Модернизация добычи нефти на основе технологий улавливания, использования и хранения СО2

Наталия ПОПАДЬКО
Доцент кафедры стратегического управления топливно-энергетическим комплексом, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, к. т. н.
e-mail: popadko.n@gubkin.ru

Илья КУРОШЕВ
Нач. отдела металлургической, нефтегазовой и горнорудной промышленности ФГАУ «НИИ «ЦЭПП»

Ольга ЕЖОВА
Зам. нач. отдела металлургической, нефтегазовой и горнорудной промышленности ФГАУ «НИИ «ЦЭПП»

Юлия УХИНА
Зам. нач. отдела металлургической, нефтегазовой и горнорудной промышленности ФГАУ «НИИ «ЦЭПП»

Артем ПЕНИГИН
Руководитель по разработке продуктов газовых МУН и декарбонизации ООО «Газпромнефть НТЦ»

Мария ДЫМОЧКИНА
Ведущий эксперт ООО «Газпромнефть НТЦ»

Павел БЕЛОВУС
Главный специалист ООО «Газпромнефть НТЦ»

Введение

Внедренная в российское законодательство ФЗ‑219 [1] концепция наилучших доступных технологий (НДТ) запустила процесс постадийного перехода промышленности на более совершенные технологии, сопровождающийся модернизацией производственных мощностей с сопутствующим снижением негативного воздействия на окружающую среду и повышением ресурсной эффективности.
Установленные Правительством подходы к определению НДТ должны обеспечить реализацию политики повышения ресурсной эффективности в промышленности – а именно снижение потребления сырья, материалов, энергии и воды в производственных процессах, сокращение эмиссий (выбросов, сбросов загрязняющих веществ, отходов, потерь вещества и энергии и пр.) и вовлечение в экономический оборот вторичных ресурсов.
Перечисленные факторы направлены на формирование экономики замкнутого цикла и устойчивое развитие промышленности [2], где особая роль отведена отраслевым информационно-­техническим справочникам по наилучшим доступным технологиям (ИТС НДТ).

Перспективные технологии добычи нефти

Так в начале 2022 г. вступил в действие актуализированный ИТС НДТ 28–2021 «Добыча нефти» [3], который содержит описание отрасли, технологически выверенные данные о применяемых НДТ добычи нефти, и соответствующих им маркерных веществах, технологических показателях НДТ и показателях ресурсной и энергетической эффективности.
Показатели ресурсной и энергетической эффективности в ИТС НДТ приняты на основе анализа ресурсоемкости производства, где основным ресурсом выступает топливный газ и электрическая энергия (таблица 1).

Отдельно в ИТС НДТ представлен перечень перспективных технологий добычи нефти.
Перспективными технологиями приняты технологии, которые находятся на различных стадиях промышленного внедрения на предприятиях и характеризуются более высоким количественным уровнем качественных показателей, применяемых в текущих НДТ.
В частности, в ИТС НДТ 28–2021 «Добыча нефти» к перспективным технологиям отнесены:
улавливание, транспортировка, хранение и использование углекислого газа промышленных объектов;
мониторинг вторичной эмиссии углекислого газа в процессе реализации климатических мероприятий по его закачке и хранению и др.
Улавливание, транспортировка, хранение углекислого газа промышленных объектов. Невозможность снижения эмиссии парниковых газов в производственном процессе определяет возрастающую потребность в их утилизации с помощью внешних технологических решений. Такими решениями могут служить технологии улавливания, транспортировки и захоронения парниковых газов, в том числе углекислого газа, в специальных подземных хранилищах.
Создание хранилищ в Российской Федерации, как и во всем мире, основывается на подходах, учитывающих естественные гидрогеологические, гидродинамические и геотермические режимы подземных геологических структур, которое, тем более, не должно приводить к вторичной эмиссии парниковых газов в атмосферу из-за возможной миграции СО2 через литологические окна, трещины и разломы в породах [4].
Масштабность реализации проектов по захоронению углекислого газа напрямую зависит от размещения крупных углеродоемких производств, которые формируют запрос на необходимый объем хранения углекислого газа.
К наиболее соответствующим указанным требованиям очевидно относятся нефтегазоносные пласты традиционных регионов добычи нефти и природного газа России.
Так в настоящее время в России, например, в ПАО «Газпром нефть» рассматривается пилотный проект захоронения СО2 не менее 20 млн т в год.
Однако захоронение углекислого газа не всегда является единственно возможным решением по снижению эмиссий парниковых газов.
Использование углекислого газа промышленных объектов. Использование углекислого газа как ресурса в том же нефтедобывающем секторе открывает новые возможности.
В общепринятом понимании к ресурсам относят используемые и потенциальные источники удовлетворения потребностей общества, которые укрупненно можно подразделить на материальные, энергетические и пр. [5].
Парниковые газы до определенного момента не рассматривались с точки зрения ресурса. Чаще к вторичным ресурсам относили возвращаемые промышленные сточные воды или отходы, формируя тем самым замкнутый цикл производства.
По данным Национального кадастра энергетический сектор вносит наибольший вклад в выбросы парниковых газов (более 50 % от общего количества). При этом отраслевая эмиссия диоксида углерода от основных операций по добыче нефти и газового конденсата – эмиссия от утечек и испарения, газоотведения, сжигания ПНГ в 2019 г. составила 40,7 млн т [6].
Следовательно, реализация перспективных технологий добычи нефти характеризуется собственной высокой обеспеченностью выбросами диоксида углерода.
К таким перспективным технологиям использования углекислого газа отнесены третичные методы увеличения нефтеотдачи (МУН), нацеленные на повышение нефтедобычи на месторождении.
МУН. Эксплуатация месторождений нефти сопровождается четырьмя основными стадиями разработки, к которым отнесены:
освоение месторождения и выход на эксплуатационный режим;
период максимальной добычи нефти;
период снижения производства или падающей добычи;
завершение использования скважины.
На первой стадии разработки месторождения МУН не применяются. Добыча, как правило, характеризуется естественным «легким» выходом нефти на поверхность и обусловлена высоким давлением в пласте. Собственная эффективность извлечения нефти – коэффициент извлечения нефти (КИН) может доходить до 30 %.
На последующих двух стадиях разработки месторождения применение МУН обуславливается снижением давления нефтегазоносных пластов. На второй стадии разработки интенсивное извлечение нефти обеспечивается вводом в эксплуатацию оставшихся скважин и использованием вторичных МУН. Удержание или увеличение уровня добычи нефти достигается искусственно созданным поддержанием пластового давления за счет заводнения пластов или закачки попутного нефтяного газа. КИН при этом достигает 30–50 %.
Третья стадия разработки месторождений сопровождается падающей добычей в связи с естественным истощением запасов нефти в пластах. Для поддержания уровня нефтедобычи применяются третичные методы, направленные на изменение физических свой­ств добываемых углеводородов и облегчения их извлечения. Методы подразделяются на тепловые и химические, методы закачки газов и прочие. В качестве ресурса в зависимости от выбранного метода могут применяться:
пар, горячая вода, внутрипластовое горение;
углекислый газ, углеводородные газы, азот, дымовые газы;
щелочные растворы, ПАВ, полимеры.
К прочим методам отнесены микробиологические, акустические, электромагнитные способы увеличения нефтеотдачи. Эффективность извлечения нефти с помощью третичных МУН характеризуется показателями в 50–80 % [7].
СО2-МУН. По оценкам The International Energy Agency (IEA), в настоящее время в мире действует около 375 проектов повышения нефтеотдачи (рис. 1) [8].

Почти половину из них представляют третичные методы повышения нефтедобычи, основанные на закачке газов, а именно СО2-МУН, направленные на улавливание, транспортировку, хранение и использование углекислого газа.
В период с 2025 по 2040 гг. прогнозируется рост общей добычи нефти с использованием третичных МУН с 341 тыс. т в сутки до более чем 613 тыс. т в сутки.

Оценка ресурсной эффективности перспективных технологий добычи нефти

Ресурсная эффективность представляет собой эффективность потребления природных и иных ресурсов, используемых при производстве той или иной продукции [9].
Применительно к НДТ, оценка ресурсной эффективности и установление в ИТС НДТ показателей ресурсной и энергетической эффективности являются неотъемлемой частью определения технологий как наилучших доступных [10, 11].
Таким образом, представляется необходимым проведение предварительной оценки ресурсной эффективности перспективных технологий в целях выявления потенциальных показателей для установления в ИТС НДТ при широком распространении технологий и перевода их в наилучшие доступные.
Методы оценки и показатели. Для оценки технологий с точки зрения ресурсной эффективности предлагается использовать эксергетический метод термодинамического анализа. Метод успешно применяется в различных отраслях промышленности с конца 1960‑х гг. и считается универсальным в части используемых характеристик и конечных показателей для сравнения внутри отрасли, так как позволяет все характеристики процесса (технологии) выразить единым показателем [12].
Основу метода составляют оба начала термодинамики. Метод позволяет определить для различных технологических процессов их эффективность (максимальную работу, которую может совершить система), потери (от необратимости физических или химических реакций), а также разработать рекомендации по практическому совершенствованию технологических процессов и т. д. Метод успешно апробирован при оценке технологий, применяемых в металлургии, и является актуальным на сегодняшний день [13, 14].
Указанный метод описан в одном из недавних исследований технологических проектов по улавливанию, транспортировке, хранению и использованию углекислого газа в нефтедобыче [15]. В основе исследования была положена эксергетическая оценка СО2-МУН с учетом некоторых допущений и сценариев.
Анализ проводился в несколько этапов, включая определение границ технологии, распределение эксергетических потоков и максимальной работы продукционной системы.
Так в границы СО2-МУН включены отдельные процессы: улавливание эмиссии от источников выбросов, очистка и сжатие углекислого газа, последующая транспортировка, и закачка в отработанные нефтегазоносные платы и т. д. (рис. 2).

Проведено распределение эксергетических потоков технологии на материальные и рабочие (рис. 3).

К материальным потокам отнесены входящие и циркулирующие в продукционной системе отходящие дымовые газы, углекислый газ в их составе, попутный нефтяной газ (ПНГ), нефтегазоводяная смесь (НГВС), вода и нефть с характеристиками химической эксергии «рабочих» тел.
К рабочим потокам – операции в составе всего технологического процесса, осуществляемые с «рабочим телом». В качестве характеристик рабочих потоков принимаются КПД используемого оборудования, термодинамические свой­ства потоков – давление, температура, энтропия и энтальпия.
По мнению исследователей, [16] вся концепция расчета может быть описана одной основной формулой:

где:
Éx – эксергетический коэффициент системы;
Éxke – кинетическая эксергия (основа – скорость рабочего потока);
Éxp – потенциальная эксергия (основа – скорость рабочего потока);
Éxph – физическая или термомеханическую эксергия (разница температуры и давления рабочего потока);
Éxch – химическая эксергия (основа – химический потенциал компонентов материального потока).
Результаты исследований позволяют сделать выводы о том, что:
жизненный цикл CO2 в третичных МУН возможно оценить с помощью эксергетического метода;
эксергетический коэффициент CO2-МУН зависит от эффективности использования CO2, который по расчетам ПАО «Газпром нефть» определяется в пределах 2–3 т СО2 на тонну дополнительно добытой нефти.
наивысший эксергетический коэффициент СО2-МУН может быть достигнут при повторной закачке в пласт выделенного из нефтегазоводяной смеси ПНГ без разделения на отдельные компоненты;
для усиления эффекта нефтеотдачи закачку диоксида углерода необходимо чередовать с заводнением пластов.

Потенциал модернизации добычи нефти

Модернизация производства является неотъемлемым процессом совершенствования технологий, отвечающая задачам времени и современным вызовам.
В повестке настоящего времени, как мы определили ранее значительное место отведено декарбонизации промышленности и использованию механизмов экономики замкнутого цикла.
Определены показатели, которыми целесообразно оперировать при постановке вопроса о декарбонизации одного из самых углеродоемких секторов экономики.
В рамках, применяемых НДТ показатели ресурсной эффективности могут быть расширены показателями вторичных методов нефтедобычи:
коэффициент использования ПНГ;
коэффициент использования воды (заводнение пластов).
Ресурсная эффективность перспективных технологий (СО2-МУН) может быть оценена с помощью эксергетического коэффициента CO2-МУН и коэффициента эффективности использования диоксида углерода. А также коэффициента использования ПНГ и воды (заводнение пластов) при совокупном применении вторичных и третичных методов нефтеотдачи.
Величина эффективности использования диоксида углерода в перспективных технологиях может быть использована в целях национального отраслевого бенчмаркинга [17]. Согласно Поручениям Правительства РФ [18] установление в ИТС НДТ показателей удельных выбросов парниковых газов станет ориентиром достижения углеродной нейтральности в добыче нефти.
Эффект от реализации перспективных технологий повышается за счет решения сразу нескольких задач:
использования диоксида углерода из отходящих газов антропогенных источников эмиссий;
использования ПНГ для повышения нефтеотдачи вместо сжигания на факельных установках при отсутствии возможности использования на собственные нужды или отправки на газоперерабатывающий завод (ГПЗ);
возможности возврата в цикл вторичной эмиссии СО2 из ПНГ;
возможности комбинированного использования вторичных и третичных МУН;
повышения добычи нефти и увеличение срока эксплуатации месторождения.
снижения выбросов парниковых газов в углеродоемком секторе экономики.

Выводы

Основу обеспечения низкоуглеродного развития страны определяют общие национальные и отраслевые меры реализации Стратегии социально-­экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г. [19].
К национальным мерам отнесено регулирование выбросов диоксида углерода (углекислый газ), метана, закиси азота и других парниковых газов в различных секторах экономики и отраслях промышленности [20].
К отраслевым – внедрение наилучших доступных и перспективных технологий с контролируемыми и управляемыми показателями ресурсоемкости.
Представленные выше показатели и результаты эксергетической оценки вторичных методов повышения нефтеотдачи и перспективных технологий позволяют получить обоснованное представление о направлении модернизации технологий добычи нефти в целях перехода к технологически обоснованному и возможному замкнутому циклу производства, повышению ресурсной эффективности и снижению выбросов парниковых газов.