Рассмотрение применимости технологии улавливания CO₂ с последующей закачкой в пласт с целью захоронения на месторождениях АО НК «КазМунайГаз»

Полный текст

Введение

С начала промышленной революции в XVIII в. и по настоящее время концентрация парниковых газов (далее – ПГ) в атмосфере имеет тенденцию к постоянному росту. Известно, что наибольшее влияние на изменение климата оказывает выброс CO₂, доля которого в общем объёме выбросов ПГ составляет 80%. CO₂ – продукт сгорания ископаемого топлива в процессах выработки электроэнергии, промышленной деятельности и транспорта.

Республика Казахстан (далее – РК) является стороной Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменений климата¹ (далее – РКИК ООН). В рамках Парижского соглашения, направленного на снижение объёмов выброса парниковых газов², в 2016 г. Казахстан представил Секретариату РКИК ООН свой предполагаемый определяемый на национальном уровне вклад (далее – ОНУВ), выразив готовность к 2030 г. сократить выбросы парниковых газов на 15% от уровня 1990 г., а при условии получения внешней помощи (в виде передачи новых технологий) и благоприятной экономической ситуации довести показатель до 25% [1].

В декабре 2020 г. на Саммите климатических амбиций президент Казахстана заявил, что страна обязуется достичь углеродной нейтральности к 2060 г. [2]. С учётом важности климатической повестки, поддерживая страновые цели по достижению углеродной нейтральности и снижению выбросов ПГ на 15% от уровня 1990 г., в АО НК «КазМунайГаз» (далее – КМГ) принята Программа низкоуглеродного развития до 2031 г.

Программа низкоуглеродного развития КМГ³ соответствует законодательству РК, Стратегии Казахстана по достижению углеродной нейтральности к 2060 г.⁴, Уставу КМГ⁵, Стратегии развития КМГ на 2022–2031 гг.⁶, а также Политике управления выбросами в группе КМГ⁷. Благодаря такому соответствию Программа является неотъемлемой частью корпоративного управления, систематически определяя направления деятельности КМГ в области сокращения выбросов. Программа создаёт единую основу для климатической стратегии КМГ, обеспечивая чёткую и действенную дорожную карту по сокращению выбросов и переходу к низкоуглеродной экономике. Включив в свою стратегическую основу программу по снижению выбросов ПГ, КМГ стремится повысить свою инвестиционную привлекательность и конкурентоспособность, что особенно важно в условиях глобального энергетического перехода.

Материалы и методы

В ходе проведения работы использованы материалы по опыту компании INPEX (Япония), а также в области улавливания и дальнейшей закачки СО₂ в пласт [3]. В рамках изучения материалов и с целью ознакомления с опытом работы компании INPEX группа специалистов осуществила выезд на объект Томакомай (Япония). В результате выезда на промышленный объект японской стороной продемонстрированы объекты улавливания СО₂, нагнетательные скважины, куда происходит закачка уловленного газа, а также продемонстрированы и озвучены программы мониторинга захоронения СО₂. С учётом полученных данных специалистами ТОО «КМГ Инжиниринг» (далее – КМГИ) проведена работа по планированию улавливания и захоронения СО₂ на одном из объектов КМГ.

В рамках проведённой аналитической работы рассмотрены различные подходы для последующей утилизации СО₂. Проведён анализ источников выбросов СО₂, одним из основных критериев которого был объём выбросов СО₂ в годовом эквиваленте 15–20 тыс. т. После определения крупных источников выбросов СО₂ проведён анализ истощенных месторождений группы компании КМГ, находящихся в непосредственной близости с крупными источниками выбросов.

С учётом фильтрационно-ёмкостных свойств, а именно: пористости и проницаемости пластов, наличия массивной флюидоупорной породы, способной противостоять распространению СО₂ по подземному резервуару, а также отсутствия в непосредственной близости источников пресной воды (во избежание риска нарушения работы источников подземного питьевого водоснабжения), следуя принципу технологической цепочки (улавливание, транспортировка, утилизация, мониторинг), в качестве объекта захоронения выбрано одно из месторождений в Западном Казахстане (далее – месторождение Х), находящееся на расстоянии порядка 4 км от объекта улавливания, входящее в группу КМГ.

К настоящему времени в качестве основных вариантов хранилищ СО₂ рассматриваются пласты истощённых залежей углеводородного сырья (далее – УВС) и водоносные горизонты. Специалистами КМГИ в 2022–2024 гг. проведена работа, направленная на выявление и возможность улавливания СО₂ с последующей закачкой в пласт как с целью увеличения нефтеотдачи, так и с целью дальнейшей утилизации и захоронения углекислого газа в водоносные горизонты и истощённые пласты.

Хранение в пластах выработанных залежей месторождения Х

Нефтяные залежи – по типу природного резервуара, пластовые, сводовые, тектонически и литологически экранированные. Границами нефтеносности для всех горизонтов являются контурные воды и тектонические нарушения.

Литологически продуктивные пласты представлены чередованием песчаников, глинистых алевролитов и аргиллитов. Коллекторами являются тонко- и мелкозернистые глинистые песчаники.

Начиная с 1995 г., на месторождении Х реализуется утилизация попутно-добываемых вод в неокомские отложения в пределах горного отвода.

Учитывая критерии для захоронения СО₂, структурный элемент в апт-неокомских отложениях был выбран как потенциальный пласт для геологического захоронения СО₂. Отбор потенциальных горизонтов производился по нескольким критериям:

• отложения апт-неокомских горизонтов залегают на глубине 1400–1700 м;
• горизонты имеют выдержанное распространение в регионе;
• имеют конформное залегание и унаследованный характер от нижележащих триасовых и юрских горизонтов.

Наличие структурного замыкания восточного свода с отсутствием или низким влиянием разломов позволяет рассматривать данный участок для структурного удерживания СО₂, а также провести количественную оценку объёма закачиваемого газа. Глубины залегания аптского и неокомского горизонтов – 1390 и 1460 м соответственно.

Низкий потенциал регионального распространения и риски утечки СО₂ вследствие нарушения целостности имеющихся транзитных скважин являются ограничивающими факторами при выборе истощенных месторождений УВС для закачки СО₂. Основным недостатком этого варианта хранения СО₂ является ограниченное количество геологических данных, которое ведёт к большим геологическим неопределённостям. Может возникнуть необходимость проведения дополнительного детального геологического изучения потенциальных хранилищ.

Важно учесть, что как минеральное удержание, так и растворение CO₂ в поровых жидкостях считаются относительно незначительными в масштабах времени закачки (50 лет и более), поскольку кинетика этих процессов относительно медленная, поэтому они вряд ли сильно повлияют на объём емкости хранилища. Как правило, допускается, что в масштабах времени закачка CO₂, удерживаемого в обычных породах-коллекторах, будет храниться либо в виде газа, либо в виде сверхкритической жидкости в заполненных жидкостью поровых пространствах между зёрнами, составляющими матрицу породы, и/или любых заполненных жидкостью трещинах. Более того, подавляющее количество CO₂ будет захвачено либо в структурных и/или стратиграфических ловушках, либо капиллярными силами в качестве остаточного насыщения. Многие оценки ёмкости хранилища CO₂ фокусируются на этих двух механизмах удержания на том основании, что неопределённости в оценке, вызванные другими факторами, намного больше, чем те, которые вызваны игнорированием растворения, минеральной реакции и адсорбции.

Отложения неокомского горизонта подразделяются на глинисто-карбонатно-песчанистую пачку готерива и преимущественно глинистую пачку баррема. Толщина варьируется в пределах от 398 до 512 м. Слагающие горизонт глины серовато-зелёные, кирпично-красные с неровным изломом, алевритовые, редко слоистые, с тонкими прослоями светло-серого алеврита и чешуйками слюды по плоскостям наслоения, неизвестковистые. Пески и песчаники зеленовато-серые, мелкозернистые, слюдистые, карбонатно-глинистые.

В пределах рассматриваемого участка альб-сеноманский комплекс выступает в качестве буферного горизонта. Общая мощность альб-сеноманского комплекса на рассматриваемом участке довольно выдержана и составляет около 530–690 м.

Мощная карбонатная толща верхнего мела и глинисто-карбонатные образования палеогена надежно изолируют пласты нижнего мела от грунтовых вод четвертичных отложений, а также поверхностных водоёмов и водотоков.

По результатам работ по мониторингу утилизации попутно-добываемых вод юрский резервуар не имеет существенной связи с вышезалегающими песчаниками неокома. Он основан на отсутствии значительного изменения уровня жидкости в наблюдательных скважинах Х1, Х2, Х3, которые закончены в юрских песчаниках.

Выбор объекта для улавливания СО₂

В качестве объекта улавливания рассмотрена установка по комплексной подготовке газа (далее – УКПГ) на выбранном месторождении Х. Следующие параметры приняты в качестве исходных данных:

• объём выхлопных газов – 130 млн м³/г.;
• объём СО₂ в составе выхлопных газов – 11,7 млн м³/г.;
• вес СО₂ в составе выхлопных газов – 22500 т/сут;
• мольное содержание СО₂ в составе выхлопных газов – 10%моль.;
• давление выхлопных газов – 1–1,1 бар (абс.), 0–0,1 бар (изб.);
• температура выхлопных газов – 200–400°С;
• глубина нагнетательной скважины – 1450 м;
• пластовое давление – 145 бар;
• температура пласта – 45–60°С;
• расстояние от объекта улавливания до предполагаемого места бурения нагнетательной скважины – 5 км

Результаты

Используя данные, указанные выше, выполнены расчёты в программе (далее – ПО) UniSim Design, где смоделирован технологический процесс от забора дымовых газов до закачки уловленного СО₂ в пласт.

Дымовые газы в объёме 356164 м³/сут от семи газовых компрессоров рассматриваемой УКПГ (в среднем от одного компрессора дымовые газы составляют 50880 м³/сут) с температурой 200–400°С и давлением 0,1 бар (здесь и далее указано избыточное давление) по проектируемому стальному трубопроводу коллектору дымовых газов диаметром 1220 мм направляются на блок охлаждения дымовых газов.

Расстояние от точки забора дымовых газов до блока охлаждения дымовых газов принято ориентировочно 80 м. Охлаждение дымовых газов предусматривается снизить с 200–400°С до 40°С. Охлаждение по модели выполнено за счёт кожухо-трубного теплообменника. В данной модели использован бифенил, но возможен вариант с использованием колонны с противопотоком холодной воды или другой теплообменной жидкости.

Далее поток направляется на вход воздуходувки или вакуумного компрессора. Расстояние от блока охлаждения дымовых газов до воздуходувки или вакуумного компрессора принято ориентировочно 50 м. По результатам технологических расчётов определено, что давление на входе компрессора составит порядка 0,04 бар. Увеличение давления дымовых газов предусмотрено от 0,04 до 0,45 бар. Решение об использовании воздуходувки или вакуумного компрессора необходимо принять на этапе детального проектирования при подборе оборудования совместно с заводами-изготовителями.

Далее поток направляется на установку аминовой очистки с целью улавливания СО₂ из потока дымовых газов. Аминовая установка с использованием метилдиэтаноламина (далее – МДЭА) для улавливания СО₂ – это одна из технологий химической абсорбции, которая используется для извлечения СО₂ из дымовых газов. МДЭА отличается высокой избирательностью и термической устойчивостью, что делает его особенно популярным в таких процессах. Газовый поток (дымовые газы) контактирует с раствором МДЭА в абсорбционной колонне. СО₂ связывается с МДЭА. С верхней части колонны абсорбера дымовые газы удаляются на свечу рассеивания. С нижней части колонны абсорбера уловленный СО₂ с аминовым раствором направляется на колонну десорбера для регенерации аминового раствора. Насыщенный раствор СО₂ нагревается в десорбционной колонне. Высокая температура высвобождает СО₂, а МДЭА возвращается в цикл для повторного использования.

Состав раствора МДЭА для улавливания CO₂:

• МДЭА является основным активным компонентом, связывающим СО₂ (в модели принято 11,7%моль.);
• вода служит растворителем для МДЭА и обеспечивает необходимую текучесть раствора (в модели принято 86,4%моль.);
• пиперазин (активатор) улучшает эффективность поглощения, особенно при низких парциальных давлениях СО₂ (в модели принято 1,8%моль.).

После колонны десорбера поток СО₂ и воды при температуре 104°С в паровой фазе направляется на блок охлаждения типа АВО (аппарат воздушного охлаждения), где температура потока снижается до 35–40°С. После охлаждения поток направляется на вертикальный сепаратор для отделения свободной и капельной воды от газового потока СО₂. Давление СО₂ в этой точке составит 0,15 бар.

Далее влажный поток СО₂ направляется на блок осушки – адсорбер. На данном блоке выполняется осушка потока СО₂ от влаги, что позволит снизить коррозионную активность потока СО₂. Однако на данный момент отсутствует информация об уровне осушки СО₂ и его дальнейшей коррозионной активности на практике. В связи с этим, несмотря на осушку СО₂ от влаги, далее все трубопроводы и оборудование предусматриваются также коррозионно-стойкого исполнения по всему проекту в целом. Давление СО₂ в этой точке составит 0,1 бар.

Далее после блока осушки СО₂ от влаги предусмотрен вакуумный компрессор на давление на выходе 25 бар. После этого поток СО₂ направляется на основной дожимной нагнетательный компрессор. Давление после нагнетательного компрессора составит 80 бар.

Далее поток СО₂ транспортируется по нагнетательному стальному подземному трубопроводу диаметром 80 мм до нагнетательной скважины на расстояние порядка 5 км. Наиболее оптимально расположить нагнетательный компрессор рядом с объектами улавливания СО₂. Это позволяет запитать оборудование от более мощных источников электроснабжения, а также использовать общую операторную для всего комплекса оборудования. Основное преимущество в том, что СО₂ по мере транспортировки до скважины остынет, т.к. отдаст свою температуру в грунт. Снижение температуры приведёт к тому, что СО₂, который в начале трубопровода был в газовой фазе, к концу трубопровода перейдёт в жидкую фазу. Давление в конце трубопровода составит 78,7 бар, температура 5°С.

Таким образом, в ПО UniSim Design были смоделированы технологические процессы до устья нагнетательной скважины. Поскольку ПО UniSim Design не специализируется на расчётах по нагетательным скважинам, далее расчёты по технологическим параметрам потока СО₂ в скважине были выполнены в ПО Pipesim.

Расчётами в ПО Pipesim подтверждено, что при давлении на устье нагнетательной скважины 78,7 бар и с учётом насосно-компрессорных труб с наружным диаметром 48 мм и толщиной стенки 4 мм (внутренний диаметр 40,3 мм) давление на забое составит 145 бар. Таким образом, определены технологические параметры и затрачиваемая энергия по проекту.

Обсуждение

Выполнен полный цикл технологических расчётов, при этом имеются технологические вопросы по SO₂ и NOₓ, которые образуются в дымовом газе вместе с СО₂, требующие отдельного рассмотрения совместно с заводами-изготовителями на последующих этапах проектирования.

На рис. 1 приведена базовая схема сбора дымовых газов, улавливания СО₂ и дальнейшей закачки в пласт с целью захоронения, построенная в ПО Unisim Design специалистами КМГИ.

 

Рисунок 1. Базовая схема системы сбора дымовых газов, улавливания СО₂ и его закачки в пласт

Figure 1. Basic scheme of the flue gas collection, CO₂ capture, and injection into the reservoir system

 

Заключение

В целях закачивания и хранения выбрасываемого СО₂ произведён скрининг перспективных ловушек, расположенных непосредственно вблизи разрабатываемых месторождений КМГ. Оценивались регионы с наибольшими выбросами в радиусе 100 км от указанных источников выбросов. С целью проведения аналитических исследований по определению возможности улавливания и захоронения СО₂ в качестве объектов выбросов выбрана УКПГ на одном из месторождении КМГ в Западном Казахстане.

Итогом проведённого исследования является выбор участка для закачки и захоронения объёма уловленного СО₂ с рассмотрением технической осуществимости улавливания газа и дальнейшей транспортировки до места закачки.

На территории РК данная технология не применялась, поэтому использовался опыт работ, проведённых в других странах, показавший положительный эффект в данном направлении.

Решение о дальнейшем применении данной технологии будет приниматься на основе экономических факторов, поскольку на территории РК данная технология планируется к осуществлению впервые, рассмотренные материалы исполнения оборудования, которые планируются использовать в рамках пилотного проекта, не производятся на территории РК, в связи с чем возникает вопрос оптимизации затрат при осуществлении закачки СО₂.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Нугиев М.А. – анализ и подбор опытного участка, сбор данных и анализ опубликованных технических материалов, проведение встреч и обсуждений с лицензиарами технологии по закачке СО₂; Есбатыр А.М. – осуществление гидравлических расчетов по процессу улавливания и транспортировки СО₂, анализ возможных ослождений в процессе закачки; Сейтов А.К. – подбор материалов и конструкции скважины для закачки СО₂.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. The authors declare that they received no external funding for this study.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Maxat A. Nugiyev – analysis and selection of a pilot site, data collection and analysis of published technical materials, meetings and discussions with licensors of СО₂ injection technology; Ardak M. Yesbatyr – implementation of hydraulic calculations for the СО₂ capture and transportation process, analysis of possible complications during injection; Aidyngali K. Seitov – selection of materials and well design for СО₂ injection.

 

¹ РКИК ООН – международное климатическое соглашение о совместной борьбе с последствиями опасного вмешательства человека в естественные природные системы, которое стало причиной глобального изменения климата. Вступило в силу 21.03.1994 г.

² Парижское соглашение – соглашение в рамках РКИК ООН, регулирующее меры по снижению содержания углекислого газа в атмосфере с 2020 г. Принято 12.12.2015 г., подписано 22.04.2016 г.

³ Программа низкоуглеродного развития АО НК «КазМунайГаз» до 2060 г. – стратегия, направленная на сокращение выбросов парниковых газов и переход к низкоуглеродной экономике, поддерживающая национальную цель РК по достижению углеродной нейтральности к 2060 г. Утверждена протоколом Совета директоров КМГ от 13.11.2024 г. за №23/2024.

⁴ Стратегия Казахстана по достижению углеродной нейтральности к 2060 г. предусматривает поэтапное снижение выбросов парниковых газов путем перехода на низкоуглеродную экономику. Утверждена Указом Президента РК от 02.02.2023 г. №121.

⁵ Устав АО НК «КазМунайГаз» утверждён решением Общего собрания акционеров АО НК «КазМунайГаз» от 30.05.2023 г.

⁶ Стратегия развития АО НК «КазМунайГаз» на 2022–2031 гг. ориентирована на устойчивое развитие с акцентом на низкоуглеродное развитие и ESG-принципы. Утверждена Советом директоров АО НК «КазМунайГаз» в ноябре 2021 г.

⁷ Политика управления выбросами в группе компаний АО НК «КазМунайГаз» утверждена решением Правления АО НК «КазМунайГаз» от 28.03.2019 г., протокол №15.

Об авторах

Максат Амангельдыевич Нугиев

КМГ Инжиниринг

Автор, ответственный за переписку.
Email: m.nugiyev@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0007-2553-8746
Казахстан, Астана

Ардақ Мұратұлы Есбатыр

КМГ Инжиниринг

Email: a.yesbatyr@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0008-4778-0530
Казахстан, Астана

Айдынгали Кабдыгалиевич Сейтов

КМГ Инжиниринг

Email: a.seitov@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0008-6302-5500

канд. техн. наук, PhD

Казахстан, Астана

Список литературы

Дополнительные файлы