Постепенно иссякают легкодоступные нефтяные ресурсы во всем мире, в то время как потребность человека в нефти, вероятно, останется высокой в обозримом будущем. Все больше усилий направляется на разработку труднодоступных месторождений. Но что, если попытаться еще больше ускорить процесс формирования нефти из органического сырья в недрах Земли, сократив его продолжительность с миллионов лет до нескольких суток или даже часов? Именно такая задача стоит перед разработчиками Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколковского института науки и технологий. Как появилась и как функционирует эта инновация? Почему она безопаснее для окружающей среды по сравнению с традиционными методами добычи нефти? Подробности – в новой статье.
Международное энергетическое агентство прогнозирует, что к 2040 году нефть продолжит занимать около трети от общего объема мирового энергопотребления, как и в настоящее время. Помимо этого, нефтепродукты находят применение и в других отраслях: ежегодно более 16% добываемой нефти используется для производства лекарственных препаратов, одежды, игрушек, косметики, солнечных панелей и множества других товаров.
Легкодоступные нефтяные месторождения постепенно иссякают, что актуально и для России. В частности, в Ханты-Мансийском автономном округе, обеспечивающем более 40% добычи нефти в стране, многие крупные месторождения уже находятся на стадии снижения объемов добычи, и через два десятилетия основные залежи легкодоступной нефти в регионе значительно уменьшатся. Выходом из ситуации является разработка трудноизвлекаемых нефтяных ресурсов, для чего в настоящее время активно разрабатываются инновационные технологии.
Возможно ли не только добывать нефть из трудноизвлекаемых пород, но и ускорять созревание запасов ископаемого, формирование которых в природных условиях заняло бы миллионы лет? Новая технология, разработанная в Центре науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха при поддержке крупной нефтедобывающей компании (индустриального партнера), направлена на то, чтобы обеспечить такую возможность. Для преобразования потребуется обычная вода, находящаяся в нестандартном состоянии.
Ученые представили свежие результаты исследования в обширном труде, опубликованной в журнале Chemical Engineering Journal. Подробности проекта были предоставлены корреспонденту «Научной России» ведущим научным сотрудником и первым автором статьи Центр технологий и науки добычи углеводородов Сколтеха Елена Дмитриевна Мухина.
Основное внимание при разработке уделяется извлечению полезных ископаемых из горючих сланцев, которые являются нефтеносными породами и встречаются в России, США, Южной Америке и Китае.
«Крупнейшее сланцевое месторождение, расположенное на территории России — это Баженовская свита. Она располагается на глубине около 2–3 км и является основным месторождением керогеносодержащих сланцев в России, — рассказала Е.Д. Мухина. — Расположена она в Западной Сибири, занимая обширную территорию, превышающую 1 миллион квадратных километров 2. Большая часть территории простирается в пределах Ханты-Мансийского автономного округа, однако также включает Тюменскую, Томскую и Омскую области, Ямало-Ненецкий автономный округ и близлежащие регионы. По сути, под ней расположена почти вся Западная Сибирь».
Извлечение нефти из горючих сланцев затруднено из-за их высокой плотности и низкой проницаемости. Однако у них есть существенное преимущество: сланцы содержат значительное количество керогена. Это твердое органическое вещество, которое в перспективе может преобразоваться в жидкую нефть. Как правило, залежи керогена не учитываются в статистике запасов углеводородов, пригодных для добычи.
Можно ли здесь и сейчас превратить кероген в черное золото, существенно повысив нефтеотдачу сложной породы? Вопрос был успешно решен исследователями Сколтеха. Ученые обнаружили, что для ускорения процесса необходимо закачивать в сланец очень горячую воду (с температурой 350–380 °C) под экстремально высоким давлением (200–300 атмосфер) в состоянии сверхкритической жидкости. Под ее воздействием кероген быстро преобразуется в полноценную нефть, которую можно извлечь из породы.
*Сверхкритическая жидкость (или сверхкритический флюид) — вещество, находящееся в промежуточном состоянии между жидким и газообразным. Оно принимает такую форму при температуре и давлении, превышающих критические значения для данного вещества. Внешне сверхкритическое вещество похоже на жидкость и имеет с ней сопоставимую плотность, но по вязкости и сжимаемости оно ближе к газу. Сверхкритические жидкости являются эффективными растворителями и способны легко проникать в структуру твердых материалов. Данное состояние свойственно жидким и газообразным веществам, которые не разлагаются при достижении критической температуры.
«Мы стремимся воссоздать, а точнее значительно ускорить, естественный процесс преобразования керогена в нефть. Кероген, содержащийся в сланцевых породах, на протяжении миллионов лет медленно превращается в нефть. Фактически, вся нефть, которую мы добываем сегодня, когда-то была керогеном, — пояснила Е.Д. Мухина. — Поскольку у нас нет миллионов лет, но существует актуальная потребность в нефти, наша задача — искусственно ускорить этот природный процесс. Известно, что он протекает при определенных температурах и за определенный период времени. Химия, в частности кинетика химических реакций, изучающая скорость их протекания в зависимости от внешних факторов, играет ключевую роль в этом. Наша идея заключается в том, чтобы ускорить процесс, не меняя его сути. А температура выступает основным фактором ускорения практически в любом химическом процессе».
По просьбе корреспондента «Научной России» Елена Дмитриевна вкратце описала процесс превращения керогена в нефть: «Этот химический процесс активирует разложение керогена. Кероген — крайне тяжелая и сложная по структуре твердая органическая субстанция из очень длинных и трудноописуемых молекулярных цепочек. В научном сообществе до сих пор идут споры о его точной молекулярной структуре. Во время реакции под действием температуры и давления эти цепочки начинают расщепляться на более короткие фрагменты, более близкие к привычной нефти по своей структуре. В результате твердое вещество превращается в жидкое, то есть, по сути, образуется синтетическая нефть. Дополнительно выделяются газы, состоящие из еще более коротких молекул. Процесс можно описать как переход от сложных и тяжелых молекул к более легким и простым, доступным для извлечения».
Проект разрабатывался в течение нескольких лет. Для проведения многочисленных испытаний исследователи применяли натуральные образцы горючих сланцев. Ученые сообщают о передаче технологии индустриальному партнеру для рассмотрения. Дальнейшие испытания разработки планируется провести в полевых условиях, непосредственно на действующем месторождении.
«Проект, направленный на создание нового метода нефтедобычи, был запущен в 2014 году. Он представлял собой совместную работу нескольких университетов, инициированную запросом индустриальной компании о разработке технологии добычи трудноизвлекаемых запасов, включая сланцевые месторождения, содержащие кероген. — объяснила Е.Д. Мухина. — Первоначально, на первом и наиболее длительном этапе, проводилась комплексная оценка потенциальных методов и выбор наиболее подходящего для решения поставленной задачи. Мы изучали различные подходы, включая закачку химических веществ, газообразных сред (что применяется в США), внутрипластовое горение, а также закачку горячей воды в качестве альтернативы. До 2021 года велись активные работы по определению наиболее эффективного метода, специально предназначенного для данного типа месторождений. В частности, внутрипластовое горение также использует высокие температуры, но требует иной технологии закачки воздуха, имеющей свои ограничения и потенциальные риски. В конечном итоге, было решено использовать закачку горячей воды, поскольку она показала наилучшие результаты как в лабораторных условиях, так и в предварительных численных моделях, охватывающих масштабы всего месторождения, что представляло особый интерес для индустриального партнера.
Для подтверждения эффективности выбранного подхода были проведены разрешающие лабораторные эксперименты в автоклавах. Полученные результаты показали, что разработанный метод позволяет практически полностью преобразовать кероген в нефть в лабораторных условиях при температурах до 400 °С. Это является ключевым фактором, учитывая сложность извлечения керогена другими методами. Таким образом, на втором этапе с помощью разрешающих экспериментов был подтвержден диапазон эффективных температур, и обоснована целесообразность дальнейшей разработки данного метода.
После того, как эффективность метода была подтверждена в лабораторных условиях, начался этап детализации параметров и оценки неопределенностей. Для адаптации технологии к реальным условиям месторождения мы применили численное моделирование в гидродинамических симуляторах. Определялись ключевые характеристики, такие как изменение пористости, объем преобразованного керогена, оптимальные температуры и давления для достижения максимального эффекта. Для получения точных данных потребовалось около трех лет.
Финальным этапом проекта является формирование рекомендаций для опытно-промышленных испытаний. В настоящее время индустриальный партнер оценивает возможность использования технологии на настоящих скважинах, поэтому задача Сколтеха — предоставить научно обоснованные параметры, включая режимы закачки, температуру, давление и требования к оборудованию. Эти параметры дополнительно проверяются в симуляторах, имитирующих масштабы месторождения, и при подтверждении эффективности модели технология переходит к следующему этапу внедрения».
**Автоклав — устройство, предназначенное для проведения различных технологических операций в условиях повышенной температуры и давления.
Завершающим этапом исследования стал непрерывный эксперимент, продолжавшийся десять дней и в течение которого исследователи сменяли друг друга. На основании полученных результатов была подготовлена ранее упомянутая статья.
В ходе испытаний было установлено, что наиболее эффективное преобразование и, что имеет большое значение, практически полное извлечение нефти достигается при использовании воды, нагретой до определенной температуры 350–380 °C. В таких условиях преобразование керогена в нефть и извлечение полезного ископаемого из земных недр занимает относительно небольшое время — от нескольких часов до нескольких дней.
«Описанный в научной статье заключительный эксперимент стал важным шагом в процессе перехода от лабораторных исследований к масштабному моделированию. Полученные в ходе него результаты послужили основой для разработки рекомендаций по внедрению технологии в промышленность, — пояснила Е.Д. Мухина. — Эксперимент включал три стадии, поскольку проводился при различных температурах: 300 °C, 350 °C и 380 °C. Целью исследования было определение поведения керогена на каждой температурной стадии. Каждая стадия продолжалась до тех пор, пока прекращалось выделение нефти, что для нас сигнализировало о завершении основных процессов на данном этапе. Так, при 300 °C преобразование оказалось незначительным. Однако при 350 °C началось активное выделение нефти, которое впоследствии замедлилось. Для дальнейшего извлечения нефти из керогена температура была повышена до 380 °C. Следует учитывать, что при более длительном воздействии температуры 350 °C образец также был бы практически полностью преобразован, но более медленными темпами. Задача заключалась в тестировании трех температурных режимов и сопоставлении хода процесса при каждом из них. Поэтому эксперимент проводился непрерывно: мы отслеживали выход нефти в каждый момент времени, фиксировали результаты, анализировали их и делали выводы о поведении керогена на различных стадиях».
Для имитации условий, в которых добывается нефть, ученые разработали лабораторную модель породы, имеющую высоту 1,8 метра и вес 18 килограммов.
«Использованные в данной модели образцы представляют собой настоящую породу, извлеченную с глубины примерно 3 тыс. м из того же месторождения, где планируется внедрение технологии. Таким образом, это не имитация, а непосредственно реальные керновые материалы, — подчеркнула Е.Д. Мухина. — В ходе эксперимента была использована модель, состоящая из металлической трубы длиной около 2 метра и диаметром 10 сантиметров. Труба была заполнена наполовину крупными фрагментами породы, а другая половина была засыпана мелкой крошкой, полученной из той же породы. Крупные фрагменты представляли собой значительные куски, обычно извлекаемые бурением или ручной резкой, поэтому они имели неправильную, зачастую прямоугольную форму. Их толщина колебалась в пределах от 2 до 10 сантиметров, а длина составляла примерно 10–15 сантиметров. Эти крупные фрагменты были распределены по всей длине модели, а промежутки между ними заполнены крошкой с размером частиц около 2–5 мм. Таким образом, модель максимально точно воспроизводила реальную структуру пласта, включая как крупнообломочные, так и дисперсные фракции».
Первоначально сланцевая порода содержала незначительное количество жидкой нефти, преимущественно кероген, который составлял 10–20% от ее массы. Под воздействием воды в сверхкритическом состоянии практически все твердое органическое вещество было преобразовано в нефть, что позволило успешно извлечь ее из модели породы.
Как пояснила Е.Д. Мухина, длительность полного превращения зависит от множества факторов. Конкретный тип керогена играет ключевую роль, поскольку его состав и структура могут значительно варьироваться. Температура 350 °C считается достаточно высокой, при которой преобразование начинается довольно оперативно: уже в первые часы часть керогена переходит в жидкую фазу. Однако, для полного превращения вещества необходимо учитывать, что это не мгновенный процесс. Невозможно утверждать, что, например, в течение десяти часов не происходит никаких изменений, а на одиннадцатый весь кероген внезапно превращается в нефть. Это постепенное изменение, которое начинается с небольших объемов и со временем распространяется на всё вещество.
На скорость реакции влияет и размер образца. Мелкая фракция, такая как крошка или порошок, обеспечивает более быструю реакцию, поскольку сверхкритическая вода легче проникает внутрь. В случае использования крупных, цельных фрагментов породы, процесс протекает медленнее из-за затрудненного доступа воды необходимой температуры внутрь материала.
Применительно к крошке породы, полное преобразование может достигнуться уже при температуре 350 °C и займет от нескольких часов до суток, независимо от типа керогена. Повышение температуры, например, до 400 °C, ускоряет этот процесс: преобразование, требующее нескольких дней при 350 °C, может завершиться за одни сутки. В любом случае, даже если требуется несколько дней, это значительно быстрее, чем естественные процессы, где подобные трансформации занимают геологические эпохи».
Влияние воды с повышенным давлением привело к увеличению пористости сланца с 0,1% до 30%, что значительно облегчило добычу нефти. Какова причина этого явления?
«Этот вопрос заслуживает внимания, и мы провели его тщательное изучение. Однако ответ на него оказался несложным, — сказала Е.Д. Мухина. — Изначально находящийся в твердом состоянии кероген под воздействием температуры и давления переходит в жидкую фазу и вымывается из породы, освобождая ранее занятый ею объем. Кроме того, высокая температура и вода способствуют активному растрескиванию глинистых минералов. Другие компоненты породы также могут реагировать или подвергаться термическому и механическому воздействию, что приводит к образованию новых трещин, которые по сути являются крупными порами. Это увеличивает общую пористость и проницаемость породы, улучшая ее фильтрационные характеристики. В результате нефти становится легче проникать на поверхность, чем до термической обработки».
Е.Д. Мухина обратила внимание на то, что температурные методы добычи нефти — известная технология, однако подход, основанный на обработке керогена сверхкритической водой, впервые разрабатывается детально: «Заказчики проекта — нефтяные компании — уже имели опыт работы с температурными методами в других типах месторождений, например при добыче высоковязкой нефти. Это очень плотная субстанция, крайне неохотно вытекающая из месторождений, и, чтобы она начала двигаться и выходить из пласта, ее нужно нагреть. Используются два основных подхода: внутрипластовое горение (при котором пласт фактически поджигается и нефть “облагораживается” в процессе горения) и закачка горячего пара — обычно водяного при температуре до 200 °C. Эти технологии хорошо изучены и активно применяются на практике. То есть мы нагреваем вязкое вещество и получаем более жидкую нефть.
Мы разработали технологию, основанную на адаптации существующего подхода к керогену. Цель заключалась не в простом физическом разжижении вещества, а в преобразовании его в синтетическую нефть. Принципы работы существенно отличаются: при работе с высоковязкой нефтью мы лишь снижаем ее вязкость, а при работе с керогеном запускаем сложную химическую реакцию, результатом которой является синтетическая нефть. В связи с этим для инициирования и поддержания реакции требуется более высокая температура».
Возникает логичный вопрос: каким образом можно доставить сверхкритическую воду на глубину в 3000 метров, где находится кероген, и впоследствии извлечь оттуда образовавшуюся нефть?
Для извлечения нефти из плотных пород зачастую бурят горизонтальные скважины, в которые под высоким давлением подается вода с добавлением специальных химических веществ. Это приводит к образованию трещин в породе – технология, известная как гидроразрыв пласта. Далее в скважину закачивают углеводородные или углекислые газы (или их смесь), которые вытесняют нефть. После добычи полезного ископаемого цикл повторяется. Таким образом реализуется газовый метод увеличения нефтеотдачи в режиме huff-and-puff — так это называется по-английски: циклическая закачка газа в скважину.
Специалисты из Сколтеха внесли предложения по улучшению данного метода. Проблема заключается в том, что при использовании единственной скважины значительная часть закачиваемой в пласт воды уходит вглубь, вытесняя при этом часть нефти и препятствуя ее подъему к скважине. В качестве альтернативы ученые предлагают бурить не одну, а две параллельные горизонтальные скважины. Сверхкритическая вода будет подаваться в одну из них, где она, проникая в породу, активирует процесс дозревания нефти. Затем полученное ископаемое будет вытесняться во вторую скважину, откуда его можно будет извлечь вместе с водой, прошедшей через сланец. Данный подход позволяет избежать потерь нефти и воды внутри породы.
Даже для тех, кто не специализируется на технологиях добычи нефти, может возникнуть вопрос о том, не приведет ли бурение двух скважин вместо одной к повреждению структуры горной породы?
«Бурение двух скважин является обычной мировой практикой, — отмечает Е.Д. Мухина. — Для повышения нефтеотдачи иногда бурят две вертикальные скважины, расположенные одна над другой. Этот метод часто применяют при добыче высоковязкой нефти, о чем я ранее говорила. Между скважинами закачивают пар, нагретый до примерно 200 °C, что позволяет эффективно извлекать нефть. Данная технология хорошо известна и успешно используется на протяжении длительного времени. Она не приводит к обрушениям. Помимо этого, перед бурением даже одной скважины всегда проводят детальное изучение геомеханических свойств пород, чтобы определить наиболее безопасный способ бурения в конкретных геологических условиях.
Истинная геометрия скважины значительно отличается от идеальной прямой линии; инклинометрические данные демонстрируют наличие многочисленных изгибов, углов и закруглений. Это представляет собой сложную структуру, и даже при рассмотрении параллельных скважин, в реальности они не будут строго параллельны в геометрическом плане.
Следует также учитывать, что диаметр горизонтального ствола скважины значительно меньше толщины окружающих пород, обычно составляя около 10–15 см, при глубине разработки порядка 3 тыс. м. Безусловно, для эксплуатации месторождения используются обсадные колонны и другие конструктивные элементы, однако сама скважина представляет собой тонкий, глубокий и укрепленный проход, который сам по себе оказывает незначительное воздействие на устойчивость породы, особенно на значительных глубинах».
Разработчики утверждают, что новая технология более экологична по сравнению с другими методами. Для создания сверхкритической жидкости требуется исключительно чистая вода, не содержащая химических добавок, а использованную жидкость, извлеченную из горных пород, можно очищать и повторно использовать, что обеспечивает рациональное использование природных ресурсов. Эта инновационная технология уже запатентована.
Е.Д. Мухина пояснила, что для получения воды в сверхкритическом состоянии может использоваться специальный парогенератор. Такие установки уже есть как в мире в целом, так и в России. Есть и проекты более мощных установок, способных разогреть жидкость до еще более высоких температур.
«В качестве уточнения: первоначально речь не касалась конкретно воды, а подразумевала закачку любого теплоносителя — вещества или флюида, способного эффективно передавать тепло к керогену, находящемуся в скважине. Изучались различные альтернативы, такие как керосин или нагретая нефть, — ее также можно было бы использовать, нагрев до 300 °C, и, возможно, это принесло бы даже большую эффективность. Однако, этот вариант был признан экономически невыгодным: трудно было рационально обосновать закачку нефти в пласт с последующей ее добычей. В конечном итоге был выбран более оптимальный и доступный метод — закачка перегретой воды», — добавила Е.Д. Мухина.
Влияя на кероген под воздействием температуры и давления, образуются дополнительные продукты: кокс (твердый остаток) и попутный газ. В ответ на вопрос корреспондента «Научной России» необходимо определить, могут ли эти соединения найти применение в промышленности, Елена Дмитриевна ответила:
«В данной ситуации кокс обычно не считается востребованным продуктом, поскольку его количество незначительно. Он остается в пласте в виде твердых обломков или мелкой дисперсии, и его физическое извлечение невозможно. Состав и структура такого кокса также не обладают промышленной ценностью. В то же время, газ выходит на поверхность и извлекается совместно с нефтью. Этот попутный газ отличается от обычного природного газа по своему составу, имея иной набор компонентов. Однако он не задерживается в породе, а вытесняется вместе с основным объемом флюидов. Таким образом, его использование представляется возможным, но будет зависеть от применяемой технологии сбора и переработки».
Полученные данные не являются завершением работы. Исследование предоставило ученым материал для дальнейших размышлений, способных привести к новым открытиям — как теоретическим, так и практическим.
«Мы осознаем, что в исследуемой сфере остается немало неизученных аспектов, которые хотелось бы прояснить. Однако это уже не представляет значительного интереса для индустрии, поскольку подобные физические детали не всегда критичны с промышленной точки зрения. Это действительно способно увеличить эффективность добычи на несколько процентов, однако экономическая выгода от этого будет незначительной. Поэтому мы рассматриваем эти вопросы исключительно с точки зрения научного интереса, — пояснила Е.Д. Мухина. — Будущие исследования также будут сосредоточены на керогенсодержащих сланцевых формациях, поскольку в этой области остается множество неизученных аспектов. Существуют и другие способы повышения нефтеотдачи, включая альтернативные методы температурной обработки пласта. Хотя подача горячей воды и демонстрирует высокую эффективность в увеличении добычи нефти, она все еще требует значительных инвестиций с технической и экономической точек зрения. Поэтому мы надеемся найти более экономичный вариант. Разработанный нами метод на сегодняшний день является одним из немногих доступных, действенных и ресурсосберегающих подходов к нефтедобыче, представляя собой своего рода новаторство. Однако в будущем технологии могут претерпеть изменения. Уже существуют концепции, предполагающие замену воды другим веществом или разработку новой технологии ее доставки. Вариантов множество, и все они связаны с различными способами освоения керогенсодержащих сланцевых формаций».
Специалисты Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха также проводят ряд других значимых исследований.
«Я считаю, что наиболее перспективным является исследование, которое наша команда реализует, в том числе благодаря гранту Российского научного фонда. Проект посвящен генерации водорода в углеводородных месторождениях, особенно газовых. Идея заключается в возможности получения водорода с помощью технологии, аналогичной внутрипластовому горению (за счет закачки воздуха и повышения температуры). Водород будет выделяться как побочный продукт, но при оптимальной настройке процесса его можно получать в значительных объемах. Как известно, это востребованный зеленый энергоноситель. Наша цель – вывести эту технологию на стадию опытно-промышленного применения. Мы уже несколько лет работаем над этим проектом, регулярно выступаем с докладами и публикуем научные статьи, — поделилась Е.Д. Мухина. — Коллеги в центре реализуют разнообразные проекты, определяемые их личными интересами и идеями. В настоящее время меня особенно привлекают уже упомянутая разработка керогенсодержащих сланцевых пород с использованием температурной обработки, а также извлечение водорода. Последний проект, хотя и не связан со сланцами, а основан на использовании обычных газовых месторождений с высокопористой породе, также вызывает большой интерес. Разработка технологии добычи водорода является уникальной, поэтому мы с энтузиазмом работаем над ней».
Источники
Комментарии Е.Д. Мухиной
Информация, предоставленная пресс-службой Сколковского института науки и технологий
Специальный проект ТАСС. Петр Рязанов, Денис Боков (идея), Анна Ток (текст), начальник департамента развития ресурсной базы ПАО «Газпром нефть», кандидат физико-математических наук Айк Назарян (консультации) и другие. Ачимовка. Нефть будущего
ТАСС. Евлалия Самедова. Истощение старых месторождений: что произойдет после снижения объемов добычи легкой нефти
Электронная версия Большой российской энциклопедии, охватывающая период с 2004 по 2017 год). О.А. Синегрибова. Сверхкритические флюидные технологии
Электронная версия Большой российской энциклопедии, охватывающая период с 2004 по 2017 год). Т.Г. Гаспарян. Автоклав
Фото на главной странице: ekina / фотобанк 123RF
Иллюстрации к тексту взяты из личного архива Е.Д. Мухиной; Елена Мухина и другие. / Chemical Engineering Journal / предоставлено пресс-службой Сколтеха; ArtPhoto_studio / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.