«Калькулятор» сделает безопаснее добычу газогидратов
Запасы газогидратов сопоставимы со всеми традиционными ресурсами нефти и газа, вместе взятыми. Крупнейшие скопления «огненного льда» сосредоточены в Арктике (на территории России, США, Канаде и Норвегии), а также в зонах вечной мерзлоты. Крупнейшие скопления находятся в арктических морях РФ — от Баренцева до Чукотского, а также на суше — в Якутии и Западной Сибири.
Один кубометр такого льда дает до 180 кубометров газа. Чтобы извлечь газ, гидраты необходимо разрушить прямо в пласте. Например, откачав жидкость из скважины. Можно также подавать в скважины горячую воду или пар.
При этом газогидраты могут начать быстро разлагаться, выделяя колоссальные объемы газа. Все это может привести к возникновению подземных полостей, деформации скважин и взрывам. Метан, прорвавшийся в атмосферу, усиливает парниковый эффект в десятки раз сильнее углекислоты.
Гидраты скрепляют между собой осадочные породы — песчаник, известняк, глину, которые обычно не держат форму. По сути, они выполняют роль природного «клея». При разрушении газогидратов эти отложения теряют устойчивость и могут обрушиться.
Поэтому при строительстве скважин сначала опускают металлические трубы. Они образуют стенку ствола и не дают породе осыпаться. 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 их главное отличие от обычных нефтяных и газовых скважин. Там такой же материал нужен в первую очередь для герметизации.
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 до того, как раствор схватится и возьмет на себя роль опоры. В результате порода может обрушиться прямо во время строительства. А заранее рассчитать, какие полимеры безопасны, было невозможно.
Новая компьютерная модель показывает, как разные химические вещества влияют на устойчивость гидратов.
«Мы построили виртуальную модель «огненного льда», — рассказал заведующий кафедрой нефтегазовых технологий ПНИПУ Сергей ЧЕРНЫШОВ. - 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. Исследователи наблюдали, при какой температуре гидрат начинает разрушаться.
С помощью этого метода ученые испытали разные химические добавки. В реальном цементе используются сложные полимеры. Они состоят из простых молекулярных структур, своего рода «кирпичиков». Последние определяют, будет добавка опасной для гидратов или нет.
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. Были проведены расчеты для разных давлений — от 5 до 10,5 МПа. Именно такой диапазон встречается на дне океана, где залегают «огненные льды».
Наиболее агрессивными оказались амидные группы. добавил профессор школы нефтегазового инжиниринга Китайского нефтяного университета г. Циндао Хуаджи ЛИУ. Если в жидкости затворения, фильтрующейся из цементного раствора, содержится 1,5% такого полимера, гидрат начинает таять раньше, чем в чистой воде. Состав становится еще агрессивнее, если в нем одновременно есть азотистая и кислотная группы. А вот серосодержащие добавки оказались наименее вредными.
Особое внимание ученые уделили изучению влияния концентрации полимеров. Оказалось, 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, который работает как калькулятор. Инженер сможет загружать в него состав цемента. 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.
В 2023 году ИА «Девон» писало об исследованиях ученых Казанского федерального университета в этой области. Они разрабатывали способ ускоренного получения газовых гидратов с минимальными энергозатратами.
Ранее в КФУ создали новый тип реагента для борьбы с гидратообразованием в арктических условиях. Он состоит из природных компонентов, не содержит токсичные вещества и снижает нагрузку на окружающую среду. В разработке состава приняли участие ученые из Ирана.
| Поделиться этой новостью у себя в соцсетях |
Поиск по теме: Арктика, наука, Реагенты и растворы для нефтяных скважин, ПНИПУ