Ученые России, Китая и Саудовской Аравии создали метод безопасного освоения «огненного льда»
0
65
К тому же это соединение скрепляет осадочные породы, и без него грунт может обрушиться. Поэтому при добыче скважины укрепляют цементом, в который добавляют полимеры для вязкости. 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.
Представьте вещество, похожее на спрессованный снег, которое вспыхивает от зажигалки. Это газогидрат — «огненный лед», скрытый под дном океана и в вечной мерзлоте. Внешне он похож на обычный лед, но внутри его кристаллической решетки заперт метан. Один кубометр такого льда при разложении дает до 160–180 м³ газа — невероятно эффективный, но и опасный источник энергии.
Сегодня его запасы колоссальны: они сопоставимы со всей традиционной нефтью и газом вместе взятыми. Крупнейшие скопления «огненного льда» сосредоточены в Арктике (Россия, США, Канада, Норвегия), а также в зонах вечной мерзлоты. Наша страна 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.
Проблема в том, что добыча этих богатств сопряжена с технологическими трудностями. Чтобы извлечь газ, гидраты необходимо разрушить прямо в пласте — например, откачав жидкость из скважины или подав горячую воду или пар. Но именно это вмешательство делает систему хрупкой: достаточно нарушить равновесие, как «огненные льды» начинают бурно разлагаться, выделяя колоссальные объемы газа. Последствия могут быть катастрофичны: подземные полости, деформация скважин, взрыв. А метан, прорвавшийся в атмосферу, усиливает парниковый эффект в десятки раз сильнее углекислоты, ускоряя глобальное потепление.
Но есть и другая угроза. Сами гидраты скрепляют между собой осадочные породы — песчаник, известняк, глину, которые обычно не держат форму. По сути, они выполняют роль природного «клея». Когда они разрушаются, эти отложения теряют устойчивость и могут обрушиться. Поэтому при строительстве скважин сначала опускают металлические трубы — они образуют стенку ствола и не дают породе осыпаться. А затем пространство между этими трубами и окружающим грунтом заполняют цементным раствором. После затвердевания он берет на себя удерживающую функцию, заменяя собой исчезнувшие гидраты. В этом главное отличие от обычных нефтяных и газовых скважин. Там такой же материал нужен в первую очередь для герметизации — чтобы нефть, газ или вода не могли просочиться из одних пластов в другие или на поверхность.
Однако у этого способа есть скрытая проблема. Состав цемента подбирают под конкретные условия бурения: глубину, температуру, давление, тип пород. В зависимости от этого в него добавляют разные полимеры для нужной текучести, скорости затвердевания и прочности. Вода из раствора просачивается в породы, а вместе с ней туда попадают полимеры. Они проникают в кристаллическую решетку гидрата и разрушают его раньше времени — до того, как раствор схватится и возьмет на себя роль опоры. В результате порода может обрушиться прямо во время строительства. А метода, позволяющего заранее рассчитать, какие полимеры безопасны, до сих пор не существует.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Китая и Саудовской Аравии впервые разработали компьютерную модель, которая показывает, как разные химические вещества влияют на устойчивость гидратов. С ее помощью можно заранее узнать, какие добавки безопасны, а какие могут привести к аварии.
— 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 Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.
С помощью этого метода ученые испытали разные химические добавки. В реальном цементе используются сложные полимеры, которые состоят из простых молекулярных структур, своего рода «кирпичиков». Именно они определяют, будет добавка опасной для гидратов или нет. Поэтому исследователи выбрали три основных типа таких групп: кислотные, серосодержащие и азотистые (амидные), а также их сочетания. Всего создали 22 варианта систем. Для каждого рассчитали, при какой температуре гидрат начнет разрушаться, и провели 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°C раньше, чем в чистой воде, без добавок. Для наглядности, если в ней гидрат разрушается при +5°C, то с добавлением полимера — уже при +2,23°C. Еще хуже, если в нем одновременно есть азотистая и кислотная группы, там температура снижается на 3,56°C. А вот серосодержащие добавки оказались наименее вредными, — добавил Хуаджи Лиу, доктор наук, профессор школы нефтегазового инжиниринга, Китайского Нефтяного Университета г. Циндао.
Особое внимание ученые уделили изучению влияния концентрации полимеров. В ходе расчетов было обнаружено, что даже безопасные на первый взгляд соединения при высокой концентрации могут стать опасными. Поэтому модель позволяет подбирать не только тип химического соединения, но и его оптимальное количество в растворе.
На основе этих данных ученые создали метод расчета, своего рода инструмент, который работает как калькулятор. Инженер сможет 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.
Следовательно, разработка ученых позволяет проектировать составы цемента для гидратоносных скважин быстро, точно и с минимальными рисками. Это значит, что при добыче «огненного льда» в Арктике, на морских шельфах и в зонах вечной мерзлоты скважины будут надежно закреплены без аварий, взрывов и выбросов метана — с гарантированной безопасностью для людей и окружающей среды.
Источник: пресс-служба ПНИПУ