Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) в кооперации с коллегами из Китая и Саудовской Аравии создали технологию, обеспечивающую безопасное извлечение «горючего льда» в арктическом регионе. Об этом сообщает ТАСС со ссылкой на пресс-службу Министерства науки и высшего образования РФ.
Ирина Медведева
Иллюстративное фото. Источник: mungfali.com
По оценке, 1 кубический метр газогидрата метана — так называемого «огненного» или «горючего» льда — способен высвободить 160-180 кубометров природного газа. И объем ресурсов этого сырья в российской Арктике колоссален.
Трудности и риски добычи
Однако, как водится, в Арктике не бывает легко: добыча «огненного льда» связана с серьезными рисками. Нарушение его кристаллической структуры приводит к выбросу метана, усугубляющего парниковый эффект. Кроме того, ледяной газогидрат цементирует осадочные породы (песчаник, известняк, глину), и его извлечение может спровоцировать обрушение грунта.
Традиционно для укрепления скважин применяют цементные растворы с полимерными ингредиентами, повышающими вязкость. Но в этом случае фильтрационная вода с этими химикатами проникает в пласт и дестабилизирует гидрат быстрее, чем цемент успевает набрать прочность, что зачастую ведет к авариям в процессе строительства скважины.
Для решения указанной проблемы коллектив исследователей из ПНИПУ и их зарубежные партнеры впервые разработали компьютерную модель, прогнозирующую поведение газогидратов при использовании тех или иных элементов в составе цемента.
Наиболее значительные залежи «горючего льда» сконцентрированы на территории России, США, Канады, Норвегии в районах вечной мерзлоты. Россия входит в число мировых лидеров по объемам этих ресурсов: наши месторождения расположены в морях от Баренцева до Чукотского, а также в Якутии и Западной Сибири. Однако технология извлечения газогидратов предполагает разрушение их структуры непосредственно в пластах, путем откачки жидкости, закачки горячей воды или пара.
Подобное воздействие делает систему нестабильной, запускается быстрое разложение «горючего льда» с выделением огромных объемов метана. Последствия могут быть катастрофическими: образование подземных полостей, деформация стволов скважин, взрывы.
Цифровая модель как инструмент-калькулятор
По словам заведующего кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, д.т.н. Сергея Чернышова, ученые разработали цифровую модель «горючего льда» и смоделировали процесс фильтрации того или иного полимерного состава из цемента в породу, содержащую газогидрат.
Виртуальной системе предлагались вводные данные о растворе с полимерами в различных концентрациях от 0,5 до 1,5%; температура плавно повышалась, имитируя нагрев от твердеющего цемента, и фиксировалась точка начала разрушения гидрата. Таким образом были протестированы разные химические добавки.
В реальных цементах применяются полимеры, состоящие из элементарных молекулярных структур, именно от них зависит степень опасности добавки для разрушения гидратов.
Исследователи сформировали 22 рецептуры различных молекулярных систем, для всех из них вычислили температуру начала деструкции гидрата. Проведены расчеты для диапазона давлений от 5 до 10,5 МПа, что соответствует условиям на океаническом дне, где залегают «горючие льды».
Как подчеркнул профессор школы нефтегазового инжиниринга Китайского Нефтяного Университета Хуаджи Лиу, результаты показали, что самое агрессивное воздействие на газогидрат продемонстрировали амидные группы. При содержании в фильтрующейся жидкости 1,5% такого полимера гидрат разлагается на 2,77 градуса Цельсия раньше, чем в воде без добавок. Так, в воде разрушение гидрата начинается при +5°C, а в воде с этой полимерной добавкой уже при +2,23°C.
Еще более критична ситуация при одновременном присутствии азотистой и кислотной групп: температура начала разложения гидрата снижается на 3,56 градуса. При этом самыми безопасными оказались серосодержащие добавки.
Таким образом, разработанная цифровая модель дает возможность оптимизировать тип химического соединения и его концентрацию в растворе. Фактически создан инструмент-калькулятор. Исследователь может загрузить в данные состав цементной смеси, а программа оценит степень опасности преждевременного разрушения гидратов. При выявлении угрозы рецептура цемента может быть оперативно скорректирована путем замены полимеров на более безопасные.
Разработка дает возможность подбирать ингредиенты закрепляющего состава для любой скважины при проектировании, что обеспечит надежное крепление скважин при освоении месторождений «горючего льда» без аварий, взрывов и выбросов метана. Работа международного коллектива ученых выполнена в рамках программы «Приоритет 2030».
Российская наука уделяет большое внимание развитию потенциала Арктики и проблемам, связанным с этим. Больше на эту тему — в статье журнала «Химагрегаты» «Сорбенты для ликвидации нефти из ледяной воды Арктики поглощают 99% нефтяной пленки за 20 минут»