Важной проблемой современности является глобальное потепление. Согласно докладу Всемирной метеорологической организации, концентрация углекислого газа увеличилась на 11,4 % всего за последние 20 лет. Уровень парниковых газов растет, обрекая планету на повышение температуры на многие годы вперед. Одним из возможных выходов считается улавливание, использование и хранение СО2 в нефтяных скважинах, откуда газ не выходит на поверхность. Однако те сложные реакции, которые происходят между ним, горной породой и жидкостью в ней, до сих пор изучены недостаточно. Ученые Пермского Политеха исследовали изменения в структуре пласта при взаимодействии с углекислым газом и выяснили, что его закачка в горную породу ведет к блокированию пор – это и снижает их проницаемость на 60-70% и тем самым мешает добыче нефти. Результаты помогут лучше понять, как оптимизировать закачку углекислого газа.
Статья опубликована в журнале «Chemical Engineering Journal», т. 506, 2025. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Парниковый эффект ведет к повышению температуры на планете, задерживая солнечное тепло. Это естественный процесс, но на него значительно влияет деятельность человека. Ископаемые виды топлива, такие как нефть, остаются основными источниками энергии, однако при их сжигании в атмосферу выделяются парниковые газы. Среди них – углекислый, который усиливает глобальное потепление, поэтому его необходимо как-то утилизировать.
Эффективным решением считается улавливание, использование и хранение этого газа в нефтяных пластах. Его очищают от примесей, сжимают и под высоким давлением закачивают в пласт, где смешивают с жидкостью внутри. Это также увеличивает текучесть нефти и тем самым повышает ее добычу. Технология пользуется популярностью, однако микроскопические процессы и то, как растворение газа влияет на свойства породы, все еще изучены недостаточно. Сложные физико-химические реакции между углекислотой – растворенным в воде углекислым газом – и породой может влиять на физические свойства последней: пористость, проницаемость, смачиваемость и так далее. От них зависит, как много нефти получится выкачать из пласта.
Ученые Пермского Политеха изучили, что происходит, когда углекислый газ закачивают в горные породы для безопасного хранения.
Они провели эксперимент на керне – образце длиной 20 мм и диаметром 10 мм, вырезанном из горной породы. Его высушили, проверили на герметичность и просканировали через томограф, в результате чего получили 3D-изображения и возможность рассмотреть поры. Затем его заполняли дистиллированной водой, насыщенной углекислым газом, после чего проводили повторное сканирование, чтобы увидеть и сравнить изменения в структуре. В процессе эксперимента измерялось количество жидкости, выходящей из керна, а также изучались жидкость и осадок, которые образовались в результате реакции.
Выяснилось, что закачка углекислого газа влияет на проницаемость пласта – этот показатель крайне важен для нефтедобычи.
– Эксперимент показал, что углекислота приводит к неоднозначным изменениям в структуре пор. Растворяясь в пластовой воде, она вступает в химическую реакцию с горной породой и тем самым запускает два противоположных процесса. Вначале газ разрушает тонкие стенки между порами, делая их больше (за счет увеличения пустот, сквозь которые течет жидкость, увеличивается и проницаемость): после 35 часов реакции пористость повысилась почти на 2% (с 14 до 16%). Однако позднее в результате этой реакции образуется осадок карбоната калия в виде кристаллов, которые могут блокировать поры и этим мешать нефтедобыче. Это приводит к резкому уменьшению проницаемости, – комментирует Дмитрий Мартюшев, профессор кафедры нефтегазовых технологий ПНИПУ, доктор технических наук.
При дальнейшей закачке углекислоты начинает выпадать карбонат магния. Поначалу он выглядит как пушистый осадок с рыхлой структурой и крупными порами – такая структура временно улучшает проницаемость породы. Однако потом он начинает образовывать чешуйчатые кристаллы, из-за чего ток жидкости снова усложняется и поры продолжают блокироваться. В результате проницаемость породы снижается на 60-70% по сравнению с первоначальной.
Исследование ученых Пермского Политеха поможет лучше понять, как безопасно закачивать углекислый газ в пласты, чтобы хранить его и добывать больше нефти. Этот процесс оказался более сложен, поэтому прежде, чем использовать газ для повышения нефтеотдачи или утилизации в пластах, политехники рекомендуют проводить лабораторные исследования его взаимодействия с водой и горной породой, чтобы исключить негативные последствия, которые ведут к снижению добычи. В будущем ученые планируют провести дополнительные эксперименты с разной скоростью потока и давлением, чтобы изучить, как эти факторы влияют на закупорку пор.
