Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) совместно с зарубежными коллегами разработали компьютерную модель, позволяющую прогнозировать разрушение газовых гидратов при строительстве добывающих скважин. Исследователи установили, как химические добавки к цементным растворам влияют на устойчивость так называемого «горючего льда» — природного соединения воды и метана. Разработка предназначена для снижения риска обрушения пород, повреждения скважин и неконтролируемого выхода газа.
Газовые гидраты внешне напоминают обычный лёд, но имеют иную структуру: молекулы газа заключены в кристаллическую решётку, образованную молекулами воды. При изменении температуры или давления такая структура может разрушаться, высвобождая метан.
Один кубометр газогидрата способен содержать до 160–180 кубометров газа в пересчёте на стандартные условия. Значительные природные скопления этих соединений находятся под морским дном и в районах распространения многолетней мерзлоты, в том числе в российской Арктике.
Однако наличие крупных запасов ещё не означает возможности их безопасной и экономически эффективной добычи. Газовые гидраты устойчивы лишь при определённом сочетании давления и температуры. Вмешательство в залежь способно нарушить это равновесие, вызвать быстрое выделение метана и изменение механических свойств пород.
Почему цементирование скважин может стать источником риска
При строительстве скважин пространство между обсадной колонной и стенками скважины заполняют цементным раствором. После затвердевания он должен обеспечить герметичность и устойчивость конструкции.
Для регулирования свойств раствора применяют полимерные добавки. Но жидкая фаза цементной смеси может проникать в прилегающие породы и взаимодействовать с газовыми гидратами. Дополнительное воздействие оказывает тепло, выделяющееся при затвердевании цемента.
В определённых условиях такое сочетание факторов способно преждевременно запустить разложение гидратов. Последствия могут включать потерю устойчивости пород, деформацию скважины и неконтролируемое выделение газа. Именно этот механизм исследовали специалисты Пермского политеха совместно с учёными Китая и Саудовской Аравии.
22 модели химических добавок
Исследователи построили компьютерную модель взаимодействия гидрата метана с компонентами цементных растворов. Они изучили влияние трёх типов функциональных групп полимеров — кислотных, серосодержащих и амидных, а также их сочетаний.
Всего было рассмотрено 22 варианта модельных систем. Концентрацию полимеров изменяли от 0,5 до 1,5%, а давление — в диапазоне от 5 до 10,5 мегапаскаля. В расчётах постепенно повышали температуру, имитируя нагрев при затвердевании цемента, и определяли условия, при которых газогидрат теряет устойчивость.
Как пояснил заведующий кафедрой нефтегазовых технологий ПНИПУ Сергей Чернышов, задача состояла в том, чтобы установить влияние состава раствора на момент начала разрушения гидрата и получить инструмент предварительной оценки риска.
Наиболее выраженное дестабилизирующее действие показали амидные группы. При концентрации 1,5% температура начала разложения гидрата снижалась на 2,77°C по сравнению с системой без добавок. При сочетании амидных и кислотных групп снижение достигало 3,56°C. Наименьшее влияние на устойчивость газогидратов среди исследованных составов оказывали серосодержащие добавки.
Результаты показывают, что значение имеет не только химическая природа полимера, но и его концентрация: увеличение содержания даже относительно безопасной добавки способно изменить поведение гидрата.
Что изменится для добывающих компаний
На основе полученных результатов учёные предложили расчётный инструмент для выбора состава цементного раствора ещё на стадии проектирования скважины. Инженеры смогут оценивать, как конкретная рецептура повлияет на устойчивость газогидратов при заданных давлении и температуре. Если расчёты покажут высокий риск их разрушения, состав раствора можно будет скорректировать до начала строительных работ.
Такой подход потенциально позволит уменьшить вероятность осложнений при цементировании скважин в гидратоносных породах, снизить технологические риски и сократить затраты на устранение аварийных ситуаций.
Для промышленного внедрения необходимы дальнейшая проверка модели и испытания в условиях реальных месторождений.
Главный экологический риск — выбросы метана
Освоение газогидратных залежей представляет интерес для энергетики благодаря потенциально значительным ресурсам природного газа. Вместе с тем разработка таких месторождений связана с экологическими рисками.
При неконтролируемом разрушении гидратов метан может поступать в окружающую среду. Этот газ обладает значительно более сильным парниковым воздействием на единицу массы, чем углекислый газ, хотя и сохраняется в атмосфере меньшее время.
Поэтому безопасность будущей добычи зависит не только от объёмов извлекаемого топлива, но и от способности предотвращать утечки, сохранять устойчивость пород и контролировать состояние скважин.
Разработанная исследователями модель решает одну из технологических задач потенциального освоения этих ресурсов. Её значение — в возможности заранее оценивать опасные сочетания химических реагентов и условий работы.
