В районах вечной мерзлоты в подмерзлотных горизонтах существуют залежи природного газа, заключённого в льдоподобные кристаллы — газовые гидраты. Для добычи этого газа в пласт можно закачивать углекислый газ, который будет вытеснять метан из кристаллов гидрата, а сам оставаться в гидратном состоянии. Однако в процессе такого замещения в породе образуются и новые кристаллы CO₂-гидрата, которые могут закупоривать поровые каналы. В результате способность породы пропускать газ снижается, что влияет на эффективность извлечения метана.
Учёные Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегой из Ульсанского национального института науки и технологий в Южной Корее экспериментально изучили, как меняется газопроницаемость песчано-глинистых пород, аналогов подмерзлотным газогидратных коллекторов, при закачке CO₂ и дымовых газов в условиях, характерных для арктических гидратных резервуаров. Работа опубликована в журнале Natural Gas Industry B. Данные имеют прямое практическое значение для планирования промышленной добычи газа из гидратных залежей в Арктике.
При закачке диоксида углерода в гидратосодержащий пласт происходит замещение молекул метана в решётке гидрата на молекулы CO₂. При этом метан высвобождается и может быть добыт, а углекислый газ надёжно захороняется в виде гидрата. Это позволяет решить две задачи одновременно — добыча газа и утилизация парникового газа без нарушения устойчивости пласта.
Учёные воссоздали в лаборатории условия, характерные для арктических резервуаров, расположенных под слоем многолетней мерзлоты. Они работали при температуре +1°C и использовали образцы из смеси песка и глины, насыщенные гидратом метана. В образцы закачивали либо чистый CO₂, либо смесь CO₂ и азота (в пропорции 55% на 45%), которая по составу близка к дымовым газам промышленных предприятий. Газопроницаемость измеряли на всех этапах: до образования гидратов, после их формирования и в процессе замещения метана на CO₂.
Результаты показали, что закачка чистого CO₂ снижает газопроницаемость в среднем на 54%. Причина в том, что часть воды, которая остаётся в порах породы, участвует в образовании новых кристаллов CO₂-гидрата, и они перекрывают пути для движения газа. При закачке дымовой смеси с азотом картина сложнее: азот помогает высвобождать дополнительный метан, и в начале процесса проницаемость даже растёт. Но затем образование CO₂-гидрата всё равно приводит к её снижению. В образцах с высоким содержанием воды падение проницаемости достигало 79%.
Эти данные важны для планирования промышленной добычи газа из гидратных залежей в Арктике. Если в пласте много остаточной воды, проницаемость после закачки CO₂ или дымовых газов упадёт сильнее. Если пласт относительно сухой, падение будет меньше. Чем выше начальное содержание гидрата в породе, тем сложнее предсказать, как изменится проницаемость. Учёт этих факторов позволит точнее прогнозировать, сколько газа можно будет добыть, и выбирать оптимальный режим закачки.
«Мы экспериментально показали, как изменяется газопроницаемость гидратосодержащих пород непосредственно в процессе замещения метана на CO₂. Это не очевидный эффект — с одной стороны, метан высвобождается и проницаемость должна расти, а с другой — образование вторичного гидрата CO₂ её снижает. Мы количественно оценили баланс этих процессов. Теперь у нас есть данные, которые можно закладывать в модели разработки гидратных месторождений в Арктике», — прокомментировал Евгений Чувилин, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха, первый автор и руководитель исследования.
«С практической точки зрения наше исследование даёт инженерам критерии для выбора оптимальной стратегии закачки. Если мы работаем с пластом, где много остаточной воды, нужно быть готовым к тому, что проницаемость упадет значительно — и это надо закладывать в расчёты. Если же пласт относительно сухой, падение проницаемости будет меньше. Для чистого CO₂ и для дымовой смеси эти зависимости различаются, и наш эксперимент позволяет их разделить и количественно оценить», — добавил Максим Жмаев, инженер Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха, выпускник аспирантуры Сколтеха по программе «Нефтегазовое дело», соавтор исследования.
