Песчаники истощенных газовых месторождений Северного моря оказались малопригодны для связывания CO₂ в твердых минералах. В этом убедились ученые из Аберистуитского и Открытого университетов Великобритании, исследовавшие месторождение Леман в британском секторе Северного моря. По их расчетам, за 1000 лет каждый кубометр породы сможет связать в минеральной форме всего лишь 15,4 грамма CO₂. Вместе с тем слабая минерализация позволит сохранить проницаемость и другие характеристики резервуара, важные для закачки углекислого газа.
Газовое месторождение Леман расположено примерно в 50 км от побережья английского графства Норфолк. Его песчаниковая формация выбрана для Poseidon – первого в Великобритании проекта геологического хранения CO₂. Закачку углекислого газа в истощенный резервуар планируется начать в 2029 году, а его потенциальная вместимость оценивается примерно в 1 млрд тонн. CO₂ можно удерживать под землей несколькими способами: запирать в порах и геологических ловушках, растворять в пластовой воде или связывать в твердых минералах. Последний способ считается наиболее надежным в долгосрочной перспективе, поскольку углерод становится частью породы и уже не может свободно перемещаться внутри пласта.
Чтобы оценить потенциал такого связывания, ученые исследовали десять образцов керна, отобранных из скважины на глубине от 2054 до 2064 м. С помощью оптической и электронной микроскопии и рентгеновского анализа они определили состав и структуру песчаника, после чего объединили полученные данные с химическим составом пластовой воды и смоделировали взаимодействие CO₂, воды и породы на протяжении 1000 лет. Расчеты проводились при температуре 51 °C и давлении 208 бар, характерных для резервуара.
Исследование показало, что песчаник Лемана состоит главным образом из кварца, полевых шпатов, глинистых минералов и слюды, при этом карбонатов в изученных образцах обнаружено не было. После закачки CO₂ растворяется в пластовой воде и повышает ее кислотность: в модели показатель pH снизился с первоначальных 4,7 примерно до 4,1. Кислая среда способствует растворению некоторых минералов породы и высвобождению элементов, которые затем могут вступать в реакцию с растворенным CO₂ и образовывать новые карбонаты. Однако в песчаниках Лемана эти процессы протекают очень медленно.
Из трех карбонатных минералов, образование которых рассматривалось в модели, сформировался только доусонит – минерал, содержащий натрий и алюминий. Кальцит и магнезит не образовывались прежде всего из-за недостатка доступных кальция и магния. Образованию магнезита дополнительно препятствовала сравнительно низкая температура пласта – 51 °C, тогда как необходимые для этого реакции активно протекают при температуре не менее 80 °C. Натрия для образования доусонита в пластовой воде было достаточно, а алюминий постепенно высвобождался при растворении некоторых минералов песчаника. Однако этот процесс шел медленно, что и ограничивало объем связываемого CO₂.
На объем минерализованного CO₂ сильно влияла площадь поверхности минералов, непосредственно участвующей в химических реакциях. Когда в модели ее уменьшали в десять раз, количество связанного CO₂ сокращалось на 87%. При десятикратном увеличении площади поверхности, наоборот, минерализация возрастала более чем втрое, а помимо доусонита начинал образовываться кальцит. То есть одная из главных причин слабой минерализации в Лемане – низкая химическая активность песчаника: его минералы растворяются слишком медленно и поэтому не успевают высвободить достаточно элементов для связывания больших объемов CO₂
По расчетам исследователей, за 1000 лет новые карбонатные минералы займут настолько небольшой объем порового пространства, что первоначальная пористость песчаника сократится всего на 0,018%. С одной стороны, это подтверждает крайне слабую минерализацию CO₂ в Лемане: основная часть углекислого газа будет храниться в порах и геологических ловушках либо растворяться в пластовой воде. Но вместе с тем образующиеся минералы практически не будут закупоривать поры и мешать движению CO₂ по пласту, благодаря чему резервуар сможет сохранять способность принимать закачиваемый газ.
В целом же результаты исследования актуальны и для других проектов подземного хранения CO₂ в песчаниках. Их способность связывать углекислый газ может существенно различаться в зависимости от состава породы и наличия в ней химически активных минералов. Поэтому при выборе хранилищ исследователи рекомендуют заранее оценивать не только объем и пористость резервуара, но и его минеральный состав, от которого во многом зависит, какая часть закачанного CO₂ со временем сможет перейти в твердую форму.
