Российские и китайские ученые впервые в мире нашли способ безопасной добычи газа из «горючего льда»

Человечество ищет замену истощающимся запасам нефти и газа, и один из самых перспективных вариантов — гидраты. Это своеобразный лед, внутри которого находятся молекулы метана. Чтобы извлечь этот газ, в породе нужно создать множество трещин, но до сих пор инженеры не знали, как сделать это без риска техногенных аварий и взрывов. Ученые Китайского нефтяного университета и Пермского Политеха впервые в мире выяснили, как правильно управлять подземными разломами для быстрой и безопасной добычи. Это открывает путь к промышленному освоению альтернативного топлива, способного заменить традиционные углеводороды.

Газовые гидраты называют главным энергетическим резервом планеты. Внешне они выглядят как обычный лед, но внутри них под огромным давлением спрессован метан. По оценкам ученых, энергии в этих залежах содержится вдвое больше, чем во всей мировой нефти и угле вместе взятых. Однако до сегодняшнего дня эффективных технологий их освоения не существовало: ледяная порода блокирует газ, не давая ему свободно и быстро выйти на поверхность.

Единственный способ эффективно добыть топливо из них — искусственно расколоть пласт водой под высоким давлением (метод гидроразрыва). Однако в процессе инженеры сталкиваются с опасным барьером. Стоит немного изменить температуру или давление под землей, как «горючий лед» начинает стремительно таять. Порода мгновенно теряет прочность, что приводит к обрушению подземных пластов, разрушению стволов скважин и неконтролируемым выбросам метана.

Для человека и экологии такие утечки несут двойную угрозу. Во-первых, метан крайне взрывоопасен: любая искра в закрытом пространстве шахты или скважины может привести к аварии. Во-вторых, этот газ является виновником глобального потепления. Попадая в атмосферу в чистом виде, метан задерживает тепло, провоцируя резкие изменения климата. До сих пор инженеры не могли спрогнозировать поведение такого пласта при гидроразрыве, что делало добычу невозможной.

Решение этой технологической задачи нашли ученые Китайского нефтяного университета и Пермского Политеха. В ходе исследования они выяснили, как правильно создавать трещины в пласте с гидратами для быстрой и безопасной добычи газа.

Чтобы детально изучить процесс, ученые изготовили образцы (смесь кварцевого песка и газового гидрата), максимально приближенные по составу к реальным отложениям. Всего подготовили восемь вариантов: четыре с высоким содержанием «горючего льда» (около 80% в составе) и четыре с низким (около 40%), чтобы сравнить, как количество газа в породе влияет на добычу.

Каждый образец помещали в специальную установку и сжимали, имитируя естественное давление горных пород под землей. Затем ученые проводили гидравлический разрыв — закачивали воду под высоким давлением, которая раскалывала массив. Динамику и направление трещин отслеживали с помощью сверхчувствительных звуковых датчиков. В момент раскола порода издает микроскопический щелчок, по которому исследователи в реальном времени видели, где именно появился и куда распространился разлом.

Эксперименты дали несколько ключевых результатов для нефтегазовой отрасли. Выяснилось, что участки с высоким содержанием гидрата разрушаются легче и быстрее, что делает их наиболее перспективными для разработки. Также ученые определили, от чего зависит форма будущих разломов.

Геометрия трещин напрямую связана с естественным давлением, которое действует на породу под землей. В одних условиях разломы получались простыми и прямыми, а в других — извилистыми, с множеством ответвлений. Для эффективного извлечения газа необходим именно второй вариант, поскольку он охватывает большую площадь пласта. Однако прогнозировать и моделировать такие трещины на практике гораздо труднее, — рассказал Владимир Поплыгин, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Самым неожиданным результатом стало экспериментальное доказательство того, что тающий гидрат сам активно влияет на весь процесс разрушения породы. При изменении внешних условий он резко меняет свои механические свойства и генерирует дополнительное внутреннее давление, которое раскалывает пласт. Раньше этот фактор оставался лишь предположением.

Благодаря использованию звуковых датчиков нам впервые удалось в режиме реального времени «прослушать» образование трещин и подтвердить экспериментом, что таяние гидрата — это не пассивное следствие, а активный элемент процесса, — отметил Ксиан Ши, профессор Китайского нефтяного университета.

Полученные данные объясняют инженерам, какое именно давление воды применять при бурении и как полностью предотвратить аварийные выбросы метана. Это важный шаг к тому, чтобы сделать освоение колоссальных запасов «горючего льда» не только технически возможным, но безопасным и экономически выгодным.

Статья опубликована в международном журнале «Energy».

Фото: Пермский Политех

Изображение на обложке: разработано Magnific

Источник: Минобрнауки России