تشير بيانات إدارة معلومات الطاقة الفيدرالية الأمريكية إلى أن خزانات النفط الصخري دفعت إنتاج النفط الخام الأمريكي إلى مستويات قياسية خلال العقد الماضي، لكن كفاءة الاستخراج المنخفضة تؤدي إلى إهدار يصل إلى 90% من النفط. لرفع الإنتاج من الطبقات الصخرية الضيقة، طور فريق بحثي في جامعة ولاية بنسلفانيا سير عمل جديد لاستخراج النفط يمكنه رفع معدل استرداد النفط الصخري بنسبة 15%، مع توفير تخزين طويل الأمد لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

تم تنفيذ سير العمل بنجاح في Eagle Ford Shale بولاية تكساس، مما أثبت تحسين استخراج النفط وقابليته للتوسع إلى خزانات نفط صخري أخرى، ونُشرت النتائج في مجلة Fuel. يتمحور الابتكار حول تحسين تقنية حقن ثاني أكسيد الكربون الدوري، المعروفة بـ"CO2 huff-n-puff"، وهي طريقة عمرها عقود تعزز قدرة استخراج النفط من الطبقات الصخرية الطبيعية التي تحتوي على مسام نانوية (تجمع كميات هائلة من الهيدروكربونات).

شبّه الأستاذ المساعد حميد إمامي-مهبودي، نائب مدير EMS Energy Institute في جامعة ولاية بنسلفانيا، البيئة الصخرية تحت الأرض بإسفنجة، حيث تكون المسام النانوية كفتحات مجهرية مملوءة بالماء داخل الإسفنجة قادرة على امتصاص واحتجاز الهيدروكربونات. وصف عملية الحقن المحسنة بأنها واحدة من أفضل أنظمة الاسترداد في الصناعة، حيث يمكن لاستخدام ثاني أكسيد الكربون لرفع إنتاج النفط أن يخفف التأثير البيئي، ويلبي احتياجات الطاقة، ويساعد في أمن الطاقة واستقلال الولايات المتحدة.

خلال عملية الحقن، يُضخ ثاني أكسيد الكربون في الخزان عبر بئر النفط، ثم يُغلق البئر للسماح للغاز بالنقع لفترة كافية ليختلط بالنفط، مما يغير خصائص النفط ويحسن سيولته ومعدل استخراجه. من خلال حقن ثاني أكسيد الكربون تحت ضغوط مختلفة في خليط النفط، يمكن إجبار الهيدروكربونات على الخروج من المسام النانوية إلى السطح. ومع ذلك، تختلف فعالية هذه الطريقة بشكل كبير حسب ظروف التشغيل والعمق ونوع النفط. أشار إمامي-مهبودي إلى أن تحسين الحقن يمثل تحدياً كبيراً بسبب المتغيرات العديدة مثل خصائص النفط وبنية البيئة الصخرية.

تعاون فريق إمامي-مهبودي مع شركاء صناعيين لاستكشاف طرق رفع الكفاءة، حيث تحتوي أكبر خزانات النفط الصخري في الولايات المتحدة على مليارات الجالونات من النفط، ويمكن لأي زيادة طفيفة في الإنتاج أن ترفع إنتاج النفط بشكل كبير. يغطي Eagle Ford Shale حوالي 20 ألف ميل مربع، وهو أحد أكبر خمسة احتياطيات رئيسية للنفط والغاز الصخري في الولايات المتحدة، وطرق الاستخراج الحالية (مثل التكسير الهيدروليكي) عادةً ما تستخرج أقل من 10% من النفط.

عدّل الفريق البحثي طريقة الحقن لتعزيز الاتصال بين الهيدروكربونات وثاني أكسيد الكربون، مما يغطي مساحة سطحية أكبر بثاني أكسيد الكربون، مع ضبط عدد الدورات والضغط وكمية الحقن ومدة الاستمرارية. أفاد إمامي-مهبودي بأن هذه التحسينات قد تمكن طريقة الحقن من استخراج حوالي 15% إضافية من الهيدروكربونات النفطية في منطقة Eagle Ford، حيث يسمح حقن كميات أكبر من ثاني أكسيد الكربون بالوصول إلى أعماق أكبر في الخزان والاختلاط الفعال مع النفط الخام، مما يحرر المزيد من النفط.

طور ما مينغ، الباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية بنسلفانيا والمؤلف المشارك في الورقة، نموذجاً عددياً داخلياً وكتب رموز المحاكاة، ويرى أن إعادة استخدام آبار النفط الصخري لتخزين ثاني أكسيد الكربون طريقة اقتصادية فعالة للسيطرة على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. أمله الأكبر ليس فقط رفع كفاءة الاستخراج، بل استخدام آبار الصخر الزيتي المهجورة على نطاق واسع لمنع المزيد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ويشمل العمل المستقبلي تطبيق طريقة المحاكاة الجديدة على المزيد من بيانات الموقع وتقييم شامل لآفاق استخراج النفط والغاز.