Ученые из Чунцинского университета науки и технологий при участии крупнейших нефтегазовых компаний Китая CNOOC и SINOPEC, а также Университета Барселоны сделали шаг, который может изменить добычу сланцевого газа. Они впервые подробно описали и математически обосновали инновационный метод гидроразрыва пласта с применением углекислого газа и так называемой "скользкой воды".
Долгие годы добыча сланцевого газа по всему миру велась с закачкой смеси из воды, песка и химических добавок. Однако при контакте с породой такая жидкость вызывала набухание глинистых минералов, снижала проницаемость и смазывала трещины, из-за чего они быстрее схлопывались. В результате значительная часть газа оставалась запертой в недрах, реальный коэффициент извлечения составлял всего 10-15%, а 85-90% запасов так и не вовлекались в разработку.
В 2017 году китайская компания Yanchang Petroleum первой применила на практике смесь сверхкритического CO2 и "скользкой воды". Так называют жидкость, снижающую трение и облегчающую проникновение в породу. Эксперимент оказался удачным. Объем пласта, вовлеченного в дренаж, увеличился в 3-5 раз, добыча выросла пропорционально. Кроме того, CO2 не выбрасывался в атмосферу, часть его оставалась в недрах, связываясь с минералами и превращаясь в стабильные соединения.
Но при всей эффективности метода никто не смог детально раскрыть механизм его работы, каким образом CO2 взаимодействует со сланцем, почему сочетание с водой дает столь сильный эффект.
Ответ недавно сформулировали исследователи из Чунцина. Они провели серию лабораторных опытов на образцах сланца из Лунгмасинской свиты в Сычуаньском бассейне. Сначала породу выдерживали в "скользкой воде", затем подвергали воздействию сверхкритического CO2, находящегося в особом состоянии между газом и жидкостью. После этого трещины сканировались с микронной точностью.
Оказалось, что CO2 повышает шероховатость стенок, увеличивает площадь контакта и создает микросеть каналов, по которым газ свободно выходит наружу. Вода же, напротив, стабилизирует структуру трещин, предотвращая их обрушение и сохраняя проводимость.
Ученые впервые количественно описали этот эффект, связав между собой давление, пористость, химическую коррозию и изменение микрорельефа сланца. На основе экспериментов они построили физико-математическую модель, учитывающую, движение газа, упругость и деформацию породы. Для расчетов использовались цифровые платформы COMSOL и MRST, объединенные в единую систему под названием C-R solver. С ее помощью ученые смогли моделировать поведение пласта при разных сочетаниях давления, температуры и состава закачиваемой жидкости.
Сравнение с данными реального месторождения показало, что расчеты почти полностью совпадают с результатами полевых исследований. Теперь инженеры смогут заранее определять оптимальные параметры гидроразрыва, такие как давление, объем и соотношение CO2 и воды, чтобы извлечь максимум газа с минимальными затратами.
