Источник: https://www.skoltech.ru/
Новая модель снизит риск выбросов газа и просадок грунта вокруг нефтяных скважин в Арктике
09.10.2026
Учёные из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) и Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН опубликовали в International Journal of Geotechnical Engineering результаты лабораторных и численных экспериментов, в которых впервые смоделировано одностороннее нагревание мёрзлого песка, содержащего метастабильный гидрат метана. Результаты работы помогут точнее прогнозировать, как в Арктике будет вести себя мёрзлая порода, насыщенная газогидратом, при нагреве, чтобы оценивать риски выбросов газа, правильно проектировать скважины и не допускать неожиданных просадок грунта.
Впервые в лабораторном эксперименте и в компьютерной модели одновременно удалось проследить динамику двух процессов — таяние льда и распад газового гидрата — в мёрзлом песке, который нагревали с одного конца. Оказалось, что распад порового гидрата начинается раньше таяния льда — разница температур между этими процессами может составлять 1,1°C и более.
Газовые гидраты — это твёрдые соединения воды и газа. В толщах мёрзлых пород Арктики они могут находиться в порах вместе со льдом. Если гидрат сохраняется при отрицательной температуре там, где по условиям он уже не может быть стабильным, его называют метастабильным. Такой гидрат очень чувствителен к нагреву и может разлагаться, выделяя газ — метан. При освоении арктических месторождений скважины проходят через толщи мёрзлых пород и нагревают их, поэтому важно знать, как быстро и в каком порядке будут происходить эти изменения.
В экспериментах использовали образцы кварцевого песка в виде цилиндров диаметром 5 см и длиной от 11 до 13 см. Влажность песка составляла 12%. Поры образца частично заполняли метановым гидратом. Сначала песок насыщали метаном при давлении 6–8 МПа и температуре около −6°C, а затем после гидратообразования давление снижали до 0,1 МПа. Так гидрат переводили в метастабильное состояние. После этого гидратосодержащий образец с начальной температурой −5,4°C начинали нагревать снизу до +5°C. Температуру измеряли в шести точках. Распад гидрата начинался при −1,1°C, а таяние льда — при −0,01°C. За 4,7 часа зона распада гидрата продвинулась на 6 см от места нагрева. Зона таяния за 6 часов прошла меньше 4 см. То есть распад гидрата опережает таяние льда.
"Главный практический смысл нашей работы в том, что мы показали, как на самом деле ведут себя метастабильные гидраты в мёрзлых породах при нагреве", — сказал руководитель исследования Евгений Чувилин, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха. — "Раньше многие модели рассматривали только снижение давления как причину разложения гидрата. Но в Арктике скважина нагревает мёрзлую породу, и процесс идёт несколько иначе. Мы видим, что поровый гидрат начинает разлагаться при температуре ниже нуля, ещё до того, как мёрзлая порода начнёт таять. Это меняет оценку того, как быстро вокруг скважины может образоваться зона, из которой выделяется газ. Это означает, что зона разложения внутримерзлотного гидрата образуются раньше, чем мы думали, и это нужно учитывать при проектировании добывающих скважин, чтобы не получить неожиданный приток затрубного газа или просадку грунта вокруг скважины".
"Мы построили компьютерную модель, которая описывает поведение мёрзлого песка с метастабильным гидратом при нагреве", — отметила первый автор работы Наталья Алексеева, выпускница аспирантуры Сколтеха по программе "Нефтегазовое дело". — "Самое сложное было правильно описать, как при нагреве сначала разлагается гидрат, при этом выделяется вода, которая тут же замерзает, потому что температура ещё отрицательная, а потом уже тает лёд. Мы проверили модель на лабораторных данных. Без учёта потерь тепла расчёт достаточно сильно расходился с экспериментом вблизи нагревателя, но после добавления функции стока отклонения стали минимальными. Это говорит о том, что модель можно масштабировать на реальные условия, но для этого потребуется уточнить грунтовые характеристики — такие как дисперсность, минеральный состав тонкодисперсной компоненты, засоленность, которые будут влиять на температуру разложения порового гидрата".
Источник: Сколтех
Впервые в лабораторном эксперименте и в компьютерной модели одновременно удалось проследить динамику двух процессов — таяние льда и распад газового гидрата — в мёрзлом песке, который нагревали с одного конца. Оказалось, что распад порового гидрата начинается раньше таяния льда — разница температур между этими процессами может составлять 1,1°C и более.
Газовые гидраты — это твёрдые соединения воды и газа. В толщах мёрзлых пород Арктики они могут находиться в порах вместе со льдом. Если гидрат сохраняется при отрицательной температуре там, где по условиям он уже не может быть стабильным, его называют метастабильным. Такой гидрат очень чувствителен к нагреву и может разлагаться, выделяя газ — метан. При освоении арктических месторождений скважины проходят через толщи мёрзлых пород и нагревают их, поэтому важно знать, как быстро и в каком порядке будут происходить эти изменения.
В экспериментах использовали образцы кварцевого песка в виде цилиндров диаметром 5 см и длиной от 11 до 13 см. Влажность песка составляла 12%. Поры образца частично заполняли метановым гидратом. Сначала песок насыщали метаном при давлении 6–8 МПа и температуре около −6°C, а затем после гидратообразования давление снижали до 0,1 МПа. Так гидрат переводили в метастабильное состояние. После этого гидратосодержащий образец с начальной температурой −5,4°C начинали нагревать снизу до +5°C. Температуру измеряли в шести точках. Распад гидрата начинался при −1,1°C, а таяние льда — при −0,01°C. За 4,7 часа зона распада гидрата продвинулась на 6 см от места нагрева. Зона таяния за 6 часов прошла меньше 4 см. То есть распад гидрата опережает таяние льда.
"Главный практический смысл нашей работы в том, что мы показали, как на самом деле ведут себя метастабильные гидраты в мёрзлых породах при нагреве", — сказал руководитель исследования Евгений Чувилин, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха. — "Раньше многие модели рассматривали только снижение давления как причину разложения гидрата. Но в Арктике скважина нагревает мёрзлую породу, и процесс идёт несколько иначе. Мы видим, что поровый гидрат начинает разлагаться при температуре ниже нуля, ещё до того, как мёрзлая порода начнёт таять. Это меняет оценку того, как быстро вокруг скважины может образоваться зона, из которой выделяется газ. Это означает, что зона разложения внутримерзлотного гидрата образуются раньше, чем мы думали, и это нужно учитывать при проектировании добывающих скважин, чтобы не получить неожиданный приток затрубного газа или просадку грунта вокруг скважины".
"Мы построили компьютерную модель, которая описывает поведение мёрзлого песка с метастабильным гидратом при нагреве", — отметила первый автор работы Наталья Алексеева, выпускница аспирантуры Сколтеха по программе "Нефтегазовое дело". — "Самое сложное было правильно описать, как при нагреве сначала разлагается гидрат, при этом выделяется вода, которая тут же замерзает, потому что температура ещё отрицательная, а потом уже тает лёд. Мы проверили модель на лабораторных данных. Без учёта потерь тепла расчёт достаточно сильно расходился с экспериментом вблизи нагревателя, но после добавления функции стока отклонения стали минимальными. Это говорит о том, что модель можно масштабировать на реальные условия, но для этого потребуется уточнить грунтовые характеристики — такие как дисперсность, минеральный состав тонкодисперсной компоненты, засоленность, которые будут влиять на температуру разложения порового гидрата".
Источник: Сколтех