Об авторе: Вадим Ахметгареев, кандидат технических наук, Sr. Engineering Advisor R&D в компании Terra Laboratories.
На первый взгляд кажется, что нефтедобыча и «зеленые» технологии находятся на разных полюсах. Постараемся развенчать этот миф и рассказать о современных экологичных методах, которые предлагают ученые (химики, геологи) и уже применяют нефтяники.
Применение отходов промышленных предприятий для повышения добычи нефти
Одним из «зеленых» современных методов, позволяющих увеличивать добычу нефти, является закачка различной химии — в том числе отходов промышленных предприятий — в пласты через нагнетательные или остановленные добывающие скважины. Добыча нефти при этом увеличивается за счет химических процессов, происходящих от взаимодействия закачиваемой химии с породой и пластовыми флюидами (нефть, вода, иногда газ). Прежде чем закачивать химию в пласт, проводят лабораторные исследования, чтобы понять какой максимальный эффект можно получить.
Закачка в пласты предполагает наличие больших объемов химии, которая заказчику обходится в крупную сумму. Поэтому ведутся поиски и исследования различных дешевых химикатов. Одно из решений — использование отходов промышленных предприятий и тепловых электростанций. Безусловно, не всякие отходы могут дать положительный эффект. Кроме того, часть закачиваемой химии может выноситься на поверхность в смешанном с отбираемой нефтью и водой виде, что приводит к усложнению процесса подготовки нефти и отделению от нее данной химии. Поэтому в лабораторных условиях предварительно изучают и этот процесс. В результате подбирают такие отходы, которые наиболее оптимальны для увеличения добычи нефти.
В качестве успешного примера можно привести закачку аммиачной воды с химических заводов, либо закачку щелочной воды с тепловых электростанций. Сброс таких вод в реки, безусловно, пагубно влияет на экологию, за это предусмотрен штраф. Но сумма штрафа выходит гораздо ниже стоимости очистки или утилизации воды. И многие компании часто сбрасывали эти отходы в реки. Лабораторные исследования показали эффективность в отмыве нефти с поверхности пор керна такими водами. Таким образом, аммиачная и щелочная вода может быть успешно использована для увеличения нефтедобычи.
Использование нефтяного газа для выработки электричества
В нефти, находящейся в пластах под давлением залегающих выше пород, растворен газ, который называют нефтяным или попутным. В основном это метан, этан, пропан и прочие углеводородные газы: углекислый газ, азот. При подъеме нефти на поверхность, в скважине давление, оказываемое на нефть, уменьшается, что приводит к выделению растворенного газа. Этот газ вместе с жидкостью доходит до установок подготовки нефти, где окончательно сепарируется (отделяется от нефти). Получается, что нефтяной газ — побочный продукт при добыче нефти.
Возникает вопрос: что с ним делать? Вроде бы ценный продукт, особенно, учитывая возросшую в последнее время цену на газ. Но, как это ни странно, дешевле всего этот газ просто сжигать. Так и делали на протяжении почти ста лет. Особенно печальной в этом отношении была, и частично до сих пор остается, ситуация в Западной Сибири, где огромное количество месторождений и большие незаселенные территории. Люди, пролетавшие в самолете над этим регионом в ночное время, рассказывают, что вся Западная Сибирь усыпана точечными огнями. Каждая такая точка — факел, на котором сжигают нефтяной газ. В бытовых целях такой неочищенный газ использовать нельзя из-за содержания в нем (хоть и небольшого количества) сероводорода.
С 2012 года действует закон, согласно которому, компании могут сжигать не более 5% нефтяного газа, остальное должны утилизировать, то есть использовать для каких-либо нужд или перерабатывать. Крупные компании, у которых имеется необходимая инфраструктура, создали газоперерабатывающие заводы. В отдаленных местах газ используют либо для собственных нужд (например, обогрев), либо по-прежнему сжигают.
Одно из направлений утилизации попутного газа также состоит в обратной закачке газа в нефтяные пласты для повышения пластового давления — в качестве метода увеличения нефтеотдачи. Выполнение такого проекта требует инвестиций, технических возможностей и соответствующих объемов газа, поэтому технология применяется редко.
Другое направление, которое набирает популярность: использование нефтяного газа для выработки электричества. В этом случае инвестиций требуется гораздо меньше, а эффективность очевидна. В зависимости от объемов газа, газовые генераторы способны снабжать не только освещением и отоплением промышленные объекты, но и обеспечить электричеством насосы на скважинах.
Как зола от сжигания отходов увеличивает добычу нефти?
Наночастицы позволяют за счет химико-физических процессов лучше отмывать нефть с поверхности пор пласта. Под наночастицами понимают частицы с размером от единиц до сотен нанометров (нм). Такие частицы меньше поровых каналов в пласте: в результате чего они могут свободно проходить вглубь пласта при их закачке. То есть при закачке воды, в которую добавлены наночастицы, объем нефти из добывающих скважин увеличивается.
Единственный недостаток наночастиц — их дороговизна. Поэтому различные нефтегазовые и сервисные компании проводят множество исследований по поиску дешевых наночастиц. Одно из решений — применение золы, получаемой от сжигания отходов. Частицы золы при полном сжигании имеют размеры в среднем 50-250 нм, что значительно меньше размера поровых каналов, составляющих для традиционных коллекторов в среднем 500-1500 нм.
Я участвовал в создании этой технологии. Изначально мы проводили исследования на древесной золе. Причем идею использовать золу я выдвинул, когда услышал от своей бабушки о том, что раньше в деревнях не было шампуня и люди мыли голову водой, настоянной на древесной золе. Такая вода успешно отмывала грязь и жир. Такой же механизм и в пласте: когда вода с золой отмывает нефть с поверхности пор породы. В лабораторных условиях мы проводили исследования на керне и сравнивали сколько нефти может быть извлечено при закачке пластовой воды и воды с наночастицами. Оказалось, что во втором случае примерно на 25% больше.
Однако никто не будет сжигать лес ради добычи нефти — это не эффективно, не экологично и затратно. Поэтому мы провели исследования с золой, остающейся после отработки угля в тепловых электростанциях. Объемы такой золы достаточно велики и являются отходом производства. Исследования показали чуть меньшую эффективность — порядка 20%, но тем не менее все равно достаточно высокую.
Как бактерии помогают в добыче нефти и производстве газа из угля?
К «зеленым» технологиям также относится применение в нефте- и газодобыче бактерий, так как полученные таким способом углеводороды прошли через их жизнедеятельность. Бактерии, живущие в воде, которая находится в порах породы пласта, относятся к анаэробным, то есть не нуждаются в кислороде. Наиболее распространенный вариант их применения — для увеличения нефтеотдачи. Для этого в пласт закачивают нутриенты (корм) для «пластовых» бактерий, которые им питаются. Продукты жизнедеятельности представляют собой в основном биологические поверхностно-активные вещества (по сути, «стиральный порошок»), которые помогают отмывать нефть с поверхности пор породы, что приводит к увеличению добычи нефти. Кроме того, колонии таких бактерий разрастаются, что помогает блокировать промытые закачиваемой или пластовой водой зоны, и позволяет снижать обводненность скважин.
Современные технологии по исследованиям пластов также включают биотехнологии. Отбираемые из пласта керн и флюиды в основном всегда содержат воду, в которой обитают анаэробные бактерии. В поверхностных условиях они не выживают, но их ДНК остается. В каждом пласте, за тысячи лет формируются бактерии с собственным набором ДНК, отличающимся от соседнего пласта, если данные пласты не связаны между собой. Исследование ДНК бактерий по отбираемым кернам и/или флюидам с разных скважин позволяет определять связаны ли пласты между собой, и из каких конкретно пластов идет добыча нефти, в каком процентном соотношении распределена добыча с того или иного пласта.
Новейшая технология с применением бактерий — производство газа из угля. Угольные пласты могут залегать на глубине в несколько километров. Строить шахту такой глубины не всегда выгодно. Проще пробурить скважины и воздействовать на данные пласты. Конечно, уголь при этом не добыть, но вот добывать другой ценный продукт — метан, вполне реально.
Для этого предварительно в лаборатории изучают живущие в угольных пластах бактерии, которые питаются углем и подбирают для них дополнительные нутриенты. Затем закачивают через скважины растворы нутриентов, что приводит к быстрому разрастанию колоний бактерий, которые помимо нутриентов также поедают уголь, производя метан. Полученный метан отбирают из скважин.
Таким образом «зеленые» технологии, применяемые в ТЭК, позволяют утилизировать промышленные отходы и создавать производства замкнутого цикла, когда побочные продукты добычи нефти и газа повторно задействуются и используются для увеличения выработки скважин, а также проведения важных исследований для нефтегазовой разработки.