Новая модель может помочь оценить риски выброса газа и оседания грунта вокруг арктических нефтяных скважин

Ученые из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) и Института прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук опубликовали результаты лабораторных и численных экспериментов в Международном журнале геотехнической инженерии.

Впервые в ходе экспериментов был смоделирован односторонний нагрев мерзлого песка, содержащего метастабильный гидрат метана. Полученные результаты помогут более точно предсказать, как поведет себя насыщенный газогидратами мерзлый грунт в Арктике при нагревании, что поможет оценить риски выбросов газа, правильно спроектировать скважины и предотвратить неожиданное проседание грунта.

Впервые, как в лабораторном эксперименте, так и на компьютерной модели, исследователи смогли одновременно проследить динамику двух процессов — таяния льда и диссоциации газогидрата — в образце замороженного песка, нагретого с одного конца. Они обнаружили, что диссоциация гидратов в порах начинается раньше, чем таяние льда: разница температур между этими процессами может достигать 1,1°C и более.

Газогидраты - это твердые соединения воды и газа. В условиях вечной мерзлоты Арктики они могут образовываться в порах вместе со льдом. Если гидрат остается при температуре ниже нуля, при которой в равновесных условиях он уже не может быть стабильным, его называют метастабильным. Такой гидрат очень чувствителен к нагреванию и может диссоциировать, выделяя газообразный метан.

При разработке арктических месторождений скважины проходят через вечную мерзлоту и нагревают ее, поэтому важно знать, как быстро и в каком порядке будут происходить эти изменения.

В экспериментах использовались образцы кварцевого песка в форме цилиндров диаметром 5 см (2 дюйма) и длиной 11-13 см (4,3-5,1 дюйма). Влажность песка составляла 12%. Поры образца были частично заполнены гидратом метана. Сначала песок насыщали метаном при давлении 6-8 МПа и температуре около -6°C (21°F), а затем, после образования гидрата, давление снижали до 0,1 МПа. Это переводило гидрат в метастабильное состояние.

Образец, содержащий гидрат, с начальной температурой -5,4°C (22°F) затем нагревали снизу до +5°C (41°F). Температуру измеряли в шести точках. Диссоциация гидратов началась при температуре -1,1°C (30°F), в то время как таяние льда началось при температуре -0,01°C (32°F). Через 4,7 часа зона диссоциации гидратов продвинулась на 6 см (2,4 дюйма) от источника нагрева. За шесть часов зона таяния продвинулась менее чем на 4 см (1,6 дюйма). Таким образом, диссоциация гидратов предшествует таянию льда.

"The main practical significance of our work is that we have shown how metastable hydrates in frozen permafrost actually behave upon heating," said Evgeny Chuvilin, the study's principal investigator and leading research scientist at the Petroleum Center at Skoltech. "Previously, many models considered only pressure reduction as the cause of hydrate dissociation. But in the Arctic, a well heats the frozen ground, and the process proceeds somewhat differently.

"We see that pore hydrate begins to dissociate at a temperature below zero, even before the frozen ground begins to melt. This changes our assessment of how quickly a gas-releasing zone may form around a well. It means that zones of intrapermafrost hydrate dissociation form earlier than we thought, and this must be taken into account when designing production wells to avoid unexpected annular gas influx or ground subsidence around the well."

"We built a computer model that describes the behavior of frozen sand with metastable hydrate upon heating," noted Natalia Alekseeva, first author of the study and a graduate of Skoltech's Ph.D. program in petroleum engineering. "The most difficult part was to describe correctly how, upon heating, the hydrate first dissociates, releasing water that immediately freezes because the temperature is still negative, and only then does the ice melt.

"We validated the model against laboratory data. Without accounting for heat losses, the calculation diverged considerably from the experiment near the heater, but after adding the sink function, the deviations became minimal.

"This suggests that the model can be scaled to real conditions, but this will require refining soil characteristics—such as particle-size distribution, the mineral composition of the finely dispersed component and salinity—which will affect the dissociation temperature of pore hydrate."