Скрининг истощенных пластов для хранения CO₂: приемистость, емкость и герметичность

Screening Depleted Reservoirs for CO₂ Storage: Injectivity, Capacity and Containment

Последняя продажа лицензий на морской шельф Калифорнии вернула в игру зрелые участки — площади, которые десятилетиями добывали углеводороды и теперь находятся на стадии ликвидации или близки к ней. Если вы владеете этими активами, старый вопрос был прост: ликвидировать скважины и уйти. Теперь вопрос стоит иначе. Группам по изучению недр поручено выяснить, может ли пласт коммерчески хранить CO₂, и как ответить на этот вопрос до того, как капитал будет направлен в программу оценки. Ошибка в скрининге в любом направлении обходится дорого. Ложноположительные результаты сжигают инженерный бюджет на участках, которые не проходят детальную оценку. Ложноотрицательные результаты консервируют инфраструктуру, которая могла бы стать основой жизнеспособного проекта по хранению углерода.

В этой статье рассматриваются три основных технических критерия — приемистость, емкость хранения и герметичность покрышки — на уровне детализации, необходимом для проведения первичного скрининга потенциального истощенного пласта.

Why Depleted Reservoirs Deserve Serious Consideration

Истощенные месторождения нефти и газа превосходят глубокие соленосные водоносные горизонты по нескольким структурным параметрам. Геометрия ловушки уже доказана — углеводородная колонна находилась в ней в течение геологического времени. У вас есть петрофизические данные, каротаж скважин, керн и история добычи. Наземные сооружения, стволы скважин и права отвода трубопроводов часто все еще на месте, что имеет значение, когда вы рассматриваете полную стоимость проекта, а не только недра.

Callas et al. (2022, Stanford/SCCS) представляют рабочий процесс, который начинается с легкодоступных данных и шаг за шагом сужает список кандидатов. Логика верна для любого оператора, работающего с унаследованными активами: сначала используйте дешевые данные.

Три технических столпа

Приемистость

Приемистость определяет, может ли CO₂ физически проникать в пласт с темпом, необходимым для коммерческого проекта хранения. Регулирующими факторами являются проницаемость коллектора, эффективная мощность пласта, контраст вязкости флюидов, эффекты относительной фазовой проницаемости и скин-эффект в призабойной зоне.

В истощенном коллекторе начните с уже имеющихся результатов испытаний скважин и данных о добыче. Значения произведения проницаемости на мощность (kh), полученные в результате анализа восстановления давления при добыче углеводородов, напрямую переносятся на оценку приемистости с поправкой на другую систему флюидов. Сверхкритический CO₂ имеет вязкость значительно ниже, чем пластовый рассол, что обычно способствует приемистости. Однако относительная фазовая проницаемость системы CO₂–рассол, а также риск высыхания призабойной зоны или выпадения солей могут со временем снизить эффективную приемистость.

Обзор MDPI Energies (2024) по приемистости скважин выделяет повреждение скина из-за солеотложения, миграции мелкодисперсных частиц и геохимических реакций на стенках скважины как основные эксплуатационные угрозы для поддержания темпов закачки в перепрофилированных скважинах. Кроме того, существующие стволы скважин в истощенных коллекторах часто имеют накопленные повреждения или проблемы с целостностью цементного камня, которые необходимо устранить перед закачкой CO₂.

Практический первичный скрининг должен включать вопросы:

• Достаточно ли произведения kh, полученного по результатам существующих испытаний скважин, для поддержания целевых темпов закачки без превышения давления гидроразрыва?
• Позволяет ли механическое состояние старого фонда скважин проводить повторную перфорацию или переоснащение для целей закачки?
• Обеспечивает ли падение пластового давления достаточный запас по приемистости до того, как поровое давление приблизится к минимальному горизонтальному напряжению?

Емкость хранилища

Емкость хранилища устанавливает предел того, сколько CO₂ коллектор может принять за весь срок реализации проекта. Для истощенного пласта теоретическим верхним пределом является объем пор, который ранее занимали углеводороды, скорректированный на сжимаемость остаточных флюидов и породы, а также на долю объема пор, с которой CO₂ реально вступит в контакт с учетом коэффициента охвата.

Callas et al. (2022) разделяют это понятие на статическую емкость — доступный геометрический объем пор — и динамическую емкость, которая ограничена приемистостью, управлением давлением и поведением шлейфа. Коллектор с большой статической емкостью, но низкой проницаемостью может в итоге иметь динамическую емкость, составляющую лишь малую часть от теоретической величины.

В отчете IEAGHG отмечается, что оценка емкости должна учитывать:

• Остаточную насыщенность углеводородами, которая уменьшает объем пор, доступный для CO₂
• Поддержку водоносного горизонта, которая влияет на рост давления и, следовательно, на практический объем закачки до достижения пределов давления
• Геометрию структурного замыкания, которая ограничивает шлейф CO₂ в свободной фазе

Управление давлением часто является связующим ограничением в истощенных коллекторах. Там, где пластовое давление упало значительно ниже первоначальных условий, есть запас для закачки до достижения давления гидроразрыва. Там, где активный водоносный горизонт частично восстановил давление в пласте, этот запас сокращается. Ни одно из условий нельзя принимать на веру без проверки текущего давления относительно градиента гидроразрыва.

Герметичность покрышки

Герметичность — это обязательный критерий. Коллектор, который не может удерживать CO₂ в течение нормативного периода хранения (обычно измеряемого столетиями), не является жизнеспособным объектом, независимо от его емкости или приемистости.

Основным механизмом удержания в истощенном коллекторе является та же покрышка, которая удерживала углеводороды. Это реальное преимущество: если ловушка удерживала плавучий столб углеводородов в течение геологического времени, она продемонстрировала целостность в соответствующем масштабе. Однако CO₂ несет в себе геохимические вызовы, которых нет у углеводородов. Растворенный CO₂ образует угольную кислоту, которая может реагировать с карбонатным цементом в покрышке. Для первичного скрининга существует более дешевая механическая проверка, требующая только существующих геомеханических данных: предел прочности на одноосное сжатие, сцепление и угол трения по результатам анализа керна или ГИС, в сочетании с напряженным состоянием in-situ.

Ключевые вопросы скрининга герметичности:

• Превышает ли документально подтвержденная удерживающая способность покрышки высоту предполагаемого столба CO₂?
• Имеются ли картированные разломы, пересекающие покрышку в пределах замыкания? Если да, то какова их ориентация относительно текущего поля напряжений?
• Каково количество старых скважин, пересекающих покрышку, и какова документально подтвержденная целостность цементного камня в этих скважинах?

Последний пункт обычно является самым сложным на практике. Зрелое месторождение может иметь десятки старых скважин с записями о качестве цементирования разного уровня достоверности. Каждое пересечение — это потенциальный путь утечки. Callas et al. (2022) рассматривают целостность ствола скважины как подкритерий герметичности, оцениваемый для каждой скважины в отдельности, а не как среднее значение по месторождению.

Сравнение критериев скрининга: источники данных и виды отказов

Иллюстративный сценарий скрининга

Ниже приведен иллюстративный пример, не представляющий конкретное месторождение.

Рассмотрим истощенный песчаниковый газовый коллектор на глубине, достаточной для того, чтобы CO₂ оставался в сверхкритическом состоянии в пластовых условиях. Истощение давления привело к тому, что пластовое давление стало значительно ниже первоначальных условий, поэтому имеется существенный запас по приемистости до достижения давления гидроразрыва. Данные добычи показывают умеренный показатель kh по результатам исторических испытаний скважин — этого достаточно, чтобы предположить, что небольшое количество нагнетательных скважин сможет поддерживать коммерчески значимые дебиты.

Структурная ловушка представляет собой четырехстороннее антиклинальное замыкание со сланцевой покрышкой документально подтвержденной мощности. Емкость по высоте столба, полученная на основе измерений капиллярного давления входа на керне, превышает предлагаемую высоту столба CO₂. Однако на месторождении имеется множество старых добывающих скважин, и у некоторых из них отсутствуют полные данные каротажа цементирования. Эти скважины являются основным риском для герметичности. Им потребуются опрессовка и ремонтное цементирование, прежде чем можно будет подавать заявку в регулирующие органы.

Результат скрининга: коллектор проходит по приемистости и емкости; герметичность условно приемлема до проведения работ по восстановлению целостности скважин. Это реалистичный результат для многих зрелых активов — недра подходят, но в фонд скважин необходимо инвестировать средства.

Практический чек-лист для скрининга

Приемистость

• Собрать все доступные данные испытаний скважин и рассчитать kh для целевых интервалов нагнетания
• Сравнить расчетное забойное давление нагнетания с градиентом гидроразрыва на горизонте нагнетания
• Оценить механическое состояние старых стволов скважин на предмет пригодности для переоснащения

Емкость хранения

• Построить или обновить статическую объемную модель, используя существующие данные каротажа и керна
• Установить текущий уровень пластового давления и сравнить его с первоначальным давлением и градиентом гидроразрыва
• Определить гидродинамическую связь с водоносным горизонтом и оценить силу его поддержки

Герметичность покрышки

• Подтвердить литологию, мощность и латеральную выдержанность покрышки на основе существующих данных по скважинам и сейсмике
• Провести оценку огибающей текучести или высоты столба, используя доступные геомеханические данные
• Провести инвентаризацию всех старых стволов скважин, пересекающих покрышку; отметить те, где отсутствует каротаж цементирования, для проведения ремонтных работ
• Скартировать все разломы внутри замыкания и оценить их ориентацию относительно текущего поля напряжений

Инфраструктура и нормативная готовность

• Идентифицировать пригодные для повторного использования наземные сооружения, трубопроводы и нагнетательные скважины
• Подтвердить нормативную юрисдикцию и применимый порядок получения разрешений на хранение

Заключение и следующие шаги

Скрининг истощенного коллектора для хранения CO₂ — это кабинетная работа. Вы можете завершить ее, используя данные, которые уже есть в архивах, прежде чем выделять новый капитал. Методологии IEAGHG и Stanford/SCCS указывают в одном направлении: начинайте с того, что дешево и быстро — объемная емкость, приемистость по существующим испытаниям скважин, высота столба покрышки — затем переходите к трудоемким геомеханическим исследованиям и проверке целостности стволов скважин.

Если вы инженер по разработке или инженер по CCUS, работающий со зрелыми участками, первым шагом будет сбор архива испытаний скважин и данных по давлению на момент ликвидации, а затем расчет запаса приемистости относительно градиента гидроразрыва. Если этот фильтр пройден, следующим этапом затрат станет анализ герметичности покрышки с использованием существующих данных керна и каротажа. Целостность старых скважин почти всегда является критическим путем с самым длительным сроком реализации, поэтому планируйте эти работы заранее.

Участки, прошедшие строгий скрининг по трем столпам, представляют собой реальную опциональность для операторов, работающих в условиях energy transition. Не потому, что экономика гарантирована — это не так — а потому, что десятилетия данных о добыче ограничивают риски недр так, как это просто невозможно для новых соленосных водоносных горизонтов.

Примечание: утвержденный проект в представленном виде не содержал блока метаданных json, поэтому здесь он не воспроизводится.