CO2-EOR proces i skladištenje CO2

Poslijediplomski studij

Maja Arnaut, mag.ing.petrol.

Metode povećanja iscrpka (engl. Enhanced Oil Recovery, EOR) se primjenjuju u svrhu proizvodnje dodatne količine nafte nakon primarne proizvodnje (proizvodnje temeljene na prirodnoj energiji ležišta) ili najčešće nakon zavodnjavanja (sekundarne faze). Neke od metoda povećanja iscrpka uključuju utiskivanje ugljikovog dioksida (CO2-EOR), što je posebno atraktivno budući da se dio utisnutog CO2 zadrži u ležištu [1], omogućujući pozitivan efekt na skladišni kapacitet i isplativost skladištenja CO2. Iz tog razloga, ove metode imaju poseban značaj zbog obaveze smanjenja emisija sukladno međunarodnim sporazumima Europske unije u području klimatskih promjena (Protokol iz Kyota iz 1997. godine i Pariški sporazum iz 2015. godine). Korištenje i skladištenje ugljikovog dioksida (engl. Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS) s naglaskom na korištenje dolazi u fokus kada se procjenjuju mogućnosti skladištenja CO2 i smanjenja troškova skladištenja. Iako postoje i druge vrste korištenja, poput upotrebe u proizvodnji pića ili u poljoprivredi, samo se CO2-EOR provodi na komercijalnoj razini u industrijskim razmjerima [2] - [4].

Ubrizgavanjem CO2 iznad tlaka mješljivosti (ili minimalnog tlaka miješanja, MMP) poboljšava se učinkovitost mikroskopskog istiskivanja nafte, zbog smanjenja njene viskoznosti i bubrenja, smanjenja međupovršinske napetosti i promjene gustoće[5]. Bez obzira na uvjete utiskivanja, dio CO2 se uvijek ponovno proizvodi, tako da ukupno utisnuti CO2 uključuje reciklirani CO2 i CO2 koji je potrebno dodatno dovesti u sustav kako bi se ostvario potrebni kapacitet utiskivanja (Slika 1).

 

20200515 1

Slika 1. Konceptualna shema CO2 ciklusa u CO2-EOR procesu

Iscrpak nafte, troškovi utiskivanja i trajno uskladištena količina ugljikovog dioksida mogu se optimizirati primjenom metoda koje uključuju naizmjenično utiskivanje plina i vode (engl. Water Alternating Gas, WAG). Simulacija WAG postupka može pomoći u uspostavljanju optimalnog odnosa između navedenih parametara.

Utiskivanje CO2 u ležište se može odvijati u mješljivim i nemješljivim uvjetima, a njihova granica se definira minimalnim tlakom miješanja (engl. minimum miscibility pressure, MMP). U slučaju mješljivih uvjeta, CO2 povećava mobilnost nafte uslijed otapanja u nafti na putu od utisne do proizvodne bušotine, a u slučaju nemješljivih uvjeta ne dolazi do otapanja CO2 u nafti što znači da CO2 u ležištu teče mnogo brže od nafte prema proizvodnim bušotinama, što uzrokuje manji iscrpak nafte i veću proizvodnju prethodno utisnutog CO2. Vrijednost minimalnog tlaka miješanja najviše ovisi o sastavu nafte i temperaturi ležišta, a za određivanje točne vrijednosti minimalnog tlaka miješanja potrebna je detaljna karakterizacija faznih i volumnih promjena pri različitim tlakovima i temperaturama odnosno PVT karakterizacija nafte i smjese nafte i CO2.

Kako se CO2-EOR utiskivanje može klasificirati kao mješljivo, blisko uvjetima miješanja i nemješljivo, ista se klasifikacija može primijeniti i za WAG postupak. Voda se koristi u svrhu održavanje tlaka u ležištu iznad MMP-a i za sprečavanje ranog prodora CO2 u proizvodne bušotine. Blisko uvjetima miješanja i nemješljivo WAG utiskivanje podrazumijeva trofazni protok za koji, bez obzira na dugotrajnu primjenu WAG procesa u svijetu, još uvijek ne postoji potpuno razumijevanje promjena u sastavu fluida koje se događaju tijekom takvog protjecanja [6].

Količina CO2 zadržana u ležištu u sklopu projekta CO2-EOR postat će važna u EU ako će trgovanje s europskim emisijskim dozvolama (EUA) biti moguće na EU ETS tržištu emisija. Vulin et al. [7] su analizirali razvoj EU ETS-a, povijesnu nestabilnost cijena EUA-a te trendove povezane s kretanjem cijena prirodnog plina, ugljena i nafte kako bi se predvidjela dugoročna vjerojatnost cijena EUA-e koristeći strategiju momentum investiranja i geometrijsko Brownovo kretanje. Isto kao i cijena nafte, EUA cijena je pod utjecajem politike, ali je otkrivena određena ovisnost o cijeni i potrošnji prirodnog plina.

Kako bi se dokazalo da CO2-EOR predstavlja izvedivu, zrelu i čistu opciju korištenja i skladištenja ugljikovog dioksida (CCUS), potrebno je izdvojiti ekonomski najpovoljniju opciju koja se može primijeniti s obzirom na operativne parametre CO2-EOR procesa. Prihodi skladištenja u sklopu
CO2-EOR projekta uključuju prihod od proizvodnje nafte i prihod zbog izbjegavanja emisije CO2. Izbjegnute emisije CO2 se odnose na količinu CO2 zadržanu u ležištu tijekom EOR projekta, a ta se količina CO2 može prikazati u vidu dozvola za emitiranje koje se koriste za trgovanje na EU ETS-u. Cijena EUA na EU ETS može se promatrati kao mogući dodatni prihod osim proizvodnje nafte, a s druge strane najveći troškovi povezani su s transportom i utiskivanjem CO2 u CCUS projekte.

Optimizacija utiskivanja CO2 može se procijeniti kroz faktor iskorištavanja koji predstavlja omjer iskorištenog CO2 i proizvedene nafte. Dodatni iscrpak i retencija suprotstavljeni su parametri, tj. maksimalna retencija ne donosi uvijek maksimalan dodatni iscrpak (Slika 2). U prvim godinama
CO2-EOR, omjer retencija i iscrpka je veći, a s vremenom se taj omjer smanjuje.

20200515 2

Slika 2. Odnos retencije i dodatnog iscrpka

Slika 3 prikazuje dva ekstremna slučaja WAG utiskivanja. Lijevo (Model 3) prikazuje promjenu molarne gustoće CO2 pod potpuno mješljivim uvjetima (ležište na većoj dubini/tlaku), dok je s desne strane isto prikazano za slučaj kada se CO2 ubrizgava u nemješljivim uvjetima (pliće ležište/niži tlak). Kako se CO2 može pojaviti i u plinovitom i u tekućem stanju (superkritično stanje se u Eclipse-u tretira kao tekućina), molarna gustoća je najbolji način za vizualizaciju promjene sastava u prostoru. Povoljni slučajevi (poput onog s lijeve strane) rezultirat će većom učinkovitošću istiskivanja i posljedično većem zadržavanju (tj. uskladištenju) CO2.

20200515 3

4

Slika 3. Promjena molarne gustoće CO2 tijekom WAG utiskivanja s omjerom WAG 1: 1

Jedan od ciljeva istraživanja u okviru projekta ESCOM i STRATEGY CCUS  je razvoj sustavne metode za procjenu potencijala korištenja CO2 za dodatni iscrpak i uskladištenje. Kako bi se razvila optimizacijska funkcija za prethodno navedeno koriste se različiti numerički simulatori karakteristični za ležišno inženjerstvo (Petroleum Experts PVTp, Schlumberger PVTi, Schlumberger Eclipse), a sa svrhom razvoja statistički reprezentativnog uzorka ili matrice ulaznih parametara modela. Tako dobiveni podaci se analiziraju (pomoću drugih računalnih programa - SQL baze podataka i Python koda za obradu i prikazivanje rezultata) kako bi se dobili težinski faktori svakog parametra i matrica korelacija.

Reference:

[1] Z. Dai et al., “An Integrated Framework for Optimizing CO2 Sequestration and Enhanced Oil Recovery,” Environ. Sci. Technol. Lett., vol. 1, no. 1, pp. 49–54, Jan. 2013, doi: 10.1021/ez4001033.

[2] A. Ettehadtavakkol, L. W. Lake, and S. L. Bryant, “CO2-EOR and storage design optimization,” Int. J. Greenh. Gas Control, vol. 25, pp. 79–92, 2014, doi: 10.1016/j.ijggc.2014.04.006.

[3] S. Bachu, “Identification of oil reservoirs suitable for CO2-EOR and CO2 storage (CCUS) using reserves databases, with application to Alberta, Canada,” Int. J. Greenh. Gas Control, vol. 44, pp. 152–165, 2016, doi: 10.1016/j.ijggc.2015.11.013.

[4] J. F. D. Tapia, J. Y. Lee, R. E. H. Ooi, D. C. Y. Foo, and R. R. Tan, “Optimal CO2 allocation and scheduling in enhanced oil recovery (EOR) operations,” Appl. Energy, vol. 184, pp. 337–345, 2016, doi: 10.1016/j.apenergy.2016.09.093.

[5] S. G. Ghedan, “Global Laboratory Experience of CO2-EOR Flooding,” Apr. 2009, doi: 10.2118/125581-MS.

[6] J. R. Christensen, E. H. Stenby, and A. Skauge, “Review of WAG field experience,” SPE Reserv. Eval. Eng., vol. 4, no. 2, pp. 97–106, 2001.

[7] D. Vulin, M. Arnaut, and D. Karasalihović Sedlar, “Forecast of long-term EUA price probability using momentum strategy and GBM simulation,” Greenh. Gases Sci. Technol., vol. 10, no. 1, pp. 230–248, 2020, doi: 10.1002/ghg.1957.

_________________________________________________________________________________

Maja Arnaut, mag. ing. petrol. je asistent istraživač na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Trenutno je u završnoj fazi dovršetka doktorskog rada: Razvoj optimizacijskih kriterija za CO2-EOR metode pridobivanja nafte uz istovremeno trajno skladištenje CO2.

E-portfolio: https://moodle.srce.hr/eportfolio/view/view.php?id=122547

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Maja-Arnaut

Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=OBh7RgsAAAAJ&view_op=list_works&sortby=title

CROSBI: https://www.bib.irb.hr/pretraga?operators=and|maja%20arnaut|text|profile