СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ВОДОНОСНОМ ПЛАСТЕ Российский патент 2014 года по МПК B65G5/00 E21F17/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области охраны окружающей среды от загрязняющих атмосферу техногенных выбросов парниковых газов, а именно к способам утилизации и захоронения в недрах диоксида углерода - углекислого газа (СО₂) - путем его закачки в водоносный пласт. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность синтеза углеводородов с использованием диоксида углерода.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время в мире остро стоит проблема утилизации диоксида углерода, выбрасываемого в большом количестве в атмосферу промышленными предприятиями, что влечет за собой потепление климата планеты. Поэтому в Западной Европе, США, Китае, Индии и других странах интенсивно проводятся различные исследования по утилизации и захоронению углекислого газа в промышленных масштабах.

Известен способ утилизации диоксида углерода путем закачки его в подземный нефтеносный пласт в виде карбонизированной воды (в растворенном в воде состоянии) при разработке нефтяных залежей [Желтов Ю.П. Разработка нефтяных месторождений. М.: Недра, 1999, с.249-253]. Наибольшее распространение способ получил на месторождениях США, что объясняется наличием в стране месторождений углекислого газа, а также расположением значительного числа нефтеперерабатывающих заводов вблизи разрабатываемых месторождений нефти.

Согласно данному способу на месторождении бурят систему добывающих и нагнетательных скважин. В нагнетательные скважины осуществляют закачку карбонизированной воды. Для этого на промысле в закачиваемую в пласт воду добавляют диоксид углерода, который хорошо растворяется в воде. Эта карбонизированная вода выполняет следующие функции:

- осуществляет поддержание пластового давления в месторождении в процессе его разработки с целью извлечения нефти; при этом она вытесняет нефть к забоям добывающих скважин;

- диоксид углерода, растворенный в воде, хорошо растворяется в нефти и остаточной воде, находящейся в пласте до начала разработки месторождения. В результате снижается вязкость нефти, увеличивается ее газосодержание, уменьшается ее плотность, нефть увеличивается в объеме. Остаточная вода также увеличивается в объеме, возрастает ее газосодержание, снижается вязкость воды. Данные факторы приводят к тому, что водная фаза лучше вытесняет нефть из порового пространства. Дополнительно имеет место снижение межфазного натяжения на границе нефти с водой.

В конечном итоге возрастают значения текущего и конечного коэффициента извлечения нефти до 10% и более [Желтов Ю.П. Разработка нефтяных месторождений. М.: Недра, 1999, с.249-253; Cinar Y., Riaz A., Tchelepi Н.А. Experimental study of CO2 injection into saline formations // SPE Journal. 2009. Vol.14, №4, p.588-594].

Недостатками данного способа являются следующие:

- известно, что большинство месторождений разрабатывают на основе заводнения пласта, то есть при закачке в пласт воды из доступных источников (из реки, моря, подрусловая вода, вода из водоносного горизонта). Это делается в значительной мере по причине минимизации затрат в начальные годы разработки. Поэтому неповсеместное распространение закачки диоксида углерода объясняют удорожанием соответствующей технологии разработки;

- рассматриваемый способ-аналог требует, чтобы источник диоксида углерода находился недалеко от разрабатываемого месторождения. В противном случае дополнительная добыча нефти за счет закачки карбонизированной воды не окупает соответствующие затраты;

- согласно дальнейшему изложению в реализуемом способе утилизации диоксида углерода не учитывают новые представления в генезисе углеводородов.

Известны способы захоронения диоксида углерода путем его закачки в истощенные залежи газа или в подземные подсолевые водоносные пласты [Galis Н., Cawley S., Bishop S., Todman S., Gas F. CO2 injection into depleted gas reservoirs // J. Petrol. Techn. 2010. №7, p.76-79; Cinar Y., Riaz A., Tchelepi H.A. Experimental study of CO2 injection into saline formations // SPE Journal. 2009. Vol.14, №4, p.588-594].

Данные способы захоронения диоксида углерода вполне реалистичны, т.к.:

- все они базируются на известных методах геологии, геофизики изучения и исследования тех объектов, куда предполагают закачивать диоксид углерода. Именно на основе этих методов и выявляют наиболее подходящие объекты;

- известные способы базируются на технике и технологии, используемой в нефтяной и газовой промышленности. В их число входят техника и технология бурения соответствующих нагнетательных скважин, насосы и компрессоры, промысловое оборудование (сепараторы, теплообменники и др.), позволяющие подготавливать для закачки и осуществлять закачку диоксида углерода в истощенную залежь газа или в водоносный пласт;

- при обосновании соответствующего проектного документа используют современные методы трехмерного (3D) компьютерного моделирования, а также проводят лабораторные эксперименты и исследования по совершенствованию расчетных алгоритмов;

- имеются примеры практической реализации способа закачки диоксида углерода в истощенную залежь газа [Galis Н., Cawley S., Bishop S., Todman S., Gas F. CO2 injection into depleted gas reservoirs // J. Petrol. Techn. 2010. №7, р.76-79]. A главное, традиционные подземные газохранилища, создаваемые как в истощенных залежах газа, так и в водоносных пластах, демонстрируют реалистичность способов утилизации диоксида углерода в таких природных объектах;

- созданы и создаются методы контроля за процессом закачки и хранения в пласте диоксида углерода.

Вместе с тем, эти способы-аналоги не являются универсальными и характеризуются следующими недостатками:

- истощенные залежи газа обычно находятся далеко от промышленных источников выброса диоксида углерода в атмосферу;

- реализация рассматриваемых способов захоронения диоксида углерода рассчитана на неокупаемость капитальных и эксплуатационных затрат. Так как полезность воздействия на климат планеты затруднительно рассчитать и учесть, поэтому для инвесторов эти способы не привлекательны. Остается единственный, но неестественный стимул для реализации данных способов - это штрафные санкции за выбросы диоксида углерода в атмосферу.

Для предложенного изобретения наиболее близким аналогом является способ захоронения диоксида углерода в водоносном пласте. При этом следует отметить следующее:

- водоносные пласты в принципе более доступны (по сравнению с истощенными залежами газа) для целей утилизации диоксида углерода. Однако на сегодня отсутствуют строгие критерии выбора пластов для целей утилизации. Так, в случае застойных водоносных пластов затруднительно складирование в них больших объемов диоксида углерода, поскольку его растворение будет определяться, в основном, слабо протекающими диффузионными процессами. Закачка же диоксида углерода в подземные водоносные пласты с активным, но неконтролируемым режимом фильтрации и без учета структурных особенностей залегания этих пластов может приводить к быстрому поступлению диоксида углерода обратно в атмосферу. Утилизация диоксида углерода в водоносном пласте еще более затратная, чем использование истощенной газовой залежи, поскольку требуется бурение новых скважин, создание промысловой инфраструктуры.

Описание чертежей

Фиг.1. Схема экспериментальной установки, где 1 - реакционная колонка с нагревательным элементом, 2 - смеситель, 3 - сепаратор-накопитель, 4 - газовый хроматограф, 5 - баллон с углекислым газом, 6 - редуктор, 7 - регулируемый вентиль, 8 - манометр, 9 - рециркуляционный насос, 10 - расходомер, 11 - рН-метр.

Фиг.2. Хроматограммы газов, синтезированных в ходе реакции при низком (а) и высоком (б) выходе водорода, где а - водород; b - метан; с - изопентан. При высоком выходе пик водорода перекрывает пик метана.

Фиг.3. Схема утилизации диоксида углерода, где 12 - дневная поверхность, 13 - песчаник, 14 - водоем, 15 - направление естественного фильтрационного потока воды, 16 - кровля пласта, 17 - подошва пласта, 18 - синтетическая залежь углеводородов, 19 - разрабатываемая залежь углеводородов, 20 - поступление углеводородов, 21 - нагнетательная скважина, 22 - добывающая скважина.

Фиг.4. Схема размещения нагнетательных скважин вблизи контура разрабатываемого месторождения, где 23 - разрабатываемое нефтяное месторождение, 24 - внешний водонефтяной контур.

Экспериментальное обоснование изобретения

В основу изобретения положены результаты лабораторных экспериментов, воспроизводивших процесс восстановления диоксида углерода до углеводородов нефтяного ряда в термобарических условиях верхних горизонтов земной коры. Использовавшаяся лабораторная установка схематично показана на фиг.1. Установка состояла из реакционной колонки (1), заполненной железосодержащим веществом. На вход реакционной колонки из смесителя (2) подавалась вода с заданной концентрацией растворенного в ней углекислого газа. На выходе из реактора жидкость поступала в сепаратор-накопитель (3), где происходило отделение от нее газообразных продуктов реакции, которые затем анализировались газоанализатором (4). Смесителем являлся бак емкостью 20 л, выдерживавший давление 15 атм. Для приготовления раствора использовался баллон с углекислым газом (5). Концентрация диоксида углерода в растворе регулировалась давлением и временем насыщения углекислым газом залитой в смеситель воды. Использовалась вода из артезианской скважины. Давления диоксида углерода, подававшиеся в смеситель, варьировали в диапазоне от 0.5 до 15 атм. Это позволяло регулировать скорость течения раствора через реактор. Реактор представлял собой отрезок пластиковой трубы длиной 1 м и внутренним диаметром 19 мм, заполнявшейся железосодержащим веществом (железная стружка, порошковые окись и двуокись железа и др.). С внешней стороны трубки для нагревания в отдельных экспериментах размещалась электрическая спираль. Газоанализатором служил газовый хроматограф «Хромопласт-001», предназначенный для измерения содержания водорода, метана, этана, пропана, изобутана, бутана, изопентана и пентана в воздухе. Анализатор имел две хроматографические колонки разной длины, что позволяло определять водород и указанные газы с чувствительностью - 0,001%.

Уже в процессе отладки лабораторной установки выяснилось, что при растворении диоксида углерода в воде, как обычной колодезной, так и дистиллированной, происходит образование водорода, а также углеводородных газов даже в самой смесительной камере с железным корпусом.

На фиг.2,а представлен спектр газов, возникавших в смесителе с залитой дистиллированной водой при избыточном давлении в камере 1 атм. На оси ординат представлены показания хроматографа в условных единицах, а по оси абсцисс - время анализа в хроматографе. На спектре отчетливо видны пики водорода и метана. Содержание водорода составляло 0.016%, что заведомо превышает предел чувствительности хроматографа.

Высокомолекулярные гомологи метана удается выделить в газах, полученных при пропускании водного раствора диоксида углерода через реактор, заполненный песчаником или мраморной крошкой с примесью железа, игравшего роль катализатора. В этом случае наблюдались также этан, изобутан и пентан. При выходе водорода более 10% затруднялось определение метана (фиг.2,б).

Выполненные эксперименты подтвердили принципиальную возможность выделения водорода, кислорода и синтеза углеводородов, в первую очередь метана и его высокомолекулярных гомологов, в естественных условиях осадочного чехла земной коры. Эти эксперименты расширили область практического применения реакций поликонденсационного синтеза, в настоящее время широко используемых для получения синтетических углеводородов [Сторч Г., Голамбик Н., Андерсон Р. Синтез углеводородов из окиси углерода и водорода. М.: Иностранная литература, 1954, 516 с.] и водорода [Ионе К.Г. О роли водорода в техногенной эволюции Земли (Является ли Земля каталитическим реактором?). Новосибирск: Изд-во НИЦ «ЦЕОСИТ». 2003. 68 с.] в промышленных масштабах.

При разработке Ромашкинского нефтяного месторождения [Муслимов Р.Х., Глумов Н.Ф., Плотникова И.Н. и др. Нефтегазовые месторождения - саморазвивающиеся и постоянно возобновляемые объекты // Геология нефти и газа. Спец. выпуск. 2004. С.43-49] и Шебелинского газоконденсатного месторождения [Закиров С.Н., Индрупский И.М., Закиров Э.С. и др. Новые принципы и технологии разработки месторождений нефти и газа. Часть вторая. М.-Ижевск, Институт компьютерных технологий. 2009. С.319-329.] наблюдаются явления, которые можно объяснить лишь наличием притоков глубинных углеводородов в рассматриваемые залежи. При этом остается открытым вопрос об источнике таких глубинных углеводородов. Результаты проведенных экспериментов позволили решить задачу обоснования подобного источника, доказывая возможность формирования постоянного глубинного притока углеводородов за счет представленной реакции синтеза.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов также подтверждают альтернативную модель нефтегазообразования, высказанную в работе [Баренбаум А.А. Механизм формирования скоплений нефти и газа // ДАН. 2004. Т. 399. №6. С.802-805]. Согласно выводам этой работы нефть и газ являются побочными продуктами глобального геохимического круговорота углерода на планете.

Изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение позволяет решить две актуальные и глобальные задачи: обеспечение надежной утилизации в недрах техногенных избытков диоксида углерода и одновременно искусственную генерацию углеводородов, а также водорода и кислорода, которые могут восполнять истощающиеся в месторождениях нефти и газа запасы углеводородов и формировать новые месторождения нефти и газа.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса утилизации диоксида углерода в подземных водоносных пластах за счет образования из этого газа техногенных залежей углеводородов, водорода и кислорода, что в более полной мере предотвращает возможность обратной утечки диоксида углерода из пласта в атмосферу.

Указанные задачи решаются, а технический результат достигается тем, что способ утилизации диоксида углерода включает: выделение, по меньшей мере, одного подземного водоносного пласта, имеющего выход на поверхность земли и область питания в виде реки, моря, озера и общий активный режим фильтрации; определение в выделенном пласте, по меньшей мере, одной локальной литологической ловушки; подготовку водоносного пласта и локальной ловушки к промышленному использованию; определение химического состава пластовой воды и образцов горных пород (керна); закачку диоксида углерода в водоносный пласт через, по меньшей мере, одну нагнетательную скважину, размещенную со стороны области питания пласта и обеспечивающую в нем возможность нисходящего потока закачиваемого диоксида углерода; при этом в водоносном пласте создают или формируют процесс синтеза углеводородов и выделение водорода и кислорода из диоксида углерода и воды, степень проявления данного процесса задают режимом закачки диоксида углерода в пласт, а контролируют по составу флюида в локальной ловушке.

При этом предпочтительно, если: диоксид углерода закачивают в виде оторочек газа и/или в виде газа, растворенного в воде; подземный водоносный пласт выбирают в зоне природного месторождения углеводородов, а нагнетательные скважины размещают в лобовой части (со стороны естественного фильтрационного потока воды) месторождения на расстоянии 1-2 км от внешнего водонефтяного или газоводяного контакта (фиг.3); в качестве водоносного пласта выбирают высокопористые осадочные породы, в составе которых присутствуют металлы группы железа (Fe, Ni, Со, Mo), окислы SiO₂ и Al₂O₃, а также глины и цеолиты, обладающие высокой каталитической активностью при поликонденсационном синтезе углеводородов из окислов углерода и водорода [Баренбаум А.А. Механизм формирования скоплений нефти и газа // ДАН. 2004. Т. 399. №6. С.802-805]; синтезом углеводородов и выделением водорода и кислорода в водоносном пласте управляют путем задания давления закачки диоксида углерода, его расходом и температурой; диоксид углерода закачивают в водоносный пласт через нагнетательные скважины, по меньшей мере, одну, в режиме, обеспечивающем более полное распределение диоксида углерода по толщине пласта; с помощью закачки диоксида углерода через нагнетательные скважины по меньшей мере одну и извлечение воды из добывающих скважин по меньшей мере одной в локальной застойной зоне фильтрации водоносного пласта активизируют естественный фильтрационный поток воды и создают локальную искусственную залежь углеводородов; такой цели служит добыча нефти в разрабатываемой залежи (фиг.3, 4); в качестве нагнетательных и добывающих скважин используют ранее пробуренные разведочные или пьезометрические скважины; контроль над процессом синтеза углеводородов, выделением водорода и кислорода в водоносном пласте осуществляют через наблюдательные скважины по меньшей мере одной, которые гидравлически связаны с локальной ловушкой, а также в добывающих скважинах по меньшей мере одной в локальной ловушке и/или разрабатываемого месторождения углеводородов; контроль над процессом синтеза углеводородов осуществляют в режиме мониторинга с момента закачки диоксида углерода в водоносный пласт, включая анализы на содержание изотопа ¹⁴С; в качестве углеводородов преимущественно осуществляют синтез метана и его высокомолекулярных гомологов.

Способ осуществляют следующим образом (см. фиг.3).

Вблизи природного месторождения углеводородов с дневной поверхностью (12) или вне зависимости от наличия месторождения и, например, вблизи от источника подлежащего захоронению техногенного диоксида углерода, выделяют регионально выдержанный подземный водоносный пласт (13) - водоносный бассейн по меньшей мере один, имеющий выход на поверхность земли с известной областью питания (14) в виде реки, моря, озера, т.е. с установленной направленностью естественного фильтрационного потока воды (15). С этой целью, например, предварительно проводят необходимые сейсмические, геофизические и гидрогеологические исследования. При этом формируют или выбирают упомянутый водоносный пласт или его участок с выраженным структурным падением (погружением) и общим активным режимом фильтрации. В рассматриваемом водоносном пласте (13) с кровлей (16) и подошвой (17) выделяют локальную застойную зону фильтрации по меньшей мере одну, характеризующуюся структурными особенностями, например, типа куполообразной структуры, выполняющей функцию барьера для миграции углеводородов в виде геологической ловушки (18).

Осуществляют подготовку выбранного водоносного пласта и локальной ловушки к промышленному использованию. Этот этап, в частности, может включать: сбор необходимых сведений о состоянии объектов исследования; создание 3D геологической и гидродинамической моделей: адаптацию 3D гидродинамической модели к фактическим данным; проведение оптимизирующих прогнозных расчетов (учитывающих протекание в пласте химических реакций) с выбором наилучшего варианта закачки диоксида углерода вместе с внутрипластовым генерированием водорода, кислорода и гомологов метана и определением наилучших параметров работы нагнетательных и добывающих скважин, а также их расстановки. Наилучшие показатели и параметры определяются на основе задачи оптимизации процесса и его стоимости.

Определяют полный химический состав воды в пласте (13) и образцов породы - керна на предмет возможного использования ингредиентов для реализации предложенного способа. В частности определяют в составе воды и керне железа и других химических элементов, которые могут служить катализаторами инициируемой в пласте реакции синтеза углеводородов и выделения водорода и кислорода. При необходимости в водоносный пласт можно закачивать дополнительное количество катализатора или дополнительный катализатор.

Осуществляют закачку диоксида углерода в выделенный водоносный пласт (13) через нагнетательные скважины (21) по меньшей мере одну, размещенную со стороны области питания (14) водоносного пласта и обеспечивающую возможность нисходящего потока (15) закачиваемого диоксида углерода в этом пласте. В качестве нагнетательных скважин по меньшей мере одной используют ранее пробуренные разведочные или пьезометрические скважины, и/или создают новые скважины.

При реализации предлагаемого способа, в отличие от традиционных газовых методов воздействия на пласт, ограничительные условия заключаются в следующем.

Забойные давления в нагнетательных скважинах должны быть такими, чтобы закачиваемый раствор диоксида углерода или оторочка диоксида углерода не поступали на поверхность земли или имели минимальный выход. Модель может определяться на основе компьютерных расчетов из условия невсплывания закачиваемого агента к поверхности земли. Приближение места расположения проектируемой нагнетательной скважины к области питания влияет на вероятность всплытия закачиваемого диоксида углерода на дневную поверхность. А удаление от области питания вызывает необходимость бурения более глубокой скважины.

Для организации процесса закачки диоксида углерода в виде оторочек или раствора можно использовать скважины и стандартное оборудование, применимое на нефтяных месторождениях при реализации газовых методов воздействия и при использовании диоксида углерода в качестве рабочего агента.

Количество и местоположение в плане литологических ловушек и разрабатываемых месторождений предопределяют количество нагнетательных скважин и расстояния между ними. Нагнетательные скважины должны создавать фильтрационный поток закачиваемого рабочего агента такой ширины, чтобы обеспечивать наибольший охват ловушек и месторождений процессом синтеза углеводородов, водорода и кислорода. Конкретные показатели процесса утилизации диоксида углерода устанавливают на основе 3D компьютерных расчетов применительно к конкретным параметрам пласта, числа и местоположения ловушек и потребных объемов утилизации диоксида углерода. Для этого осуществляют 3D моделирование пласта и модели процесса.

При этом закачка диоксида углерода в водоносном пласте создает условия для синтеза углеводородов и выделения водорода и кислорода. Как показали результаты лабораторных экспериментов, при давлениях до 15 атм происходит реакция синтеза углеводородов с выделением водорода и кислорода. Хорошо известно, что скорость протекания подобных реакций растет с увеличением давления. Поэтому следует ожидать, что реализация предлагаемого способа на практике будет сопровождаться благоприятными условиями для синтеза углеводородов, водорода и кислорода за счет фильтрации раствора диоксида углерода на большие глубины с присущими им давлениями.

Диоксид углерода закачивают в режиме, обеспечивающем его наилучшее распределение по толщине водоносного пласта в соответствии с наиболее предпочтительными результатами 3D гидродинамического моделирования.

С целью интенсификации естественного фильтрационного потока воды на структурную ловушку (18) бурят и пускают в эксплуатацию добывающие скважины по меньшей мере одну. Из этих скважин вначале отбирают только пластовую воду, а затем синтезируемые в пласте углеводороды и выделяемый водород с кислородом.

Наиболее приемлемый режим и способ эксплуатации добывающих скважин определяют на основе традиционных исследований скважин при стационарных режимах фильтрации.

Для организации процесса добычи воды и синтезированных углеводородов, водорода и кислорода можно использовать добывающие скважины и стандартное промысловое оборудование, применяемое при реализации методов газового воздействия на нефтяных месторождениях.

Интенсификации естественного фильтрационного потока воды служит эксплуатация обводняющихся добывающих скважин (22) на разрабатываемом месторождении, из которых добывают нефть и пластовую воду. При этом добываемую воду на месторождении обратно закачивают в пласт через нагнетательные скважины (21), по крайней мере одну. Индуцируемые закачкой диоксида углерода синтезированные углеводороды, водород и кислород за счет гравитационного фактора аккумулируются в локальных застойных зонах фильтрации - геологических ловушках (18). При этом часть кислорода расходуется на окислительные процессы в пласте.

Создаваемая залежь углеводородов (18) может сочетаться, например, с естественной разрабатываемой залежью углеводородов (19). Поступление синтезированных углеводородов в так называемую искусственную и естественную залежи показано на фиг.3 позицией (20).

Синтезом углеводородов в пласте управляют заданием состава и свойств закачиваемой воды - количеством в ней диоксида углерода и режимом его закачки, а также типом и количеством добавляемого в воду катализатора. Количество синтезируемых углеводородов, водорода и кислорода определяют на основе методов хроматографии. Для этого из сепаратора периодически осуществляют отбор пробы газа. Контролируют степень утилизации закачиваемого в водоносный пласт диоксида углерода путем измерения количеств синтезированных углеводородов, водорода и кислорода, накопившихся в локальной застойной зоне пласта (18), куда бурят скважину, в том числе для анализа углеводородов на содержание изотопа ¹⁴С, например, жидкостной сцинтилляционной спектрометрией, который позволяет идентифицировать природные и техногенные углеводороды. В случае снижения выхода синтезируемых углеводородов, водорода и кислорода в добывающих скважинах осуществляют закачку оторочек раствора полимера, например полиакриламида, в нагнетательные скважины. В результате выравнивается профиль приемистости, что позволяет приобщить дополнительные объемы водоносного пласта к процессу синтеза искомых продуктов. Такой подход широко используется в практике нефтедобычи при заводнении пласта.

Обоснование осуществимости изобретения

Обоснованность и достоверность реализации предлагаемого способа, в первую очередь, предопределяют результаты выполненных лабораторных экспериментов. Анализируя их результаты, следует отметить, что из-за небольшой длины реакционной колонки (1 метр) закачиваемый водный раствор диоксида углерода в ней не успевал полностью прореагировать. Поэтому на выход установки поступало большое количество не участвовавшего в синтезе газообразного диоксида углерода, существенно снижавшее процент синтезируемых углеводородов и водорода по показаниям хроматографа.

В предлагаемом способе закачиваемый в водоносный пласт диоксид углерода подвергается фильтрации на протяжении нескольких километров, что резко повышает степень его преобразования в углеводороды, водород и кислород. Именно такой масштабный фактор, как известно, лежит в основе известных технологий промышленного производства углеводородов методами поликонденсационного синтеза [Сторч Г., Голамбик Н., Андерсон Р. Синтез углеводородов из окиси углерода и водорода. М.: Иностранная литература, 1954, 516 с.]. Этим объясняется оценочная величина расстояния (в 1-2 км) нагнетательных скважин от контура месторождения на фиг.4. Но указанную величину следует уточнять (уменьшать или увеличивать) при помощи многовариантного 3D геолого-гидродинамического моделирования для каждого конкретного случая промышленного захоронения диоксида углерода.

В качестве примера, имеющего прямое отношение к реализации предлагаемого изобретения на практике, сошлемся на результаты промысловых экспериментальных исследований [Smigafi P., Greksak М., Kozankova J. et all. Methanogenic bacteria as a key factor involved in changes of town gas stored in an underground reservoir // FEMS Microbiology Ecology. 1990. V.73. P.221-224]. Авторы этой работы привели данные о химическом составе так называемого городского газа, закачанного и отобранного из подземного газохранилища Lobodice, созданного в Чехии, в водоносном пласте. Если закачиваемый в хранилище газ состоял на 20% из СН₄, 20% СО₂+СО и 55% Н₂, то через полгода при отборе состав газа был иным: СН₄ 40%, СО₂+СО 12% и Н₂ 37%.

По сравнению с закачанным в отобранном газе содержание метана за полгода возросло в два раза, а суммарное содержание углекислого и угарного газа почти во столько же раз уменьшилось. Уменьшилось также содержание водорода, что, прежде всего, говорит о возможных утечках этого подвижного и очень легкого газа из ловушки в водоносном пласте газохранилища Lobodice. Изменения состава закачанного газа авторы цитируемого исследования пытаются объяснить жизнедеятельностью подземных метанообразующих бактерий. Результаты проведенных лабораторных экспериментов дают альтернативное и более убедительное объяснение наблюдаемых фактов.

Отмеченная утечка водорода довольно часто наблюдается в природе при так называемом процессе дегазации Земли [Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды, нефть и газ, углеводороды и жизнь. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения академика П.Н. Кропоткина. 18-22 ноября, 2010, г.Москва]. Согласно фактическим данным, в продуктах дегазации наибольшая доля приходится на водород. Однако это не отражается на экологии планеты, так как водород поднимается в стратосферу и затем уносится в Космос в виде водородного шлейфа Земли. Что касается углеводородов, то они в большей своей части остаются в естественном потоке воды и формируют или подпитывают месторождения нефти и газа [Баренбаум А.А. Механизм формирования скоплений нефти и газа// ДАН. 2004. Т. 399. №6. С.802-805].

Следовательно, допустимо говорить, что в водоносном пласте газохранилища Lobodice происходит синтез метана из растворенного в воде диоксида углерода. Впрочем, не исключено, что деятельность микроорганизмов окажется дополнительным фактором, способствующим более полной утилизации диоксида углерода в подземных водоносных пластах.

По мнению авторов настоящего изобретения, еще более важный резерв повышения эффективности заявляемого способа связан с использованием катализаторов как природных, присутствующих в породах водоносного пласта, так и закачиваемых в этот пласт вместе с водным раствором диоксида углерода. Такими катализаторами, резко активизирующими протекание реакций синтеза углеводородов и водорода, как известно, являются некоторые металлы и их окислы, в частности металлы группы железа, а также многие минералы.

При реализации предлагаемого способа на конкретном геологическом объекте следует начинать с лабораторных экспериментов. Вслед за циклом лабораторных исследований на каждом реальном объекте целесообразны соответствующие опытно-промышленные работы, которые позволяют с требуемой достоверностью обосновывать необходимые технические и технологические решения реализации идеи способа на исследуемом объекте в целом.

Таким образом, предлагаемый способ утилизации диоксида углерода в водоносном пласте дополняет известный способ его захоронения тем, что позволяет чисто затратный процесс сделать рентабельным за счет выявленной возможности получения водорода, кислорода и синтезируемых в пласте углеводородов.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды от загрязняющих атмосферу техногенных выбросов парниковых газов и синтеза источников энергии. Обеспечивает повышение надежности утилизации в недрах техногенных избытков диоксида углерода и эффективности искусственного синтеза углеводородов, а также водорода и кислорода, которые могут восполнять истощающиеся в месторождениях нефти и газа запасы углеводородов и формировать новые месторождения нефти и газа. Сущность изобретения: способ осуществляют следующим образом: выделяют подземный водоносный пласт, предпочтительно имеющий выход на поверхность земли и область питания в виде реки, моря, озера, а также с общим активным режимом фильтрации; определяют в выделенном пласте по меньшей мере одну локальную ловушку; осуществляют подготовку выбранного водоносного пласта и локальной ловушки к промышленному использованию с определением в выделенном пласте химического состава воды, а также пород по образцам горных пород - керну; закачивают в выделенный пласт диоксид углерода по меньшей мере через одну нагнетательную скважину, размещенную со стороны области питания пласта и обеспечивающую возможность нисходящего потока закачиваемого диоксида углерода в пласте; обеспечивают каталитическую реакцию поликонденсационного синтеза закачиваемого диоксида углерода и воды с образованием водорода, кислорода и гомологов метана. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ утилизации диоксида углерода посредством его закачки в водоносный пласт, согласно которому:
- выделяют подземный водоносный пласт, предпочтительно имеющий выход на поверхность земли и область питания в виде реки, моря, озера, а также с общим активным режимом фильтрации;
- определяют в выделенном пласте по меньшей мере одну локальную ловушку;
- осуществляют подготовку выбранного водоносного пласта и локальной ловушки к промышленному использованию с определением в выделенном пласте химического состава воды, а также пород по образцам горных пород - керну;
- закачивают в выделенный пласт диоксид углерода по меньшей мере через одну нагнетательную скважину, размещенную со стороны области питания пласта и обеспечивающую возможность нисходящего потока закачиваемого диоксида углерода в пласте;
- обеспечивают каталитическую реакцию поликонденсационного синтеза закачиваемого диоксида углерода и воды с образованием водорода, кислорода и гомологов метана.

2. Способ по п.1, в котором активностью происходящей в пластовых условиях химической реакции управляют регулированием режима закачки в пласт диоксида углерода и свойств воды, а контроль над процессом синтеза углеводородов с образованием водорода осуществляют в локальной ловушке и в скважинах разрабатываемого месторождения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид углерода закачивают в виде оторочек газа или в виде газа, растворенного в воде.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемый пласт выбирают в зоне природного месторождения углеводородов, а по меньшей мере одну нагнетательную скважину, размещают в лобовой части месторождения углеводородов, предпочтительно со стороны направления естественного фильтрационного потока воды, на заданном расстоянии, предпочтительно 1-2 км, в соответствии с результатами трехмерного гидродинамического моделирования от внешнего водонефтяного или газоводяного контакта.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нагнетательных скважин используют ранее пробуренные разведочные и/или пьезометрические скважины.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве водоносного пласта выбирают высокопористые осадочные породы, в составе которых присутствуют, в частности, металлы группы железа - Fe, Ni, Со, Mo, окислы SiO₂ и Al₂O₃, а также глины и цеолиты, обладающие высокой каталитической активностью в реакциях поликонденсационного синтеза углеводородов из окислов углерода.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что процессом поликонденсационного синтеза углеводородов из окислов углерода в пласте управляют давлением закачки диоксида углерода, его расходом и температурой.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид углерода закачивают в водоносный пласт в режиме, обеспечивающем оптимальное распространение диоксида углерода по толщине пласта.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что контроль над процессами синтеза углеводородов, выделения водорода и кислорода в водоносном пласте осуществляют по меньшей мере через одну наблюдательную скважину, которая гидравлически связана с локальной ловушкой, размещенную в разрабатываемом месторождении или его окрестности.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что контроль над процессом синтеза углеводородов, выделение водорода и кислорода в водоносном пласте осуществляют в режиме мониторинга с момента закачки диоксида углерода, включая анализ за содержанием в продукции добывающих скважин изотопа ¹⁴С.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что кроме утилизации диоксида углерода в локальной застойной зоне фильтрации водоносного пласта создают искусственную залежь углеводородов, водорода и кислорода.