Инновационный подход: как российский стартап помогает использовать парниковый газ CO₂ для интенсификации добычи нефти и газа
Глобальное потепление и рост концентрации парниковых газов в атмосфере становятся все более острой мировой проблемой. В этих условиях поиск эффективных решений по утилизации углекислого газа становится не просто экологической инициативой, а насущной необходимостью. Но что если превратить проблему в возможность? Российские инженеры предложили интересное решение – использовать CO₂ для повышения эффективности нефтегазодобычи. Елена Газизянова, генеральный директор и учредитель ООО «Газ Сервис Консалтинг» рассказала, как работает эта уникальная технология и какие перспективы она открывает для отрасли.
Откуда берется углекислый газ
Представьте, что вы садитесь в машину после жаркого летнего дня. Внутри душно и жарко и кажется, что не хватает кислорода – это простой пример парникового эффекта. Точно так же работает и атмосфера Земли: солнечные лучи проходят через нее, но тепло задерживается парниковыми газами, особенно углекислым газом (CO₂), не давая ему рассеиваться в космос.
До начала эры промышленной революции уровень CO₂ в земной атмосфере был около 280 частей на миллион (ppm), а сегодня – уже 420 ppm, и он продолжает расти (Рис. 1). Это привело к значительному потеплению: например, только в Москве за период с 1780 года среднегодовая температура поднялась на 4°C, а 2024 год стал самым жарким за всю историю метеонаблюдений (Рис. 2).
Основные источники выбросов CO₂:
1. Транспорт и энергетика (~ 75% выбросов всех выбросов CO₂):
- одна заправка автомобиля = 100 кг CO₂ в атмосферу;
- сжигание нефти, газа и угля, чтобы мы могли передвигаться (ездить и летать), освещать, обогревать и работать.
2. Промышленность:
- производство цемента (1 кг этого материала = около 0,5 кг CO₂ выбросов в атмосферу);
- металлургия, особенно производство стали.
3. Вырубка лесов и сельское хозяйство:
- леса работают как гигантские фильтры, поглощая СО₂, а мы их рубим;
- ежегодно исчезает территория лесов больше площади Португалии (~ 10 млн га).
Эти данные показывают, насколько серьезно человеческая деятельность влияет на климат планеты, и почему важно понимать источники выбросов углекислого газа для принятия осознанных решений как в повседневной жизни, так и в промышленности.
Масштаб климатического вызова и поиск решений
В 2022 году мировая энергетическая отрасль сгенерировала 36,8 миллиардов тонн СО₂. Чтобы представить этот объем наглядно, представьте, если направить все выбросы СО₂ (Рис. 3) в озеро Балхаш (Республика Казахстан), объем которого составляет 106 км³ (это ≈ 106 млрд тонн СО₂), то оно полностью заполнится за 3 года.
Проблема увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере требует комплексных коллективных решений. Поэтому поиск технологий, которые могут утилизировать этот газ, становится важной задачей для снижения воздействия на климат. Не следует забывать, что переработка CO₂ может дать дополнительные ресурсы для промышленности. Так, углекислый газ может стать сырьем для производства синтетического топлива и строительных материалов. А также, повысить эффективность процессов добычи и переработки углеводородов, обеспечив новые экономические и экологические возможности.
Вместе с этим утилизация СО₂ должна быть разумной, нацеленной не только на сокращении его концентрации в атмосфере, но и нахождении практического применения для этого газа в различных отраслях промышленности. История уже знает подобные примеры трансформации экологических вызовов в технологические прорывы. Так, в XIX веке массовая добыча китового жира для освещения улиц поставила китов на грань исчезновения. Однако переход на керосин и другие нефтепродукты спас эти величественные создания, открыв новую эру энергопотребления. Кто бы тогда мог подумать сколько денег будет инвестировано в строительство нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов по всему миру.
Сегодня человечество стоит перед похожим выбором: продолжать наращивать выбросы CO₂ или найти способы его эффективной утилизации. Современные разработки позволяют улавливать CO₂ и превращать его в топливо, пластик, строительные материалы и даже пищевые добавки, что может стать новым шагом в устойчивом развитии, как когда-то нефть спасла китов.
Обзор современных технологий по утилизации CO₂
Существует несколько подходов, направленных на переработку и утилизацию углекислого газа. Некоторые из них уже активно используются в промышленности, другие находятся на стадии разработки, но все они играют ключевую роль в создании низкоуглеродной экономики.
Важно отметить, что утилизация СО₂ не ограничивается только его захватом и хранением – этот газ может быть использован как сырье для производства разнообразных продуктов, что открывает новые горизонты для промышленности.
В 2019 году мировое потребление углекислого газа достигло 230 миллионов тонн – такие данные приводит Международное Энергетическое Агентство. Львиную долю этого объема – 130 миллионов тонн – использовали производители удобрений. Нефтегазовый сектор потребил 70-80 миллионов тонн CO₂, а оставшиеся 20-30 миллионов тонн распределились между предприятиями пищевой промышленности, производителями металлоконструкций и другими отраслями.
Современные технологии утилизации углекислого газа можно разделить на две ключевые категории:
1. Коммерциализированные технологии утилизации СО₂
- Химия и фармацевтика. Переработка СО₂ в химические продукты является давно известным методом использования этого парникового газа. Один из наиболее успешных примеров такого применения – производство карбамида, ценного химического удобрения для сельского хозяйства, а также компонента в химической и фармацевтической промышленности. СО₂ является одним из ключевых ингредиентов в процессе синтеза карбамида, превращаясь в полезный продукт, который используется в сельском хозяйстве для повышения урожайности.
- Пищевая промышленность. СО₂ активно используется для газирования напитков, таких как вода, соки и другие алкогольные и безалкогольные напитки. Этот процесс, также известный как карбонизация, позволяет создать характерные пузырьки, придавая напиткам вкус и текстуру. Следует отменить, что в сравнении с мировыми выбросами СО₂ объем потребления углекислого газа пищевой промышленностью – это капля в море.
- Улавливание и закачка углекислого газа (CCS – Carbon Capture and Storage). Технология улавливания и хранения СО₂ – один из самых распространенных методов борьбы с выбросами этого газа. СО₂ улавливается с промышленных объектов и закачивается в геологические пласты для долгосрочного хранения. Это позволяет избежать попадания углекислого газа в атмосферу, тем самым снижая его концентрацию и замедляя темпы изменения климата. Проект Sleipner в Норвегии, реализуемый с 1996 года, является одним из ярких примеров успешной реализации данной технологии, ежегодный объем закачиваемого СО₂ на данном проекте составляет 850 тыс тонн.
- Использование СО₂ для повышения нефте- и газоотдачи. Еще одним способом утилизации СО₂ является его использование в качестве агента для увеличения добычи углеводородов из нефтяных и газовых месторождений. В процессе закачки СО₂ в пласты создается дополнительное давление, что способствует увеличению нефтегазоотдачи, помимо этого СО₂ является натуральным растворителем и при взаимодействии с нефтью и газовым конденсатом снижает их вязкость. Нельзя не отметить также интересное действие СО₂ благодаря которому углеводороды насыщенные СО₂ “набухают” увеличиваясь в объеме. Совокупное влияние этих уникальных факторов позволяет эффективно применять эту технологию на зрелых месторождениях, позволяя не только улучшить эффективность добычи, но и снизить выбросы углекислого газа.
2. Коммерциализированные технологии утилизации СО₂
- Переработка СО₂ в биопродукты. Один из самых перспективных методов – использование СО₂ в биологических процессах. Микроводоросли и другие микроорганизмы могут поглощать углекислый газ, а затем использовать его для синтеза биотоплива или других продуктов, таких как корма для животных. Этот метод сочетает в себе два важнейших аспекта – утилизацию СО₂ и создание экологически чистых продуктов.
- Каталитическая переработка СО₂ в углеводороды. В области химической инженерии активно разрабатываются технологии, которые позволяют превращать СО₂ в синтетическое топливо и другие углеводороды с помощью катализаторов. Этот процесс имеет огромный потенциал, поскольку он позволяет создавать углеводороды без необходимости добычи угля или нефти, а значит, снижает нагрузку на экологию и способствует созданию устойчивых энергетических систем.
Преимущества и недостатки современных технологий по утилизации СО₂
К преимуществам можно отнести:
- Снижение выбросов углекислого газа: все методы утилизации СО₂ направлены на снижение его концентрации в атмосфере, что способствует замедлению изменения климата.
- Экономический потенциал: некоторые технологии, такие как переработка СО₂ в химические продукты или использование для повышения нефтеотдачи, могут приносить экономическую выгоду, создавая новые рынки и увеличивая эффективность существующих.
- Развитие новых отраслей промышленности и экономики: технологии утилизации СО₂ открывают возможности для создания новых секторов экономики, таких как производство биотоплива, строительных материалов и синтетических углеводородов.
Недостатки:
- Высокие начальные затраты: внедрение технологий утилизации СО₂ требует значительных капитальных вложений, что может стать препятствием для широкого внедрения на ранних этапах.
- Технологическая зрелость: несмотря на успехи в области коммерциализации некоторых технологий, многие перспективные решения, такие как переработка СО₂ в биопродукты или синтетическое топливо, ещё не достигли полной коммерческой зрелости.
- Риски экосистемы: некоторые технологии, такие как закачка СО₂ в геологические пласты, могут вызывать риски утечек, что ставит под сомнение долгосрочную безопасность этих решений.
- Энергетическая эффективность: некоторые методы переработки СО₂ требуют больших затрат энергии, что снижает их общую экологическую эффективность, особенно в странах с высокой зависимостью от углеродных источников энергии.
Уникальный российский подход - интенсификация добычи нефти и газа с помощью CO₂
Команда инженеров и разработчиков из компании ООО «Газ Сервис Консалтинг» разработала решение позволяющее использовать отбросной СО₂ из дымовых и технологических газов для интенсификации добычи нефти и газа.
Компания, была основана в 2021 году командой с многолетним опытом работы в крупных российских и международных инжиниринговых и нефтегазовых компаний, сосредоточила свои усилия на создании технологии, которая позволила бы не просто утилизировать углекислый газ, а сделать его инструментом повышения эффективности добычи углеводородов.
Основная идея заключается в том, чтобы улавливать СО₂ из промышленных выбросов и технологических газов, затем специальным образом готовить его и закачивать в нефтяные и газовые пласты. Технологически этот процесс позволяет увеличить давление в резервуаре, снизить вязкость углеводородов, увеличить ее подвижность, увеличить нефть в объеме, экстрагировать легкие фракции из углеводородов и тем самым повысить коэффициент извлечения нефти и газа (Рис. 4). Уникальностью СО₂ является тот факт, что он может быть использован как для нефтяных так и для газовых месторождений. Такой метод не только решает проблему выбросов СО₂, но и позволяет продлить жизненный цикл месторождений, делая добычу более рентабельной и устойчивой.
Нужно отметить, что применение СО₂ для увеличения дебита нефтяных скважин не является чем-то новым в нефтяной индустрии. В мире используется до 80 миллионов тонн СО₂ в год для целей интенсификации добычи углеводородов. Однако его применение в качестве агента для интенсификации требует комплексного подхода с учетом особенностей его реакции с пластовыми флюидами и газами (Рис. 5).
Особенностью запатентованной технологии ООО «ГСК» (Рис. 6) является многофакторная оценка взаимодействия СО₂ с углеводородами и пластовой водой включая как положительные факторы, отмеченные ранее (снижение вязкости и т.д.), так и негативные сценарии возможного выпадения тяжелых фракций, коррозионной активности СО₂, гидратообразования, а также реализация в железе уникального в своем роде технологического комплекса по закачке СО₂ в пласт.
На основе анализа мировых проектов по использованию CO₂ для повышения нефтеотдачи пластов компания разработала инновационную авторскую методику. Она включает быстрый скрининг перспективных месторождений и скважин кандидатов, подбор эффективных агентов, используемых совместно с СО₂, которые увеличивают эффективность применения технологии. Кроме того, специалисты компании предоставляют заказчикам детальные ответы на ключевые вопросы: где взять CO₂, способы его транспортировки до скважины и закачки, экономическую эффективность и ожидаемые результаты применения технологии.
Команда инженеров ООО «ГСК» разработала технологические схемы и конструкторскую документацию для модульной установки для закачки СО₂ в нефтяные и газовые пласты на глубину до 5-6 километров. В настоящее время первая пилотная установка в процессе изготовления, компания планирует использовать ее на одном из месторождений России до конца 2025 года.
Запустив процесс изготовления установки, ООО «ГСК» приступили к разработке собственного программного обеспечения для экспресс оценки эффективности применения СО₂ на месторождениях. Этот инструмент позволит проанализировать геолого-технические параметры резервуара, определить целесообразность применения технологии и спрогнозировать прирост добычи. Синергия разработанной технологии закачки СО₂ и цифрового инструмента моделирования открывает новые возможности для оперативной и точной оценки эффективности процесса, обеспечивая промышленное внедрение решений по утилизации СО₂ в нефтегазовой отрасли.
Преимущества и недостатки применения данной технологии:
Плюсы:
- Повышение коэффициента извлечения углеводородов: интенсификация добычи за счет повышения давления в пласте и снижения вязкости углеводородов.
- Продление срока эксплуатации месторождений: технология позволяет добывать нефть и газ из пластов, ранее считавшихся низкорентабельными.
- Использование отходов производства: снижение затрат за счет работы с отбросным СО₂, который ранее подлежал выбросу или утилизации.
- Гибкость решений: модульные решения позволяют масштабировать систему в зависимости от потребностей конкретного месторождения.
- Экологическая выгода: позволяет снижать объем выбросов СО₂ в атмосферу, что позволяет зарегистрировать такой проект как Климатический в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 27917-2023 (ISO 27916:2019).
Минусы:
- Техническая сложность метода: требуется точная геологическая оценка и вдумчивый подбор скважин кандидатов.
- Чувствительность к первоначальным инвестициям: создание инфраструктуры для улавливания, транспортировки и закачки СО₂.
- Подходят не все месторождения: технология наиболее эффективна на месторождениях с вязкими нефтями и проявлениями ретроградного конденсатообразования.
- Нужно учитывать расстояние: требуется источник СО₂ на расстоянии не более 350-500 километров от целевого месторождения.
Какие возможности открываются и с какими трудностями придется столкнуться
Использование углекислого газа для интенсификации добычи углеводородов предлагает значительный потенциал для оптимизации разработки месторождений и повышения эффективности добычи. Внедрение этой технологии позволяет нефтегазовым компаниям:
- Увеличить коэффициент извлечения нефти и газа, снижая вязкость углеводородов и повышая подвижность пластовых флюидов.
- Продлить срок эксплуатации месторождений, задействовав трудноизвлекаемые запасы.
- Оптимизировать утилизацию углекислого газа, используя его в качестве технологического агента, что снижает затраты на выбросы и минимизирует углеродный след.
- Повысить соответствие экологическим требованиям, что особенно важно в условиях ужесточения климатической политики и перехода к низкоуглеродной экономике.
- Создать новые технологические решения, в том числе в области улавливания, транспортировки и закачки СО₂, что стимулирует развитие инжиниринга и производства специализированного оборудования.
Несмотря на очевидные преимущества, реализация данной технологии сопряжена с рядом экономических, экологических и технических вызовов, требующих комплексного подхода.
1. Экономические вызовы
- Требуется создание инфраструктуры для улавливания, транспортировки и закачки СО₂.
- Эффективность применения технологии зависит от цен на углеводороды, доступности СО₂.
- Внедрение технологии может требовать налоговых льгот, субсидий и поддержки со стороны государства для ускорения ее масштабирования.
2. Экологические аспекты
Требуется тщательный мониторинг геологической среды, чтобы предотвратить миграцию углекислого газа за пределы продуктивного пласта.
СО₂ в сочетании с влагой образует угольную кислоту, что увеличивает риск разрушения трубопроводов и оборудования.
3. Технические ограничения
Требуется индивидуальный подбор параметров закачки СО₂ в зависимости от геологии месторождения, состава флюидов и пластового давления.
Для работы с углекислым газом требуется использование специального оборудования, устойчивого к агрессивной среде.
Вместо заключения
Технологии утилизации СО₂ становятся важным инструментом в борьбе с изменением климата и одновременно открывают новые возможности для нефтегазовой отрасли. Инновационные подходы позволяют не только снижать углеродный след производства, но и повышать эффективность добычи углеводородов, обеспечивая более рациональное использование природных ресурсов.
Использование СО₂ для интенсификации добычи нефти и газа демонстрирует экономическую целесообразность, позволяя извлекать остаточные запасы углеводородов, которые ранее считались трудноизвлекаемыми. Однако реализация таких решений требует комплексной геолого-технической оценки, выбора оптимальной технологии закачки и адаптации инфраструктуры под условия конкретного месторождения.
Закачка углекислого газа, представляет собой перспективный инструмент для повышения коэффициента извлечения нефти и газа, особенно на зрелых месторождениях. Несмотря на существующие технические и экономические вызовы, включая капиталоемкость и необходимость адаптации оборудования, потенциал этой технологии делает ее важным направлением для дальнейших исследований и внедрения в индустрию.
Мы стоим на пороге новой эры в управлении углеродным балансом. Инновации в области утилизации СО₂ могут изменить нефтегазовую индустрию, сделав ее более устойчивой и экологически ориентированной. Не бойтесь оценить потенциал монетизации СО₂ и сделать нефтегазовую отрасль частью низкоуглеродного будущего.