| 16. |
Аннотация |
Проект 2017 и его продолжение Проект 2020 направлен на:
1) получение полной картины гидродинамических, теплофизических и физико-химических процессов в пористой
среде, возникающих при закачке диоксида углерода в природный пористый пласт, насыщенный метаном и его
газогидратом;
2) выявление важных и наиболее общих закономерностей поведения газогидратных образований при инжекции
диоксида углерода в протяженный природный пласт;
3) выявление механизмов, определяющих возможность реализации того или иного сценария протекания процесса
замещения метана в газогидрате на диоксид углерода, которые смогут позволить сделать обоснованный выбор
наиболее эффективной стратегии и тактики (например, параметров инжекции диоксида углерода) при разработке
газогидратных месторождений методом замещения. Отличие Проекта 2020 от Проекта 2017 обусловлено тем, что закономерности, выявленные в ходе выполнения. Проекта 2017, имеют ограниченную область применимости при решении конкретных прикладных задач разработки
газогидратных месторождений. Поскольку сроки Проекта 2017 не позволили (как в планах работ, так и в полученных
результатах) исследовать процессы при отрицательных температурах, то выявленные закономерности справедливы
только для газогидратных месторождений при положительных (по шкале Цельсия) температурах. Однако основные и
наиболее крупные континентальные месторождения газогидратов обнаружены в арктических регионах. Так в
литературе имеются однозначные данные о существовании очень крупных континентальных газогидратных
месторождений в северных районах Сибири в интервалах глубин порядка 200-400 метров, лежащих выше подошвы
многолетнемерзлых пород и тем самым соответствующих отрицательным температурам пород. При этом газогидраты,
так же как и лед являются существенными геологическими факторами Российской Арктики, поскольку и газогидрат, и
лед, являются цементирующим веществом между минеральными частицами, поэтому диссоциация газогидрата или
плавление льда может привести к потере устойчивости пород. С учетом того, что природная среда арктического
региона уже сейчас становится все менее устойчивой к антропогенной нагрузке, любая хозяйственная деятельность в
регионах, где имеются газогидратные скопления и мерзлые породы, требует максимально повышенных мер контроля
во избежание серьезных экологических последствий. В этой связи поведение газогидратных образований при
отрицательных температурах в толще мерзлых пород требует особенно тщательного, детального и всестороннего
изучения. В Проекте 2017 для случая положительной (по шкале Цельсия) температуры пласта было установлено, что в
зависимости от параметров закачиваемого диоксида углерода и параметров, характеризующих исходное состояние
пласта, процесс восстановления метана из газогидрата может происходить в двух разных режимах. В первом режиме
происходит непосредственное замещение метана в составе газогидрата на диоксид углерода. Во втором режиме
сначала происходит диссоциация газогидрата метана на газ и воду (если температура закачиваемого диоксида
углерода превышает исходную температуру газогидратного пласта), а затем происходит образование газогидрата
диоксида углерода из выделившейся воды и инжектированного диоксида углерода.
В случае отрицательных (по шкале Цельсия) значений начальной температуры пласта при определенных
значениях параметров закачиваемого диоксида углерода процесс его инжекции может сопровождаться диссоциацией
газогидрата метана на газ и лед и дальнейшим образованием газогидрата диоксида углерода изо льда и
инжектированного диоксида углерода. При этом, поскольку образование газогидрата диоксида углерода
сопровождается выделением тепла, то это может вызывать плавление льда, образовавшегося при диссоциации
газогидрата метана. С другой стороны, поскольку диссоциация газогидрата метана сопровождается поглощением тепла,
то это может вызывать замерзание талой воды на некоторых участках пласта. Таким образом, в случае отрицательных
значений начальной температуры пласта рассматриваемый процесс может сопровождаться сразу несколькими
фазовыми переходами. Поскольку вследствие образования газогидрата диоксида углерода и разложения газогидрата
метана, замерзания воды или плавления льда, а также теплового и гидродинамического воздействия на пласт давление
и температура системы могут значительно меняться, то заранее неизвестно ни то, какие именно фазовые превращения
будут происходить, ни их характер. При этом с точки зрения прикладных задач разработки газогидратных
месторождений указанные фазовые превращения имеют важное значение. Например, образование льда может
привести к закупорке пор пласта и резкому уменьшению его проницаемости. Кроме того, наличие ледяной корки на
частицах газогидрата (слабо проницаемой для газа) резко уменьшает скорость диссоциации газогидрата метана, а
значит и значительно снижает интенсивность восстановления метана из состава газогидрата (так называемый эффект
самоконсервации газогидратов). В этой связи планирование и проведение комплекса геолого-технологических мероприятий на газогидратных
месторождениях, и в частности, решение вопроса о выборе наиболее эффективной стратегии восстановления газа из
газогидратных залежей при отрицательных температурах, требуют построения обобщенной математической модели,
учитывающей (по сравнению с моделью Проекта 2017) такие дополнительные фазовые переходы как плавление льда
(вследствие закачки теплого диоксида углерода или вследствие выделения скрытой теплоты образования газогидрата
диоксида углерода) и замерзание воды (например, вследствие поглощения скрытой теплоты разложения газогидрата
метана), а также выявления на основе этой модели основных закономерностей изменения состояния пласта, в
зависимости от параметров инжектируемого диоксида углерода и исходных параметров пласта.
Принципиальная новизна подхода Проекта 2020 будет заключаться в том, что впервые в мире исследование
замещения метана в газогидрате на диоксид углерода одновременно будет учитывать все возможные фазовые
переходы системы «СO2-H2О» (в том числе плавление льда/замерзание воды), а также будет учитывать
фильтрационный массоперенос, конвективный и кондуктивный теплоперенос, выделение/поглощение массы и тепла
при фазовых переходах, кинетику фазовых переходов и т.д. Значение этого обстоятельства заключается в том, что все
вышеуказанные факторы тесно связаны друг с другом и обязательно требуют комплексного учета. Это позволит
добиться главной цели, а именно получить наиболее полную на данный момент картину гидродинамических,
теплофизических и физико-химических процессов, возникающих при течении диоксида углерода в природном
пористом пласте, насыщенном метаном и его газогидратом. Новизна запланированных результатов Проекта 2020 обусловлена тем, что в настоящее время отсутствует понимание закономерностей поведения газогидратных образований при инжекции диоксида углерода в протяженный
природный пласт с отрицательной начальной температурой. Ранее математические модели разработки газогидратных
месторождений при отрицательных температурах были построены (как коллективом в рамках выполнения Проекта
2017, так и другими авторами) только для технологии разгерметизации, т.е. для случая отбора метана из газогидратного
пласта созданием условий депрессии на пласт (N.G. Musakaev, M.K. Khasanov, S.L. Borodin The mathematical model of the
gas hydrate deposit development in permafrost // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018; N.G. Musakaev, M.K.
Khasanov, S.L. Borodin Numerical research of gas-hydrate deposit development in the conditions of negative temperatures
IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018). Несмотря на то, что построенная коллективом (в рамках
Проекта 2017) математическая модель разработки газогидратных месторождений методом разгерметизации не
позволяет учесть инжекцию диоксида углерода и не учитывает образование газогидрата углекислого газа, но
разработанные при этом методы, подходы и вычислительные алгоритмы могут являться (совместно с другими
результатами Проекта 2017) базисом для запланированного в Проекте 2020 численного моделирования инжекции
диоксида углерода в газогидратный пласт, сопровождающейся диссоциацией газогидрата на лед и метан, частичным
плавлением льда и образованием газогидрата углекислого газа из диоксида углерода и смеси воды и льда. |