Геологическое захоронение диоксида углерода. Теория, история и методология

А.Н. Дмитриевский
С.А. Хан
В.Г. Дорохин

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАХОРОНЕНИЕ 
ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Теория, история и методология

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2023

УДК 543.272+553
ББК  35.20
         Д53

Дмитриевский А.Н.
Д53      Геологическое захоронение диоксида углерода. Теория, история 

и методология / А.Н. Дмитриевский, С.А. Хан, В.Г. Дорохин. —  
Москва : ФЛИНТА, 2023. — 296 с. : ил. — ISBN 978-5-9765-5282-1. 
— Текст : электронный.

Настоящее издание подготовлено с целью объединения многочисленных экспериментальных данных, результатов теоретических и 
численных исследований в области хранения смесей неуглеводородных газов, основной компонент которых — СО2. По форме издание представляет «азбуку неуглеводородных газов», которые следует 
знать, развивать и внедрять. В каждой главе авторы проводят исторические экскурсы, отсылая читателей к имеющейся литературе по 
рассматриваемым вопросам и помогая войти в сложный мир цифр, 
формул и понять их с точки зрения великих древних открытий. Такая информация позволяет гуманитаризировать научные знания и 
повысить эрудицию читателей.
Обзор рассчитан на широкий круг читателей, специалистов в области разработки нефтяных и газовых месторождений, подземного 
хранения газа, учащихся высших и средних специальных учебных 
заведений нефтегазового профиля.

УДК 543.272+553
ББК  35.20

ISBN 978-5-9765-5282-1 
© Дмитриевский А.Н., Хан С.А.,  
     Дорохин В.Г., 2023
© Издательство «ФЛИНТА», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

Чтобы удивиться, нужно мгновение, а 
чтобы сделать удивительную вещь, нужны 
годы терпения и упорного труда

К. Гельвеций

Назначение этой книги — удивить и доставить удовольствие нашим читателям и показать науку с философским оттенком, с историческими красками, погрузившись в мир сложных формул, расчетов, 
экспериментов, теорий из разных областей.
Художественно изложить научный текст не так-то и просто, но его 
можно изобразить. А ведь именно художники нередко обращаются к 
науке в поисках вдохновения. Норвежский художник Эдвард Мунк в 
своем дневнике рассказывал, что был вдохновлен кроваво-красным небом, которое он увидел во время прогулки с друзьями перед тем, как 
написать картину «Крик» в 1893 г. Удивительная атмосфера картины 
породила немало споров, но что же увидел на небе Э. Мунк? Предполагали, что художник на прогулке наблюдал пепел вулкана Кракатау 
после его извержения в 1883 г., а метеоролог из Университета г. Осло 
Хелен Мюри высказала другую точку зрения, что Э. Мунк видел в 
небе редкое явление — перламутровые облака, причиной появления 
которых становятся низкие температуры и высокая степень освещенности. Немецкая художница и энтомолог Мария Сибилла Мериан видела красоту, изображая на своих картинах насекомых. В 1705 г. художница изобразила тарантула, поедающего колибри. Ее гравюра была 
раскритикована и названа «чистой выдумкой», но позже было доказано, 
что существуют пауки в природе, питающиеся мясом птиц, и в конечном итоге гравюра дала название целому семейству пауков-птицеедов.  
И до сих пор исследователи по всему миру ищут некоторых из запечатленных ею представителей насекомых, метаморфозы жизни, которые 
Мериан изобразила в своих ярких работах начала XVIII в.

Находясь под впечатлением природных явлений, многие художники изображали такие моменты на своих картинах, которые изучались учеными. Небезызвестный британский живописец Уильям Тернер нарисовал свои знаменитые закаты, будучи под впечатлением от 
вулканических выбросов, вызванных извержением вулкана Тамбора 
на индонезийском острове Сумбава в 1815 г. (например знаменитая 
картина «Дидона, основательница Карфагена», 1815 г., «Заход солнца 
во время всемирного потопа», 1830-е годы). Это извержение стало 
самым мощным в истории человечества. Пепел от столба извержения рассеялся по всему миру, в результате чего установились глобальные климатические аномалии, что привело в 1816 г. к событию, 
известному как «Год без лета». Этот короткий промежуток времени 
значительного изменения климата вызывал экстремальные погодные 
условия и неурожаи во многих районах мира, что привело к гибели 
десятков тысяч человек из-за голода и болезней во время «вулканической зимы», последовавшей после извержения. При этом несколько 
климатических воздействий, связанных с изменением потока энергии 
в атмосфере и вызванных природными или антропогенными факторами изменения климата, совпали и взаимодействовали систематически, что не наблюдалось со времен раннего каменного века после 
крупных извержений вулканов. Но благодаря картинам У. Тернера и 
других художников ученые сделали открытие, что количество красного и зеленого вдоль горизонта на картинах дает экологическую информацию о количестве аэрозолей в атмосфере. Обратимся к журналу 
«Atmospheric Chemistry and Physics» [1], в котором опубликованы результаты исследователей под руководством К. Зерефоса. Были проанализированы 124 картины, принадлежавшие кисти 181 художника 
и написанные в период с 1500-го по 2000 г., в результате обнаружена 
корреляция соотношения красного и зеленого с количеством вулканических аэрозолей в атмосфере. Атмосферные физики убеждены, что 
ключом для изучения уровня загрязнения атмосферы Земли и химических веществ в воздухе является именно цвет закатов. А.И. Куинджи также писал потрясающие закаты (например «Закат в степи на 
берегу моря», 1900-е годы, «Красный закат», 1900-е годы), и до сих 
пор ученые используют картины У. Тернера, А.И. Куинджи и другие 
картины мастеров (Генри Петера, И.К. Айвазовского, Клода Моне  

и т.д.) для получения ретроспективной информации о составе атмо- 
сферы.
Кто бы мог подумать, что пейзажи будут помогать климатологам 
изучать состояние атмосферы в прошлом. Но после достижения определенного технологического уровня наука склонна сливаться с искусством, о чем говорил еще известнейший физик Альберт Эйнштейн.  
А по словам американского философа и натуралиста XIX в. Генри  
Дэвида Торо: «Этот мир — всего лишь холст для нашего воображения».
Конечно, мощность вулканических выбросов гораздо выше антропогенных, но с учетом того, что вулканы просыпаются не часто, и за 
500 лет по всему миру произошло чуть более 50 крупных извержений вулканов, антропогенные выбросы ежедневны и, начиная с эпохи 
промышленной революции, количество выбросов неуклонно растет. 
Интенсивность воздействия антропогенных выбросов на окружающую среду имеет свои территориальные и временные масштабы, так 
как увеличивающийся объем газообразных промышленных выбросов 
происходит в основном в экономически развитых странах. В течение 
следующих 20 лет прогнозируется рост промышленности в развивающихся странах, что может привести к резкому поступлению газо- 
образных промышленных выбросов в биосферу. Но, начиная с определенного уровня развития экономики, уже не будет наблюдаться прямая 
зависимость между выбросами парниковых газов и уровнем жизни.  
В любом случае без мер по снижению выбросов через несколько десятилетий изменения в окружающей среде приведут к большому ущербу.
Надеемся, что данная книга привлечет внимание к проблематике 
геологического захоронения диоксида углерода и будет полезна широкому кругу читателей как специалистов газовой отрасли, так и смежных отраслей.
Авторы выражают особую благодарность и признательность сотрудникам ООО «Газпром ВНИИГАЗ» С.О. Оводову, А.В. Гусакову,  
О.Г. Михалкиной, Е.О. Семенову, В.М. Троицкому, В.Ю. Хвостовой за 
существенный вклад при проведении исследований и оказанную помощь при подготовке рукописи к изданию.

ВВЕДЕНИЕ

Очень легко делать удивительные открытия, но трудно усовершенствовать их в 
такой степени, чтобы они получили практическую ценность.

Томас Эдисон

Углекислый газ, или диоксид углерода, был открыт в 1754 г. шотландским химиком и медиком Джозефом Блэком. Он много сделал в 
области исследования газов. При жизни его избрали членом Петербургской академии наук, а через много лет его именем назвали лунный кратер.
Интересна предыстория открытия диоксида углерода. Ею послужила работа госпожи Стефанс, которая придумала лекарство для облегчения страданий от камней в мочевом пузыре. Лекарство было настолько эффективным, что в 1739 г. «Лондонская газета» ради повышения 
своего тиража выкупила у госпожи Стефанс секрет его приготовления. За это газета заплатила неслыханно огромную по тем временам 
сумму изобретательнице лекарства — пять тысяч фунтов стерлингов. 
Дословный перевод состава лекарства, так оцененного в свое время, 
стоит того, чтобы его воспроизвести полностью. Он был опубликован 
в журнале «Химия» [2].
«Мои лекарства суть порошок, отвар и пилюли. Порошок состоит 
из яичной скорлупы и прокаленных улиток. Чтобы получить отвар, 
нужно варить некоторые травы с шаром, приготовленным из мыла, обугленного кресса и меда. Пилюли состоят из прокаленных улиток, семени дикой репы, репейника, шиповника и овса (все они должны быть 
обуглены), мыла и меда. Яичная скорлупа и улитки прокаливаются в 
тигле в течение восьми часов, окруженном углем, а затем перемещаются в глиняный сосуд в сухой комнате, где они и остаются в течение двух месяцев. Здесь скорлупа становится мягкой на вкус и распадается в порошок. Улитки нагреваются в тигле до полного удаления 
запаха, а затем в ступке растираются в порошок. Пропорция такова:  

6 частей яичной скорлупы на 1 часть порошка улиток. Последний  
может быть приготовлен только в мае, июне, июле и августе. Травы 
для отвара: зеленая ромашка, сладкий укроп, петрушка, репейник, 
листья или коренья».
Потрясающий рецепт. Кто из современных провизоров возьмется 
его повторить? Но в действительности рецепт достаточно простой и 
заключается в получении жесткого средства для растворения мочевых камней.
В то время химия и медицина представляли собой единое целое. 
Будучи медиком, Д. Блэк интересовался всеми достижениями в области лекарственных средств. Как медик, он искал более мягкое средство для удаления мочевых камней, а как ученый химик расшифровал «действующее начало» этого лекарства. В итоге после нескольких 
лет работы Д. Блэк обнаружил эффект, как он описал, высвобождения 
«фиксированного воздуха» из твердого тела, если на известняк подействовать кислотой. Это и был диоксид углерода. Продолжая исследования, Д. Блэк показал, что при взаимодействии едкой извести с 
«фиксированным воздухом» образуется известняк, а это значит, что 
газ имеет кислые свойства, и таким образом полученный им газ отличается от обычного воздуха.
Все эти работы стали основой для следующего чрезвычайно важного открытия — парникового эффекта и диоксида углерода как его  
основы.
В атмосфере Земли, как известно, содержатся различные газы — 
кислород (О2), азот (N2), диоксид углерода (CO2), аргон (Ar), метан (CH4), 
оксид азота (I) или закись азота (N2O) и другие в значительно меньших количествах, а также пары воды. Земля поглощает весь световой 
спектр, который пропускают двухатомные (неполярные, гомонуклеарные) и одноатомные газы — N2, O2, H2, Ar и т.д. Двухатомные (полярные, гетеронуклеарные) и многоатомные (трехатомные и более) газы —  
СН4, СО, N2О, NOх (NO и NO2), пары воды и т.д. — пропускают видимый свет, однако они непрозрачны для инфракрасного излучения [3—
6]. Эти газы препятствуют отдаче накопленного Землей тепла и такие 
газы стали называть парниковыми газами. Основная ответственность за 
изоляцию инфракрасного излучения лежит на диоксиде углерода. Количество других многоатомных газов, за исключением водяного пара, 
в земной атмосфере на несколько порядков ниже диоксида углерода. 

Но, как считают многие ученые, именно благодаря диоксиду углерода 
атмосфера Земли представляет собой термодинамический равновесный теплоизолятор, который держит разницу в 39 °С между средней 
температуры поверхности Земли +15 °С и эффективной температурой 
верхнего слоя атмосферы (122 км по расчетам NASA) –24 °С [7—11].
Изучение парникового эффекта сводится к свойствам и поведению 
диоксида углерода. Следует подчеркнуть, что основным естественным парниковым газом, на долю которого приходится более 60 % 
парникового эффекта, является водяной пар. Но в результате конденсации водяного пара и образования облаков увеличивается альбедо 
(диффузная отражательная способность), что приводит к антипарниковому эффекту. Водяной пар поглощает все длины волн за исключением диапазона 8—12 мкм. Но на этот диапазон попадает полоса 
поглощения СО2. Концентрация водяного пара в среднем по Земле 
меняется мало, а концентрация СО2 растет. Поэтому за счет целого 
ряда факторов суммарный вклад СО2 в увеличение поглощения теплового излучения Земли весьма значителен. На сегодняшний день 
в различных странах ведется постоянный контроль за содержанием 
парниковых газов в атмосфере.
Таким образом, атмосфера Земли частично задерживает электромагнитные волны (в основном инфракрасные волны). Этому способствует увеличение диоксида углерода в атмосфере. В свою очередь, 
увеличение СО2 в околоземном пространстве увеличивает температуру на Земле.
За последнее время средняя температура на Земле повысилась 
на 10 °С по сравнению с 70-ми годами прошлого века. Повышалась  
ли температура раньше? Да! 1000 лет назад температура повышалась 
на 2 °С, а 2000 лет назад было длительное похолодание, когда вымерли 
многие растения и животные на Земле.
Постоянный рост содержания в атмосфере СО2 был надежно доказан исследованиями, проведенными в обсерватории Мауна-Лоа 
на Гавайских островах. Результаты исследований показывают, что с 
1959-го по 2022 г. объем СО2 вырос с 305 до 421 ppm (ppm миллионная доля или 0,0001 %, выражается в мг/кг, г/т, мг/м3). Таким образом, возникла настоятельная необходимость принятия мировым сообществом действенных решений по защите климатической системы  
Земли [12, 13].

Под давлением ученых в 1992 г. была принята Рамочная конвенция 
ООН об изменении климата (РКИК), в которой было продекларировано два основных вывода:
 – уровень поступления парниковых газов в атмосферу необходимо регулировать так, чтобы обеспечить стабильный рост экономики в соответствии с принципами устойчивого равновесия  
(Статья 2);
 – всем странам следует защищать климатическую систему на благо 
нынешнего и будущего поколений (Статья 3).
РКИК вступила в силу в 1994 г. и к настоящему времени ратифицирована практически всеми государствами мира.
В дополнение к Рамочной конвенции в 1997 г. в г. Киото (Япония) 
было принято международное соглашение, известное как Киотский 
протокол (окончил действие в 2012 г.). Соглашение подписали представители как развитых стран, так и стран с переходной экономикой, 
обязующиеся стабилизировать и сократить выбросы парниковых 
газов, в первую очередь СО2. Всего подписалось под соглашением  
192 страны. Статьи 4, 6, 12 и 17 Киотского протокола предусматривают следующие механизмы его реализации:
 – совместное выполнение обязательств, т.е. суммарные антропогенные выбросы (выбросы, возникающие по вине деятельности 
человека) парниковых газов сотрудничающих стран не должны 
превышать установленные для них объемы, рассчитанные во 
исполнение их определенных обязательств по ограничению и 
сокращению выбросов;
 – совместное осуществление проектов, т.е. сотрудничающие страны 
могут передавать или получать единицы сокращения выбросов, 
полученные в результате осуществления проектов, направленных на сокращение антропогенных выбросов парниковых газов 
или увеличение их поглощения в любом секторе экономики;
 – механизм чистого развития, т.е. отдельные страны могут использовать для целей выполнения своих обязательств сертификационные сокращения выбросов, полученные в результате осуществления проектов на территории развивающихся стран;
 – торговля квотами на выбросы парниковых газов, т.е. отдельные 
страны могут участвовать в торговле выбросами для целей выполнения своих обязательств.

Соблюдение условий Киотского протокола было обязательно для 
всех подписавшихся под ним стран. Каждая страна должна была создать Национальный регистр, в котором будут фиксироваться проекты, 
а также передаваемые или получаемые квоты.
В рамках РКИК ООН на 21-й конференции по климату в 2015 г. в  
г. Париже (Франция) было подписано международное соглашение об 
удержании увеличения глобальной средней температуры планеты намного ниже 2 °С и приложению усилий по ограничению роста температуры в 1,5 °С, применимое ко всем странам и являющееся продолжением Киотского протокола [14, 15].
Какие должны быть сокращения эмиссии СО2 для выполнения этого 
соглашения? В специальном исследовании [16] было показано, что для 
достижения этой цели среднемировые темпы сокращения эмиссии СО2 
должны составлять около 5,5 % в год, а для развитых стран — 10—15 % 
в год. Эта задача представляется трудноразрешимой без кардинального изменения в мире энергетической политики. Одной из знаковых 
является 26-я конференция в Глазго в 2021 г., на которой страны-участницы приняли соглашение о достижении баланса между выбросами 
парниковых газов и их поглощением, а также увеличению финансирования данных проектов. Важнейшим итогом «периода Глазго» стало 
и то, что Россия взяла на себя обязательство достигнуть углеродной 
нейтральности к 2060 г.
По мнению ведущих климатологов мира, даже если страны, подписавшие Парижское соглашение, выполнят взятые на себя обязательства 
на 100 %, средняя температура все равно поднимется на полтора-два 
градуса. Это было опубликовано в докладе Межправительственной 
группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, 2021) «Изменение 
климата, 2021 год. Физическая научная основа. Резюме для политиков» 
и утверждено на 58-й сессии МГЭИК, проходившей в г. Интерлакен 
(Швейцария) с 13 по 19 марта 2023 г. Информация, представленная 
ведущими климатологами мира, не предписывает конкретный путь, 
но может помочь в принятии решения по ослаблению антропогенного 
воздействия на климатическую систему. Чтобы остановить потепление, человечеству необходимо как можно быстрее перейти к устойчивым отрицательным выбросам СО2. То есть вся антропогенная эмиссия 
СО2 должна либо поглощаться, либо улавливаться и захораниваться.