استخدام كابينة الكربون وتخزينه في عمليات النفط غير التقليدية واسترداد الغازات

دور كابينة الكربون وتخزينه في النفط والغاز غير التقليديين الحديثين

وقد أدى استخراج النفط والغاز غير التقليدي إلى إعادة تشكيل أسواق الطاقة العالمية بصورة أساسية عن طريق التلاعب باحتياطيات الهيدروكربون التي اعتبرت في وقت ما بعيدة اقتصادياً أو تقنياً، كما أن التقدم في الحفر الأفقي والكسر الهيدروليكي المتعدد المراحل قد مكّن المنتجين من استخراج النفط والغاز الطبيعي من التكوينات المشددة، وودائع الميثان المشبع بالثديارات، وغيرها من أسعار المواد المنخفضة القدرة على إحداث الاحترار.

ويمثل إدماج نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في عمليات النفط والغاز غير التقليدية تقاربا استراتيجيا في إنتاج الطاقة والإدارة البيئية، وتوفر هذه المادة دراسة شاملة للكيفية التي يجري بها تطبيق نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في عمليات الإنعاش غير التقليدية، والاعتبارات التقنية والاقتصادية التي ينطوي عليها ذلك، والتحديات القائمة، والطريق المستقبلي لهذه التكنولوجيا كجزء من استراتيجية أوسع نطاقا لإلغاء الكربون، ويعتبر فهم هذه الديناميات أمرا أساسيا بالنسبة لمهنيين في مجال الطاقة، وصانعي السياسات، والمستثمرين في مرحلة الانتقال إلى مرحلة الانتقال.

Understanding Carbon Capture and Storage: Fundamentals and Mechanisms

(ب) إن عملية احتجاز الكربون وتخزينه هي عملية ثلاثية المراحل تبدأ بفصل ثاني أكسيد الكربون عن مصادر الانبعاثات، يليها النقل إلى موقع تخزين مناسب، وأخيراً الحقن في التكوينات الجيولوجية الجوفية للاحتواء الطويل الأجل، ويمكن تحقيق خطوة التقاطها من خلال عدة طرائق، بما في ذلك عمليات التقاط كميات من الوقود بعد الاحتراق باستخدام مذيبات كيميائية مثل الأمينات، والاستيلاء على كميات ما قبل الاحتراق في عمليات التغيس، وكم

ويُضغط ثاني أكسيد الكربون، بعد أن يُقبض عليه، على نحو مفرط في الأهمية، على سوائل خارقة، ويُنقل عبر خطوط الأنابيب أو السكك الحديدية أو الشاحنات أو السفن إلى موقع التخزين، ويُعتبر النقل البري أكثر الطرق شيوعاً واقتصاداً للعمليات الواسعة النطاق، حيث توجد شبكات واسعة النطاق بالفعل في مناطق مثل الولايات المتحدة وكندا والنرويج، ويتوقف اختيار موقع التخزين على معايير جيولوجية تشمل الحيازة.

وتشتمل آلية التخزين على مزيج من التخزين المادي، حيث يُحتَجز ثاني أكسيد الكربون تحت ختم غير قابل للتداول، ورسم خرائط جغرافية كيميائية، حيث يُحل ثاني أكسيد الكربون في تكوينات أو يتفاعل مع المعادن لتشكيل مركبات الكربون المستقرة، وتزيد هذه العمليات مع الوقت أمن التخزين بتقليل حركة ثاني أكسيد الكربون المحترق.() ويُفهم السلوك الطويل الأجل لثاني أكسيد الكربون في العقود الفرعية فهماً جيداً.

Unconventional Oil and Gas Recovery: Methods and Emission Profiles

وتشمل عمليات استعادة النفط والغاز غير التقليدية مجموعة من تقنيات الاستخراج المصممة لإنتاج الهيدروكربونات من التكوينات ذات القدرة الطبيعية المنخفضة، وأبرز طريقة هي الكسور الهيدروليكي، حيث أن المياه العالية الضغط والمختلطة بالبراميل والمضافات الكيميائية - قد تم حقنها في شكل كسور يخلق كسورا في الصخرة، مما يسمح بالتدفق الحر للنفط والغاز.

وتشمل الأساليب الأخرى غير التقليدية استخراج الميثان بالفحم، حيث ينتج الغاز من بحار الفحم عن طريق خفض ضغط الخزان عن طريق إزالة المياه، واسترداد الغازات الشديدة من الحجر الرملي أو تشكيلات الكربون التي تقل قدرتها على التحمل عن 0.1 ميلتر، وتولد الرمل النفطي وإنتاج النفط الثقيل، بينما تنطوي أيضا على تقنيات الاستعادة الحرارية مثل محركات الحرق المزودة بأجهزة مجهزة بأجهزة محركية(2).

ويمثل تسرب الميثان من المنجزات الجيدة، وخطوط الأنابيب، ومعدات المعالجة مصدراً قوياً جداً لانبعاثات غازات الدفيئة في العمليات غير التقليدية، حيث أن الميثان ينطوي على احتمال الاحترار العالمي أكبر من ثاني أكسيد الكربون على مدى فترة زمنية مدتها 20 عاماً، ويعطي معالجة انبعاثات غاز الميثان هذه أولوية تكميلية لنشر ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، ويقوم العديد من المشغلين بتنفيذ برامج لكشف التسربات وإصلاحها، ووحدات الاسترداد البخارية، وإدارة الانبعاثات المنخفضة الانبعاثات كجزء من مراحل التشغيل.

إدماج احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في عمليات الإنعاش غير التقليدية

ويمكن أن يتخذ إدماج ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في عملية استعادة النفط والغاز غير التقليدية عدة أشكال، كل منها يستهدف نقاطاً مختلفة في دورة حياة الإنتاج، ومن أكثر التطبيقات واعدة استخدام ثاني أكسيد الكربون كسائل مكسورة بدلاً من الماء أو بالاقتران معه، وفي حالة الكسور القائم على ثاني أكسيد الكربون، فإن ثاني أكسيد الكربون يسبب ضغطاً شديداً لخلق كسور في التكوين.

ويمكن، بالإضافة إلى استخدام ثاني أكسيد الكربون كسائل مسبب للكسر، أن يُحقن في مستودعات غير تقليدية لتعزيز استرداد النفط، بينما يجري تطبيق نهج " إيور " على مدى عقود في الخزانات التقليدية، فإن تطبيقه في التكوينات الدقيقة أكثر صعوبة بسبب انخفاض القدرة على تحمل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ووجود هياكل معقدة للزراعة، غير أن مشاريع البحث والمشاريع التجريبية قد أثبتت أن حقن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يحسن استرداد النفط في بعض الحالات غير المرخص بها.

وعلى السطح، يمكن تطبيق نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون من محطات تجهيز الغاز الطبيعي، ومحطات الضغط، وغيرها من المرافق التي تولّى السوائل المنتجة، وكثيرا ما يكون الغاز الطبيعي الخام من الآبار غير التقليدية يحتوي على كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، والكبريتيدات الهيدروجينية الأخرى التي يجب إزالتها قبل بيع الغاز، كما أن مشغل ثاني أكسيد الكربون الذي يزيل أثناء تجهيز الغاز يُنقَف عادة إلى الغلاف الجوي، ولكن يمكن بدلا من ذلك أن يُسر مخزن

الاعتبارات التقنية المتعلقة بدائرة احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في شكل تصاد

ويطرح حقن ثاني أكسيد الكربون في تشكيلات ضيقة للتخزين أو اليورانيوم تحديات تقنية فريدة، ويعني انخفاض قابلية هذه التشكيلات للاستمرار أن الحقن - المعدل الذي يمكن أن يُحقن فيه ثاني أكسيد الكربون دون أن يتجاوز ضغطه الكسور - كثيرا ما يكون محدودا، ومن أجل تحقيق معدلات الحقن التجارية، قد يحتاج المشغلون إلى كسر تكوين أو استخدام آبار أفقية ذات فترات متعددة من الحقن.

إن السلوك التدريجي لثاني أكسيد الكربون في المنطقة دون السطحية هو اعتبار حاسم آخر، ففي الظروف العادية للاحترار والضغط، يوجد ثاني أكسيد الكربون كسائل خارق للطبيعة، مع خصائص متوسطة بين الغاز والسائل، وهذه المرحلة الكثيفة لها قدرة عالية على التكوين ويمكن أن تهاجر عبر شبكة القطب بطرق تختلف عن التدفقات الجيولوجية أو الهيدروكربونية)٢(.

فوائد الجمع بين احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه والإنتاج غير التقليدي

إن دمج ثاني أكسيد الكربون في عمليات النفط والغاز غير التقليدية يوفر مجموعة من الفوائد تتجاوز الحد من الانبعاثات البسيطة أولا وقبل كل شيء، يوفر وسيلة مباشرة لتخفيض كثافة الكربون في الهيدروكربونات المنتجة، والتي تزداد أهمية في الأسواق التي تُمنح فيها الخصائص المنخفضة الكربون أقساط سعرية، المشغلون الذين يستطيعون إثبات وجود موجز أقل لانبعاثات دورة الحياة لمنتجاتهم قد يحصلون على أفضلية الوصول إلى المصافي، والمستعملين النهائيين، والأسواق المالية

كما تعزز دائرة خدمات الرقابة الذاتية استدامة تنمية الموارد غير التقليدية من خلال معالجة أحد أكثر الانتقادات البيئية وضوحاً، كما أن المجتمعات المحلية وأصحاب المصلحة الذين يقتربون من عمليات النفط والغاز يقلقون بشكل متزايد نوعية الهواء، واستخدام المياه، والآثار المناخية، إذ يمكن للمشغلين أن يثبتوا التزامهم بالإنتاج المسؤول، ويحتمل أن يقللوا من معارضة المشاريع الجديدة، وفي بعض الحالات، يمكن أن ينتجوا أيضاً منافع اقتصادية مشتركة مثل توليد الطاقة الهيدروجينية المنخفضة الكربون من الغاز الطبيعي.

ومن منظور إدارة الخزانات، يمكن لحقن ثاني أكسيد الكربون أن يحسن استعادة الهيدروكربون بما يتجاوز ما يمكن تحقيقه بأساليب الاسترداد الأولية والثانوية، وفي الخزانات غير التقليدية، يمكن أن يساعد حقن ثاني أكسيد الكربون في الحفاظ على ضغط المستودعات، والحد من تضافر أسعار النفط، وتحسين الكفاءة الشاملة، وفي حين أن عوامل الاسترداد التدريجي تكون عادة أقل من تلك التي تنطوي عليها تطبيقات أسعار الصرف التقليدية، فإنها لا تزال جذابة اقتصاديا في مجال الإيرادات المرتفعة.

سائقو الأنظمة والأسواق

وقد ازداد الدعم السياساتي المقدم إلى لجنة حفظ الموارد الحية في القارة الأمريكية زيادة كبيرة في السنوات الأخيرة، مدفوعاً بالاعتراف بأن التكنولوجيا ضرورية لتحقيق الأهداف المناخية في القطاعات التي يصعب الوصول إليها، وفي الولايات المتحدة، يوفر الائتمان الضريبي في إطار المادة 45Q إعانة مالية لكل طن من ثاني أكسيد الكربون التي تم الاستيلاء عليها وتخزينها أو استخدامها، مع زيادة الائتمانات المخصصة للتخزين في التكوينات الجيولوجية مقارنة بمؤشرات الدخل.

وبالإضافة إلى الحوافز المالية، تتطور الأطر التنظيمية لتوفير مسارات أوضح لنشر نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون، وقد وضعت وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة قواعد تسمح بآبار الحقن من الفئة السادسة، التي تستخدم في تخزين ثاني أكسيد الكربون، كما أن ولايات مثل شمال داكوتا، ووايومينغ، ولويزيانا قد سعت إلى تحقيق الأولوية على عملية السماح بذلك، كما أن وضع بروتوكولات موثوقة للتصديق والتحقق من ثاني أكسيد الكربون يساعد على تحقيق تقدم في مجال الامتثال لسوق الكربون.

كما أن ضغط المستثمرين والمستهلكين هو عامل قوي آخر، وقد أعلنت شركات النفط والغاز الرئيسية، بما فيها الشركات التي لديها حافظات غير تقليدية كبيرة، عن أهداف خفض الانبعاثات تعتمد جزئيا على نشر ثاني أكسيد الكربون، ويتزايد تدقيق المستثمرين المؤسسيين في تعرض ممتلكاتهم للخطر المناخي، وإشراك شركات الحافظات لتحسين أدائها البيئي، وفي الوقت نفسه، فإن المستعملين النهائيين لمنتجات النفط والغاز - التي تبث من شركات الطيران إلى شركات إنتاج المواد الكيميائية - ثلاثة بلدان تسعى إلى خفض الطلب على الطاقة.

التحديات التي تواجه توسيع نطاق اعتماد نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في العمليات غير التقليدية

وعلى الرغم من وعدها، فإن نشر ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في مجال استرداد النفط والغاز غير المتجانسين يواجه تحديات كبيرة يجب التغلب عليها لتحقيق اعتماد واسع النطاق، وأهم حاجز هو التكلفة، أما النفقات الرأسمالية المطلوبة لالتقاط المعدات، والضغط، وخطوط الأنابيب، وآبار الحقن، فتزيد تكاليف التشغيل المرتبطة بالطاقة والصيانة من العبء المالي، وفي غياب تركيز قوي على الكربون أو إعانات سخية، فإن تركيز ثاني أكسيد الكربون في كثير من الأحيان يقارن دون جدوى استراتيجيات خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

فالصلاحية الجيولوجية هي قيد حرج آخر، وليس لكل حوض غير تقليدي تشكيلات جيولوجية مناسبة لتخزين ثاني أكسيد الكربون بصورة آمنة ودائمة، ويجب أن تكون للمستودعات المناسبة سمات وسرعة كافية لقبول كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، وصخرة كبسولة كفؤة لمنع الهجرة التصاعدية، ووضع ثابت للتربة من أجل التقليل إلى أدنى حد من مخاطر حدوث الزلازل بسببه.

ولا تزال المسؤولية الطويلة الأجل والقبول العام غير مسوَّغين في العديد من الولايات القضائية، وعندما يُحقن ثاني أكسيد الكربون في المنطقة دون الإقليمية، يجب على المشغل أن يثبت أنه سيظل مُحتَجَّماً في المستقبل المنظور، وهو ما يتطلب الرصد والنماذج المستمرين، وأن نقل المسؤولية الطويلة الأجل من المشغل إلى الحكومة بعد إغلاق الموقع هو مسألة تصميم سياسات، مع اعتماد بلدان مختلفة لنهج مختلفة.

الثغرات التكنولوجية وأولويات البحوث

وتركز البحوث الجارية على التصدي للتحديات التقنية التي تحد من انتشار ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في البيئات غير التقليدية، وتحتوي تكنولوجيات التقاط متقدمة، بما في ذلك فصل الخيوط، والصلابة، والأساليب الكهروكيميائية، على إمكانية تخفيض عقوبة الطاقة وتكاليف احتجاز ثاني أكسيد الكربون، ولا سيما بالنسبة لمصادر التركيز المنخفض.

وبالنسبة للمستودعات غير التقليدية على وجه التحديد، يلزم إجراء بحوث لتحسين فهم التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون ومصفوفة التكوين في ظل ظروف عالية الكساد وقابلية للتأثر، وهي ظروف نموذجية للتشكيلات الشائكة والشديدة، كما أن التجارب المختبرية والطيارين الميدانيين يستكشفان استخدام ثاني أكسيد الكربون كسائل مسبب للكسر، بما في ذلك إضافة أجهزة قياسية للاختلالات والثباتات العضوية لتحسين القدرة على الارتقاء ثاني أكسيد الكربون.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

وتوفّر عدة مشاريع واسعة النطاق في مجال حفظ ثاني أكسيد الكربون دروسا قيّمة لدمج التكنولوجيا في عمليات النفط والغاز غير التقليدية، ويُستحوذ مشروع كويست في ألبرتا، كندا، الذي يديره شل، على نحو مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا من وحدات إنتاج الهيدروجين في مصفاة سكتفورد، ويحقنها في طبقة مياه جوفية ملحة عميقة، وقد حقق كويست معدلا لاست يزيد على 80 في المائة، وخزن أكثر من 8 ملايين طن في مكان آخر من ثاني أكسيد الكربون.

وفي الولايات المتحدة، كان مشروع " بتا نوفا " في تكساس من أكبر نظم التقاط ما بعد الاحتراق في العالم، حيث استولى على ثاني أكسيد الكربون من محطة توليد الطاقة بالفحم، واستعماله لـ " إيور " في ميدان النفط في غربي مجاورة، ورغم أن المشروع قد تم سحبه في عام 2020 بسبب انخفاض أسعار النفط، ومنذ ذلك الحين، فقد أظهر القدرة التقنية على استيعاب أسعار النفط في إطار " EOR " ، وأبرز أهمية وضع أطر سياسات داعمة.

ويتصل مشروع سداسي كلورون - ميديرل (Sskatchewan-Midale CO2) بصورة مباشرة أكثر بعمليات غير تقليدية، حيث نشر جزء كبير من ثاني أكسيد الكربون المشبع من مصنع لتغويز الفحم في داكوتا الشمالية عن طريق خط أنابيب يبلغ 330 كيلومتراً، بينما يشكل مجال التحقق موقعاً محفوظاً تقليدياً للكربون(2).

وقد أعلنت عدة مشاريع ناشئة عن إنشاء مراكز تخزين كبيرة لثاني أكسيد الكربون، من خلال مصادر غير تقليدية، وفي حوض بيرمي، كان بإمكان المشغلين، بما في ذلك النفط الأوكسيدلي وشركة إكسون موبيل، أن يخططوا لتطوير مراكز تخزين كبيرة لثاني أكسيد الكربون، بحيث تلتقط الانبعاثات من مصادر صناعية متعددة، وتحقنها في تشكيلات ملحة عميقة أو مستودعات مستنفدة، كما أن البرميين هم أكثر مصادر إنتاجية للنفط(2).

الآفاق الدولية والجهود التعاونية

إن نشر ثاني أكسيد الكربون في النفط والغاز غير المطابقين ليس مقصورا على أمريكا الشمالية في النرويج، شركة إكنور المملوكة للدولة تقوم بحرق ثاني أكسيد الكربون من مرافق تجهيز الغاز الطبيعي في منطقة أوتسيرا الواقعة تحت البحر الشمالي منذ عام 1996، في ما كان أول مشروع مكرس للتخزين البحري في العالم، بينما كان إنتاج الغاز الطبيعي في النرويج من المستودعات التقليدية،

وفي الشرق الأوسط، ما فتئت أرامكو السعودية تحقن ثاني أكسيد الكربون في حقل النفط في العثمانية منذ عام 2015 كجزء من مشروع تجريبي يشمل أيضاً احتجاز ثاني أكسيد الكربون من مصنع لتجهيز الغاز، ويهدف المشروع إلى تقييم جدوى ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على نطاق واسع في حقول المنطقة الكبيرة، التي ينتج العديد منها الآن بمساعدة تقنيات التحفيز غير التقليدية، حيث أن احتياطيات النفط العربية في الشرق الأوسط ذات التكلفة العالية، تجعل من الطاقة الكهربائية.

وفي آسيا، كان مشروع Gorgon LNG في أستراليا حقن ثاني أكسيد الكربون من تجهيز الغاز الطبيعي إلى طبقة مياه جوفية عميقة تقع تحت جزيرة بارو منذ عام 2019، وغورغون هو أحد أكبر مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون في العالم، حيث بلغت القدرة على تصميمها ما يصل إلى 4 ملايين طن سنويا، وواجه المشروع تحديات تقنية تتصل بالحقن التي لها أحجام فعلية محدودة من حيث الحقن، مما يؤكد أهمية وجود موقع شامل للمواقع.

الآفاق المستقبلية والتوقعات الاستراتيجية

وسيشكل مسار احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في مجال استرداد النفط والغاز غير المتجانس بمزيج من التقدم التكنولوجي، ووضع السياسات، وديناميات السوق، ومن المتوقع، من الناحية التكنولوجية، أن يؤدي استمرار الابتكار في عمليات التقاط النفايات إلى خفض التكاليف واستهلاك الطاقة، مما يجعل احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه أكثر قدرة على المنافسة مع خيارات أخرى لخفض الانبعاثات.

إن تأكيد السياسات أمر أساسي لفتح الاستثمار اللازم لربط دائرة تكنولوجيا المناخ بالمشاريع التجريبية بالنشر على نطاق الصناعة، وتوسيع نطاق الائتمان الضريبي البالغ 45Q في الولايات المتحدة، وإنشاء عقود الكربون للفرق في المملكة المتحدة، وإدراج تكنولوجيا ثاني أكسيد الكربون وتخزينها في الاستراتيجية الصناعية الصافية الصفرية للاتحاد الأوروبي، كلها إشارات إيجابية تحفز بالفعل على تطوير المشاريع، ويمكن أن يؤدي إنشاء مراكز تخزين الكربون والهياكل الأساسية المشتركة التي تدعمها المنح الحكومية أو الشراكات في مجال التكلفة.

ومن المحتمل أن يكون اعتماد نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون خياراً استراتيجياً يؤثر على دور القطاع في عالم يزيل الكربون، ويحتمل أن تكون العمليات التي تستثمر بصورة استباقية في تكنولوجيا ثاني أكسيد الكربون وغيرها من تكنولوجيات خفض الانبعاثات قادرة على الحفاظ على إمكانية الحصول على رأس المال والأسواق والرخصة الاجتماعية، بينما تلك التي قد تواجه تأخيراً في زيادة الضغط التنظيمي، وخطر التقاضي، وضريبة تنافسية.

إن تقارب ثاني أكسيد الكربون وتخزينه مع انتعاش النفط والغاز غير التقليدي ليس مجرد ضرورة بيئية بل هو فرصة اقتصادية، إذ يمكن أن يؤدي هذا التقارب إلى تحقيق تخفيضات قابلة للقياس في الانبعاثات، مع دعم أمن الطاقة والقدرة التنافسية الصناعية، وسيتطلب المسار المستقبلي تعاونا مستمرا بين الصناعة والحكومة والأوساط الأكاديمية والمجتمع المدني لمعالجة ما تبقى من حواجز تقنية واقتصادية واجتماعية.

For further reading on the technical and policy dimensions of CCS, the Global CCS Institute) provides comprehensive resources and project data. The International Energy Agency offers regular analysis of CCS deployment trends and policy recommendations. The