Добывающая промышленность ежегодно выбрасывает в атмосферу около 10 млрд тонн углекислого газа, половина из них остаются в атмосфере в течение долгого времени. Однако Мировой океан и биосфера являются хорошими поглотителями CO₂. Но они не могут решить полностью проблему выбросов и их накопления в атмосфере.

Большинство исследователей склонны полагать, что глобальное потепление в основном является результатом антропогенного воздействия человека на углеродный цикл. К 2040 году прогнозируется достижение увеличения температуры в 1,5 градуса С⁰, предела, который обсуждался в Парижском соглашении 2015 г.

Если говорить о вариантах реагирования на сегодняшний день, то можно отметить, что ряд ведущих мировых компаний концентрирует свое внимание на увеличении количества поглотителей, например, проекты по посадке лесов. Другие выбирают путь уменьшения выбросов в процессе производственной деятельности. Третьи работают над проектами по хранению CO₂.

Нефтяная промышленность уже много десятилетий практикует использование диоксида углерода в качестве агента в методах увеличения нефтеотдачи, хранение CO₂ в пластах выработанных залежей углеводородного сырья и в минерализованных водоносных горизонтах. Подробное техническое резюме о методах представила в своем докладе Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) [3].

Однако данные способы, наряду с преимуществами, имеют недостаток в необходимости постоянного контроля за тем, чтобы СО₂ не просачивался обратно на поверхность. Углекислый газ закачивается для хранения на глубине ниже 800 метров, где из-за изменения давления и температуры происходит фазовый переход из газовой фазы в так называемую сверхкритическую фазу. Но эта фаза CO₂ все еще менее плотная, чем пластовые флюиды в резервуаре, и из-за этой разницы в плотности СО₂ движется вверх по пласту до тех пор, пока не столкнется с прочным барьером проницаемости. Поэтому, как правило, геологический резервуар для хранения выбирается с покрывающей породой, имеющей низкую проницаемость.

На рис. 4 представлены потенциальные механизмы утечек.

После захоронения СО₂ с течением времени будут происходить изменения. Со временем газ растворится в пластовом флюиде и будет взаимодействовать с породами резервуара, но выталкивающая сила является критическим моментом процесса и важно уделять особое внимание безопасности хранения СО₂ в геологических резервуарах, которые не являются герметичным контейнером: в заброшенных скважинах и истощенных резервуарах нефти и газа бывших углеводородных месторождений присутствуют трещины и разломы. Существует большой риск того, что СО₂ просочится обратно на поверхность и попадет в атмосферу [3].

Ввиду необходимости определения оптимального способа хранения СО₂ ученые задумались над поиском и разработкой метода хранения СО₂ в геологических резервуарах, но с меньшим риском просачивания в атмосферу. И очевидно, что сама природа продемонстрировала такую возможность посредством процесса минерализации. В процессе выветривания силикатных пород углекислый газ минерализуется и превращается в карбонаты, в основном в известняк.

С точки зрения постоянного хранения СО₂ способ закачки в пласт с силикатными породами для его минерализации в карбонаты имеет ряд особенностей. Необходимым условием является то, что силикатные породы должны быть обогащены кальцием, магнием или железом.

Данный процесс карбонатной минерализации возможно спроектировать с двухвалентными катионами (Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺). Рассмотрим реакции карбонатной минерализации СО₂:

4Mg₂SiO₄ + CaMgSi₂O₆ + 6H₂O + CO₂ = 3Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + CaCO₃

2Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + 2Mg(OH)₂ + 2CO₂ = 2Mg₃Si₂O₅(OH₄) + 2MgCO₃ + 2H₂O

CaAl₂Si₂O₈ + CO₂ + 2H₂O = CaCO₃ + Al₂Si₂O₅(OH)₄

В процессе минерализации СО₂ объединяется с двухвалентными катионами, происходят простые реакции с идеальными силикатными породами, богатыми ионами кальция и магния, превращаясь в минерал оливин или пироксен, которые в основном взаимодействуют с водой, содержащейся в СО₂, и осаждают кальцит.

Следующая реакция, где присутствуют серпентин и брусит, последний вступает в реакцию с СО₂ и образует карбонат магния в базальтовых породах. Как известно, базальтовые породы богаты плагиоклазом. Кальций и плагиоклаз реагирует с СО₂ и водой, таким образом образуются кальцит и глинистый минерал.

Проектирование процесса карбонатной минерализации СО₂ аналогично естественному природному – медленный процесс. Искусственный процесс необходимо ускорять.

В ходе исследования [4] скорости реакции минералов силиката кальция и магния были получены данные результатов лабораторных экспериментов, как показано на графике зависимостей на рис. 6.

Также известны скорости реакций из лабораторных экспериментов, в которых тестировали скорость реакции на измельченных материалах или на отдельных минералах, которые известны из исследований численного моделирования с резервуарами, имеющими потенциал для минерализации СО_2. В соответствии с опубликованной статьей [5] проводились исследования песчаника Утсира, который является основным резервуаром для хранения CO₂ в Северном море. На рисунке 7 показан закачиваемый газ или процент закачиваемого СО₂, остающийся в виде газа в резервуаре с течением времени и та его часть, которая растворяется в пластовых флюидах и минерализуется в пласте. В данном резервуаре-хранилище процесс минерализации незначителен, ввиду того что песчаник в основном не богат минералами силиката кальция и магния. В сравнении с бассейном в Китае он также является осадочным, но отличается тем, что отложения богаты минералами силиката кальция, магния и особенно хлорида хлора, где процент СО₂ минерализуется и осаждается в виде карбонатных минералов, со временем увеличивается и начинает преобразовываться через 10 лет. Таким образом становится очевидной возможность ускорения искусственного процесса минерализации.

Рассмотрим пилотный проект [6, 7] преобразования СО₂ в стекловидных базальтовых породах с низкой проницаемостью рис. 8.

Первоначальный пик находится на шестидесятом дне, а затем происходит падение радиоуглерода, которое остается постоянным, поэтому не выявлено основного пика после 400 дня, наблюдаемого ранее. Серым цветом выделен растворенный неорганический углерод в флюидах, а красным цветом – ожидаемая его концентрация, если в пласте происходит только чистое смешивание. Присутствует огромная разница в потере растворенного углерода в данной контрольной скважине. Данная потеря углерода очевидно указывает на то, что 98 % закачанного СО₂ вступило в реакцию путем карбонизации породы и происходит взаимодействие флюида породы с базальтовыми породами, что в пилотном масштабном проекте демонстрирует, что данные действия в резервуаре происходят очень быстро и приводят к постоянному хранению СО₂ в форме карбонатных минералов.

Рассмотрим результаты исследований [8] на рис. 9 с массивными базальтовыми месторождениями в Сибири.

На карте Ямальская газонефтеносная область (ЯГНО) расположена на крайнем северо-западе и является одной из потенциальных площадок для проведения опытов в минерализации СО₂. Анализ ее газонефтеносности, включая характеристику отдельных месторождений, физико-химических свойств приведен в работе [9].

Можно найти описание отложений по материалам геолого-геохимического отряда Карской ПГП (А.М. Юрченков, 1996 г.) на основе исследования керна и шлама на Восточно-Бованенковском месторождении скважины 11. Породы представлены глинистыми мергелями, обогащенными тонкодисперсным органическим веществом, карбонатно-глинистыми полосчатыми (также богатыми органикой) породами флишоидного типа и оливин-пироксеновыми долерито-базальтами.

В связи с вышеизложенными актуальными подтверждениями возможности искусственного процесса минерализации необходимо целенаправленное геологическое изучение месторождений Сибири с базальтовыми породами для проектирования процесса карбонатной минерализации СО₂. Российская Федерация обладает значительным потенциалом в области захоронения CO₂ в недрах, а также конкурентными преимуществами, учитывая особенности развития нефтегазовой отрасли.

Литература

1. Friedlingstein P., O'Sullivan M., [and etc.]: Global Carbon Budget 2022, Earth Syst. Sci. Data, 14, 4811–4900, 2022.

2. Клэр Нуллис. Специальный доклад о глобальном потеплении на 1,5 °С // Бюллетень ВМО. – 2018. – Т. 67, № 2. – С. 4–7.

3. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Техническое резюме. Улавливание и хранение двуокиси углерода. 2005. 66 с.

4. Snæbjörnsdóttir, S.Ó., Sigfússon, B., Marieni, C. et al. Carbon dioxide storage through mineral carbonation. Nat Rev Earth Environ 1, 90–102, 2020.

5. Harrison, A. L., Tutolo, B. M. & DePaolo, D. J. The role of reactive transport modelling in geologic carbon storage. Elements 15, 93–98, 2019.

6. Matter, J. M. et al. Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions. Science 352, 1312–1314, 2016. Reports on the results from the rapid mineralization of the CarbFix pilot injection.

7. Snæbjörnsdóttir, S. Ó., Gislason, S. R., Galeczka, I. M. & Oelkers, E. H. Reaction path modelling of in-situ mineralisation of CO2 at the CarbFix site at Hellisheidi, SW-Iceland. Geochim. Cosmochim. Acta 220, 348–366, 2018.

8. Hartmann, J. & Moosdorf, N. The new global lithological map database GLiM: a representation of rock properties at the Earth surface. Geochem. Geophys. Geosyst. 13, Q12004, 2012.

10. Щербакова, К.О. Инженерные решения глобальных проблем устойчивого развития / К.О. Щербакова, Б.А. Овезов, Н.В. Соловьев // Новые идеи в науках о Земле : Материалы XIV Международной научно-практической конференции: в 7 томах, Москва, 02–05 апреля 2019 года. Том 4. – Москва: Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе, 2019. – С. 317–320. – EDN KGXMAS.