Учёные из Сколтеха создали и успешно испытали не имеющую аналогов в России экспериментальную установку, которая позволяет моделировать газодинамические процессы в замёрзшей почве и предсказывать вероятность взрывного выброса метана. Из-за глобального потепления в Арктике участились мощнейшие взрывы скопившегося в породах газа. Они представляют опасность для газопроводов, добывающих скважин и других инженерных объектов на северных территориях, а также для местного населения и скота. Кроме того, данные расчётов важны для оценки воздействия выбросов на климат, так как метан в 28 раз эффективнее удерживает тепло в атмосфере, чем углекислый газ.
Ключевой параметр, необходимый для понимания и прогнозирования выбросов метана, — проницаемость породы: может ли газ просочиться сквозь грунт и насколько легко. Считается, что мерзлота практически непроницаема для газа, пока не оттает. В талом состоянии её проницаемость зависит от состава грунта и рассчитывается для фиксированных условий, которые установлены отраслевыми стандартами.
Однако столь упрощённый подход не позволяет качественно прогнозировать прорыв газа, потому что это не соответствует сложным условиям в природе, где многие факторы — температура, давление, насыщение грунта незамёрзшей водой, гидратами и пр. — меняются и связаны друг с другом. Поэтому учёные предложили новый подход.
«До сих пор в России не было экспериментальных установок для льдогидратных систем для одновременного исследования динамики нескольких параметров. Используемые в других странах экспериментальные комплексы тоже, как правило, работают при фиксированных условиях. Мы же рассматриваем более широкий диапазон условий и динамику параметров, имея в виду, что в природе именно так и происходит. Теперь возможно моделировать интересные природные ситуации, проверять многочисленные предлагаемые теоретические объяснения, приближаясь к прогнозированию взрывных выбросов метана из мерзлоты», — рассказал инженер Центра науки и технологий добычи углеводородов и аспирант программы «Нефтегазовое дело» Сколтеха Максим Жмаев.
В Арктической зоне, как на суше, так и под водой, природный газ постепенно аккумулируется в верхних горизонтах мерзлоты. Так образуются его крупные скопления. Когда давление в них достигает критических величин, газ разрушает мёрзлые породы и вырывается на поверхность. Происходит взрыв. На суше он нередко сопровождается возгоранием. Крупные обломки разлетаются на расстояние многих десятков метров, а на поверхности образуется огромный кратер. Со временем он превращается в озеро, которое трудно отличить от обычного, рассказали специалисты.
Созданная в Сколтехе установка предназначена для проведения экспериментов с образцами мёрзлой породы. Она моделирует природные условия в широком диапазоне. Температуру среды и давление газа можно изменять по заданному алгоритму, а уникальный держатель образца позволяет уплотнять грунт прямо в процессе эксперимента и измерять изменение его линейных размеров, а значит, и пористости. Система снабжена акустическими датчиками, по данным которых можно судить об изменении соотношения льда, незамёрзшей воды и других фазовых компонентов. За счёт этого можно не просто определить газопроницаемость, а приблизиться к исследованию сложных процессов в грунте в том виде, в котором они происходят в природе.
«Мы провели ряд проверочных экспериментов с использованием установки и показали, что предложенная технология работает. Например, удалось измерить критические температуры, при достижении которых у всё ещё мёрзлой, но подогретой породы возникает частичная проницаемость. Мы исследовали также область достаточно высоких, но не вызывающих образования газогидратов давлений. Всё это приближает нас к тому, чтобы более детально и реалистично моделировать процессы в природе, в том числе и прорыв газа из мерзлоты, а не определять характеристики грунта», — сказал руководитель исследования, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Евгений Чувилин.
