Добыть из камня: как технологии помогают добраться до труднодоступных запасов нефти

В 2025 году в мире открыли 19 промышленных нефтегазовых месторождений, что является самым низким показателем за последние 45 лет. Легкой нефти, которую можно добыть привычными методами, становится меньше. Промышленные предприятия все чаще обращают внимание на более сложные источники углеводородов. Таких залежей в мире хватает, но и подход добычи к ним нужен особый. Как получить «черное золото» из трудноизвлекаемых месторождений и какие технологии для этого понадобятся, порталу Наука.рф рассказала ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Елена Мухина.

Повышенный уровень сложности

Нефть в том виде, каком мы ее обычно себе представляем, может различаться по свойствам (например, плотности, содержанию серы и другим характеристикам) и типу залегания: от традиционного сырья в пористых породах до нетрадиционного, например заключенного в сланцах и битуминозных песках. Для каждого из них есть свои способы добычи.

Один из самых сложных источников — кероген. Это твердое органическое вещество считается «предшественником» нефти. Оно образуется из останков древних микроорганизмов, растений и животных: под давлением и при повышенной температуре они миллионы лет претерпевали сложные химические превращения, в результате которых сформировался твердый, как камень, богатый углеродом материал, рассеянный в породе. Далее, при температуре до 150 оС на больших глубинах залегания, кероген подвергается медленному пиролизу с образованием нефти и газа.

Такой материал содержится в горючих сланцах — нефтематеринских породах, широко распространенных в земной коре. Например, одним из самых богатых керогеном геологических объектов считается Баженовская свита в Западной Сибири. Возраст этих горных пород составляет 150 млн лет, а площадь достигает порядка 1,2 млн км².

До недавних пор получение нефти из керогена считалось практически невозможным. Его залежи даже не относят к запасам потенциально извлекаемых углеводородов. Почему? Традиционные методы рассчитаны на извлечение подвижной нефти, в то время как кероген — часть минеральной матрицы, которая не течет. Чтобы преобразовать его в жидкость быстрее, чем это происходит в природе, нужна особая термическая химическая реакция, объясняет ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Елена Мухина.

«Исследования, посвященные преобразованию керогена в нефть, конечно, существуют, они давно известны. Опыт есть в том числе у китайских коллег. Они извлекают твердое сырье из недр, транспортируют и подвергают его термической переработке в специальных реакторах, чтобы получить жидкий продукт. Но это трудоемкий процесс. Сначала надо добыть материал, затем его переработать и понять, куда девать остатки породы», — отмечает ученый.

Форма воды

Эффективный способ превратить кероген в нефть исследуют в Центре науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха. Специалисты разработали технологию, позволяющую не просто преобразовать твердую горную породу в жидкую нефть, но и сделать это за короткое время. Идея в том, чтобы сократить процесс, который в природе занимает миллионы лет, до нескольких часов.

«Мы предлагаем ускорить процесс преобразования керогена внутри пласта, закачивая туда горячую воду под высоким давлением. В лаборатории это действительно занимает несколько часов. Но в реальности нужно оценивать объемы и масштабы, для крупных объектов потребуется больше времени», — комментирует Елена Мухина.

Принцип этой технологии простой, но на деле у нее есть свои сложности, отмечает специалист. Главную роль играет температура воды. Чтобы преобразовать такое сырье в нефть, нужна сверхкритическая вода (флюид)*, полученная при температуре от 374 °C и высоком давлении от 22 МПа (около 220 атмосфер). В этом состоянии она приобретает уникальные характеристики. Обладая особыми реакционными свойствами и минимальной плотностью, она становится отличным растворителем и, в отличие от обычной воды, может легко проникать в низкопроницаемые породы.

«Температура крайне важна. Она влияет на кинетику, то есть скорость химических реакций. Например, при 370–380 °C за несколько часов даже в консолидированном образце породы преобразуется практически весь кероген, и 99% полученной нефти выходит из образца. Если температура ниже этого показателя, нефть образуется, но часть ее плохо фильтруется через низкопроницаемую матрицу и остается внутри породы. Слишком высокая температура тоже нежелательна: при 400 °C большая часть сырья переходит в газ и кокс. А нам нужна именно жидкая нефть», — поясняет ученый.

Эксперименты, проведенные в лаборатории Сколтеха, показали, что такая технология позволяет преобразовать до 99% керогена в жидкую нефть: из 19 кг породы с десятипроцентным содержанием твердого сырья специалистам удалось получить более 1,5 кг углеводородов.

«Мы использовали огромные реакторы, приближающие нас к масштабу месторождения, в то время как в большинстве других опубликованных научных работ применяют небольшие автоклавы: они измельчают породы в мелкую пыль, нагревают ее под давлением, превышающим атмосферное, и смотрят, сколько нефти вышло. Но в месторождениях такой пыли нет. Мы берем крупные консолидированные куски породы, близкие к реальным условиям», — делится Елена Мухина.

Расчеты и инструменты

До масштабной реализации этой технологии пока далеко, уточняет эксперт. Чтобы применять ее на месторождениях, необходимо специальное оборудование: в частности, генератор сверхкритической воды. Сама вода должна быть очищенной (для этого тоже используют особые процедуры).

«Казалось бы, достаточно просто закачать воду в скважину. Но этот этап очень сложный. Чем глубже скважина, тем больше мы потеряем тепла. Даже с учетом теплоизоляции всегда будет риск. В некоторых случаях, если закачивать жидкость при 400°C, до забоя* может дойти только 300–350°C. Поэтому, чтобы рассчитывать и подбирать оптимальные параметры закачки с учетом глубины и материалов скважины, а также теплопотерь, мы разработали специальную программу, в которой можно моделировать процессы», — рассказывает Елена Мухина.

Для новой технологии понадобятся особые скважины: не каждая выдержит высокие давления и температуры. Например, вертикальная скважина пересекает пласт на относительно небольшом участке, тогда как горизонтальный ствол может проходить вдоль пласта на сотни метров или даже километры, увеличивая площадь контакта с породой. Если есть гидроразрыв пласта (ГРП), вода будет еще и распространятся по системе трещин. С одной стороны это плюс, говорит ученый. Но нужно помнить: чем больше длина и объем ствола скважины, тем больше потребуется закачивать сложный для генерации флюид.

Решить эту проблему может одна из опций: для более равномерного охвата пласта и эффективного использования горячей воды можно использовать несколько горизонтальных скважин. В одну закачивается горячая воду, из другой откачивается нефть. Так можно увеличить объем прогреваемой породы и снизить потери тепла.

Сейчас этот метод находится на стадии лабораторных исследований. Хотя для массового применения он пока не готов, такой подход является достаточно перспективным. Он будет полезен в тех случаях, когда традиционные запасы нефти будут истощаться. Уже сейчас интерес к нему проявляют добывающие предприятия, говорит ученый. В ближайшее время запланированы опытно-промышленные испытания.

«Эта технология подойдет не только для керогена. Ее можно использовать в том числе для высоковязких нефтей. Для средневязких и маловязких при таком подходе тоже будет увеличиваться отдача: в этом случае можно использовать закачку воды при более низких температурах», — добавляет специалист.

Водород внутри

Еще один проект, над которым работает команда Сколтеха, связан с генерацией водорода из нефти, природного газа и угля прямо внутри пластов месторождений. В нефтеперерабатывающей отрасли этот компонент служит необходимым сырьем: его используют для повышения качества нефтепродуктов (гидроочистка) и переработки тяжелой нефти.

«Обычно водород получают из углеводородов уже на поверхности, в реакторах. И до сих пор никто не пытался произвести этот ресурс внутри самого пласта», — рассказывает ведущий научный сотрудник Сколтеха Елена Мухина.

Предложенная специалистами технология работает так: сначала пласт с углеводородами равномерно нагревают тем же способом, который применяют, чтобы снизить вязкость нефти и упростить ее добычу (внутрипластовое горение*).

Затем в прогретый пласт закачивают водяной пар с катализатором. При взаимодействии с ним углеводороды, которые есть в пласте, превращаются в водород и углекислый газ. Далее остается только выкачать из скважины водород, а углекислый газ оставить под землей.

«Захоронение СО2 в этом проекте является отдельным интересным экологическим направлением, которым мы тоже занимаемся. Что касается водорода, его можно использовать не только как сырье для переработки нефти, но и как самостоятельный источник энергии. При грамотном подходе извлекать этот компонент можно из газового, нефтяного и угольного месторождений», — делится Елена Мухина.

Этот проект пока также находится на стадии лабораторных исследований. Чтобы перейти к опытно-промышленным испытаниям, команда Сколтеха развивает собственный стартап. По словам ученого, их разработки готовы к реализации на месторождениях. Сейчас специалисты находятся в поиске индустриального партнера и открыты к сотрудничеству.

Превосходя ожидания

Проекты, посвященные керогену и генерации водорода — лишь малая часть работы, которой занимается команда Сколтеха. В Центре науки и технологий добычи углеводородов развивают и другие методы увеличения нефтеотдачи: например, закачка газа, в том числе природного и попутного нефтяного, а также добыча газоконденсата из низкопроницаемых месторождений.

«Эти задачи связаны с подвижной нефтью, которую на самом деле тоже сложно добывать. Многие методы пока не реализованы в полной мере. На их фоне кероген является более высокой ступенью, о которой стоит мечтать, потому что она действительно будет востребована. Мы ведем большое количество проектов с заинтересованными компаниями, теми, кто хочет получить больше, чем дают стандартные методы», — отмечает Елена Мухина.

Научные исследования в этой области развиваются очень активно, и ученый уверена, что в будущем многие из них удастся воплотить в жизнь и довести до промышленного внедрения.

Анна Шиховец