«Один кубометр “огненного льда” (газогидрата с метаном внутри) дает до 180 кубометров газа. Запасы России в Арктике огромны. Однако добыча его опасна, так как при разрушении структуры выделяется метан, который усиливает парниковый эффект. К тому же это соединение скрепляет осадочные породы (песчаник, известняк, глину), и без него грунт может обрушиться. Поэтому при добыче скважины укрепляют цементом, в который для вязкости добавляют полимеры. Но вода с этими добавками просачивается в породу и разрушает гидрат раньше, чем цемент успевает застыть. В результате происходит обвал прямо во время строительства. Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского политеха совместно с коллегами из Китая и Саудовской Аравии впервые создали компьютерную модель, которая показывает, какие компоненты безопасны для гидратов, а какие могут привести к аварии», — говорится в сообщении.
Крупнейшие скопления «огненного льда» сосредоточены в Арктике (Россия, США, Канада, Норвегия), а также в зонах вечной мерзлоты. Россия является одним из мировых лидеров по их объему: крупнейшие скопления находятся в морях — от Баренцева до Чукотского, а также на суше — в Якутии и Западной Сибири. Но добыча «огненного льда» подразумевает необходимость разрушить структуру соединения прямо в пласте, например, откачав жидкость из скважины или подав горячую воду или пар. Это вмешательство делает систему хрупкой — нарушение равновесия приводит к быстрому разложению «огненного льда», при котором выделяются колоссальные объемы газа. Последствия могут быть катастрофичны: подземные полости, деформация скважин, взрыв.
Как работает метод
«Мы построили виртуальную модель “огненного льда”. Затем смоделировали реальный процесс, как жидкость затворения из цементного раствора просачивается в породу и контактирует с гидратом. Для этого в виртуальную систему добавили раствор с полимерами в разных концентрациях от 0,5 до 1,5%. После чего стали постепенно повышать температуру, имитируя нагрев от затвердевающего цемента, и наблюдали, при какой температуре гидрат начинает разрушаться», — рассказал заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук Сергей Чернышов.
Так ученые испытали разные химические добавки. В реальном цементе используются сложные полимеры, которые состоят из простых молекулярных структур, своего рода «кирпичиков». Они определяют, будет добавка опасной для гидратов или нет. Исследователи создали 22 варианта различных молекулярных систем и для каждого рассчитали, при какой температуре гидрат начнет разрушаться, проведя расчеты для разных давлений — от 5 до 10,5 МПа. Именно такой диапазон встречается на дне океана, где залегают «огненные льды».
«Результаты показали, что наиболее агрессивными оказались амидные группы. Если в жидкости затворения, фильтрующейся из цементного раствора, содержится 1,5% такого полимера, гидрат начинает таять на 2,77 градуса раньше, чем в чистой воде, без добавок. Для наглядности, если в ней гидрат разрушается при плюс 5 градусах, то с добавлением полимера — уже при плюс 2,23 градуса. Еще хуже, если в нем одновременно есть азотистая и кислотная группы, там температура снижается на 3,56 градуса. А вот серосодержащие добавки оказались наименее вредными», — отметил доктор наук, профессор школы нефтегазового инжиниринга Китайского Нефтяного Университета города Циндао Хуаджи Лиу.
Также, по словам исследователей, разработанная модель позволяет подбирать не только тип химического соединения, но и его оптимальное количество в растворе. Так появился инструмент, который работает как калькулятор. Инженер может загружать в него состав цемента, а программа будет оценивать, не начнут ли гидраты разрушаться. Если есть риск — состав можно будет скорректировать, заменив полимеры на безопасные для рассматриваемых условий. Это позволит подобрать рецептуру для любой скважины еще на этапе проектирования, и при добыче «огненного льда» в Арктике, на морских шельфах и в зонах вечной мерзлоты скважины будут надежно закреплены без аварий, взрывов и выбросов метана.
