Нетрадиционные месторождения нефти и газа, такие как сланцевые, отличаются высокой плотностью и низкой проницаемостью, что осложняет добычу ресурсов. В такой ситуации широко используется метод гидроразрыва пласта, когда в скважину под сильным давлением закачивают жидкости со специальными добавками. За счет этого горная порода растрескивается и образуются трещины, через которые углеводороды проходят легче. Однако такая процедура нуждается в большом количестве энергии для поддержания давления, а также приводит к сильному расходу закачиваемой жидкости, закупорке пор и химическому загрязнению. Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Китая разработали метод усиленного безводного гидроразрыва пласта с помощью сверхкритического диоксида углерода. Технология позволяет на 43% снизить давление и в 3,5 раза увеличить длину трещин по сравнению со стандартной методикой.

Статья с результатами опубликована в журнале «Geoenergy Science and Engineering», 2025.

Несмотря на свою эффективность в добыче труднодоступных сланцевых нефти и газа, гидроразрыв пласта вызывает множество технических и экологических проблем: большой расход воды, химическое загрязнение, повреждение пласта из-за закупорки пор, высокая вязкость. Все это приводит научное сообщество к поиску безводных способов повышения проницаемости горных пород, например, с использованием газа.

Наиболее перспективным считается сверхкритический диоксид углерода (SC-CO₂) – это углекислый газ, который находится в состоянии выше своих критических температуры и давления, что наделяет его уникальными физическими и химическими свойствами.

– По сравнению со стандартным методом, гидроразрыв ScCO₂ обладает более высокой смешиваемостью с углеводородами и уменьшает закупорку нефти и газа; устраняет проблемы набухания глины и загрязнения пласта; способствует образованию большой сети трещин; а также обладает потенциалом крупномасштабного хранения углекислого газа, что соответствует политике двойного использования углерода, – объясняет Владимир Поплыгин, директор Когалымского филиала ПНИПУ, кандидат технических наук.

Ученые Пермского Политеха, Китайского университета нефти и Китайской академии наук изучили, как сверхкритический диоксид углерода влияет на морфологию, длину, ширину и давление образовываемой трещины. В результате представили технологию усиленного гидроразрыва пласта, который позволяет снизить нагрузку на окружающую среду и повысить эффективность добычи ресурсов.

Методика состоит из трех этапов: сначала с помощью ScCO₂ образуются микротрещины вокруг ствола скважины (при этом порода не разрушается); затем насос, закачивающий газ, останавливается, и при поддерживающем давлении скважина насыщается CO₂, который, вступая в реакцию с минералами, ослабляет структуру горной породы, уменьшает ее прочность и плотность; и только в конце для создания трещин, увеличения их ширины и сложности используется гидравлический разрыв пласта – подача жидкости под высокой скоростью.

Исследователи экспериментально проверили эффективность технологии с помощью разработанной конструкции для проведения настоящего гидроразрыва пласта. Она состоит из системы закачки жидкости, сбора данных, электропитания и устройства трехосного гидроразрыва, то есть трехстороннего давления на образец. Испытания сланцевой породы проводили по традиционной и предлагаемой технологии.

– Результаты показали, что по сравнению с жидкостью на водной основе, усиленный гидроразрыв пласта с диоксидом углерода снижает давление на 43%, а общая длина трещин получается больше примерно в 3,48 раза и с множеством ответвлений. Образующиеся разрывы в породе по стандартной методике существуют только на поверхности сланца и не могут проникнуть внутрь, тогда как с ScCO₂ трещины распространяются вдоль плоскости напластования и, по сути, проходят через весь образец породы. Все это говорит о том, что наша усиленная технология повышения проницаемости пласта имеет большие преимущества и перспективы в добыче труднодоступных ресурсов, – рассказывает Владимир Поплыгин.

Разработанная методика сверхкритического гидроразрыва пласта с применением углекислого газа открывает новые возможности в разработке сланцевых месторождений. Способ эффективен для увеличения сложности трещин в пласте, расширения их ширины и снижения давления. Кроме того, он способствует геологическому хранению углекислого газа, что помогает решать проблемы глобального изменения климата.