтеотдачи может осуществляться в нескольких вариантах [16].

• Закачка в пласт карбонизированной воды. При растворении диоксида углерода в воде вязкость воды увеличивается незначительно, а образующаяся при этом угольная кислота (H₂CO₃) растворяет некоторые виды цементов и породы пласта, увеличивая проницаемость. Согласно результатам лабораторных исследований проницаемость песчаников может вырасти на 5—15%, а доломитов на 6—75%.
• Закачка в пласт непосредственно CO₂ в газообразном или жидком состоянии. При растворении углекислого газа в нефти ее вязкость уменьшается, следовательно, уменьшается поверхностное натяжение нефти на границе с водой. Также углекислый газ способен увеличить объем нефти при растворении в ней, что позволяет существенно увеличить нефтеотдачу.
• Закачка в пласт углекислого газа в сверхкритическом состоянии. В данном состоянии CO₂ является растворителем. Растворяющая способность углекислого газа в сверхкритическом состоянии возрастает при увеличении давления. По сравнению с другими газами CO₂ легко переходит в сверхкритическое состояние (при Р = 73,8 МПа и t = 31,1 °С).

Краткий глобальный обзор проектов улавливания, транспортировки и утилизации и (или) захоронения углекислого газа

Количество проектов CCUS в мире в последние годы быстро растет. К настоящему моменту в эксплуатации находятся 29 таких проектов (табл., рис. 3), 20 из которых были запущены в последние два года. Тем не менее существующие в мире мощности проектов CCUS (суммарно порядка 40 млн т CO₂ в год) позволяют осуществлять улавливание всего лишь немногим более 0,12% от глобальных выбросов диоксида углерода.

Более половины действующих проектов CCUS приурочено к Северной Америке, большинство из них находятся в США. Это связано в том числе с благоприятной государственной политикой развития проектов улавливания, утилизации и (или) захоронения СО₂, включая налоговое стимулирование. В целом следует отметить, что большинство действующих в мире проектов — это проекты с прямым государственным участием или стимулированием.

Притом что основной объем (~70%) глобальных выбросов диоксида углерода приходится на электро- и теплогенерацию и транспорт [20], мощности действующих проектов улавливания, утилизации и(или) захоронения углекислого газа в значительной степени приурочены к газовой отрасли, и в частности сконцентрированы на заводах по переработке природного газа, а также к производству удобрений. Это связано с тем, что эти отрасли имеют самые низкие затраты на улавливание, поскольку они обычно генерируют чистый поток CO₂, который удаляется как часть производственного процесса. Вместе с тем CCUS начинает применяться в более широком спектре отраслей, где стоимость улавливания диоксида углерода выше из-за более низкой его концентрации в дымовых газах, к примеру в таких, как производство цемента и стали, а также производство электроэнергии.

Проект Ин-Салах (In Salah), расположенный в Алжире в центральной части Сахары, является первым в мире крупномасштабным проектом по захоронению CO₂ в газоносном пласте [22]. На месторождении Кречба (Krechba) осуществляется добыча углеводородного газа с содержанием CO₂ до 10%. Выделенный углекислый газ с помощью трех нагнетательных скважин, в том числе горизонтальных, повторно закачивается в пласт песчаника на глубине 1800 м (рис. 5). Покрышкой является мощная, до 950 м, толща аргиллитов. Проект, стартовавший в 2004 году, предусматривает закачку до 1,2 млн т диоксида углерода ежегодно. Всего в течение срока реализации проекта предполагается закачать 17 млн т CO₂.

Одним из значимых проектов CCUS, включающих в том числе захоронение СО₂ в недрах, является Баундари Дам (Boundary Dam) в Канаде [14][22]. Он сочетает улавливание углекислого газа после сжигания с выработкой электроэнергии на угольной электростанции Boundary Dam Power Station, захоронение СО₂ в недрах в рамках проекта Aquistore, а также закачку CO₂ с целью увеличения нефтеотдачи на нефтяном месторождении Вейбурн (Weyburn). Объем улавливаемого СО₂ проекта составляет 1 млн т ежегодно. Часть углекислого газа (10%) направляется на экспериментальный проект Aquistore в 2 км от электростанции. Указанный проект нацелен на мониторинг хранения CO₂ для проверки гипотезы о том, что хранение углекислого газа в водонасыщенном песчанике на глубине 3,4 км является безопасным и эффективным решением по сокращению и поглощению выбросов парниковых газов. Другая часть (90%) диоксида углерода подвергается сжатию и транспортировке по трубопроводу длиной 66 км на месторождение Вейбурн. Продуктивный пласт, в который осуществляется закачка, сложен трещиноватыми известняками мощностью 20—25 м. Покрышкой являются ангидриты. Предполагаемый объем хранения на месторождении составляет 20 млн т CO₂.

Инновационным проектом является Орка (Orca) в Исландии [20]. Это крупнейшая в мире установка, работающая на геотермальной электростанции Хеллишейди (Hellisheiði Geothermal Plant) и удаляющая углекислый газ из атмосферы. При работе на полную мощность завод будет ежегодно удалять из воздуха 4 тыс. т углекислого газа. Орка втягивает большое количество воздуха с помощью вентиляторов, приводя воздух в контакт с химическими веществами, которые могут выборочно удалять CO₂, одновременно выделяя азот, кислород и другие газы обратно в атмосферу. Затем обогащенные углеродом химикаты нагревают примерно до 100 °C, чтобы выделить CO₂ в виде чистого газа. Установка смешивает газ с водой и закачивает его глубоко в недра в базальтовые породы. Растворенный CO₂ кристаллизуется в твердый минерал примерно за два года, навсегда удаляясь из атмосферы.

Перспективы развития проектов захоронения углекислого газа в России

Россия является одним из лидеров по объемам эмиссии диоксида углерода. По оценкам [2][23] суммарные выбросы углекислого газа составляют порядка 1,5—1,7 млрд т ежегодно. Формирование эмиссии CO₂ происходит в основном за счет выбросов в сферах электроэнергетики и теплоснабжения, транспорта и металлургии (суммарно порядка 87%) [1].

Доля нефтегазового сектора от общего количества выбросов составляет порядка 5%. При этом накопленный опыт работы с газами (транспортировка, подземное хранение и др.), в том числе с кислыми, доступ к обширной геологической информации создают нефтегазовой отрасли глобальное преимущество для раскрытия потенциала Российской Федерации в вопросах захоронения СО₂ в недрах.

Учитывая богатство недр и разнообразие геологических условий, потенциал России в части утилизации и захоронения диоксида углерода в недрах очень высок (рис. 6 и 7) [5][7][15][23], но оценен не в полной мере. Недостаточно информации о местонахождении, пригодности и фактических объемах потенциальных хранилищ для углекислого газа. Проработка указанных вопросов позволит оценить суммарный потенциал Российской Федерации в области захоронения СО₂, выработать стратегию развития и в итоге вывести страну в лидеры в этой отрасли.

По предварительным оценкам [5][9][15][23], наиболее подходящие локации для создания проектов утилизации и хранения СО₂ в недрах Российской Федерации расположены в традиционных нефтегазодобывающих регионах, таких как Урало-Поволжье, Западная Сибирь и др. Одним из приоритетных регионов для реализации первого проекта CCUS в России может рассматриваться Оренбургская область. С одной стороны, на территории области сконцентрированы промышленные предприятия с крупнотоннажной эмиссией СО₂ энергетических, металлургических и нефтегазохимических отраслей. С другой стороны, регион обладает значительным потенциалом для утилизации и хранения значительных объемов углекислого газа в недрах. Таким образом, создание первого российского кластера CCUS возможно на базе нефтегазодобывающих компаний и предприятий-эмитентов, что обеспечит взаимодействие нефтегазодобывающей, металлургической, нефтеперерабатывающей и химической отраслей, которое позволит достичь синергетического эффекта в рамках климатической повестки в масштабах региона и снизить инвестиционные издержки.

В связи с вышеизложенным актуальными вопросами развития новой для нашей страны отрасли являются целенаправленное геологическое изучение различных условий хранения углекислого газа в недрах и выработка единых нормативных требований к геологическим параметрам подземных хранилищ диоксида углерода. Кроме этого, важной является проработка вопросов долгосрочной ответственности, связанной с осуществлением непрерывного геологического мониторинга возможных утечек CO₂, в том числе с использованием методов дистанционного зондирования [4][8].

Выводы

1. Достижение глобальных целей декарбонизации экономики невозможно без реализации проектов улавливания, транспортировки и утилизации и (или) захоронения углекислого газа. Одним из наиболее важных факторов успешной реализации подобных проектов является наличие геологических объектов для безопасного длительного хранения CO₂.
2. Основные механизмы удержания CO₂ в пластах горных пород действуют последовательно в течение длительного времени. При этом структурное и гидродинамическое удержание являются наиболее важными факторами, способствующими сохранению углекислого газа в пласте с начала процесса его закачки. Поэтому наличие указанных факторов в потенциальном объекте закачки определяет преимущество рассматриваемого хранилища.
3. В настоящее время наиболее изученными и апробированными вариантами утилизации и хранения углекислого газа в недрах являются использование диоксида углерода в качестве агента в методах увеличения нефтеотдачи, хранение CO₂ в пластах выработанных залежей углеводородного сырья и в минерализованных водоносных горизонтах. Кроме этого, хранение углекислого газа возможно в неразрабатываемых угольных пластах, соленосных и базальтовых формациях.
4. К геологическим условиям и характеристикам вмещающих CO₂ резервуаров должны предъявляться особые требования по обеспечению долгосрочного безопасного хранения, которое должно контролироваться посредством непрерывного геологического мониторинга возможных утечек из хранилищ с последствиями для окружающей среды.
5. Несмотря на то что в России к настоящему времени промышленные проекты CCUS отсутствуют, потенциал страны в части утилизации и захоронения диоксида углерода в недрах достаточно высок, но оценен не в полной мере.
6. Российская Федерация обладает конкурентными преимуществами в области транспорта и хранения углекислого газа, поскольку имеет развитую нефтегазовую отрасль, которая готова реализовывать подобные проекты, обеспечивая надежность и безопасность для окружающей среды и человека.
7. Перспективы развития российских проектов CCUS на текущем этапе — зарождения и становления новой отрасли — в первую очередь будут зависеть от мер государственной поддержки.