Спрогнозировано таяние газонасыщенной мерзлоты вокруг добывающих скважин российской Арктики

Ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Института геоэкологии имени Е. М. Сергеева РАН при поддержке исследовательского подразделения компании TotalEnergies спрогнозировали тепловое воздействие нефтяных и газовых скважин на окружающие мерзлые породы. Их модель охватывает 30-летний срок эксплуатации скважины и учитывает не только таяние льда в мерзлом грунте, но и высвобождение запертого в нем метана. Освоение арктических месторождений делает понимание этих процессов крайне важным для безопасной работы скважин и прогноза сопутствующих выбросов парниковых газов.

Работа представлена в журнале Geosciences. Месторождения нефти и природного газа в Арктической зоне залегают под слоем многолетнемерзлых грунтов толщиной от 100 до 500 метров, через который проходят добывающие скважины. Поскольку сами углеводороды имеют сравнительно высокую температуру, при подъеме по скважине они нагревают окружающую мерзлоту.

Прилегающий грунт оттаивает и становится менее прочным, что может снижать устойчивость конструкции. Более того, если грунт насыщен метаном, а это характерно для севера Западной Сибири и, в частности, полуострова Ямал (на котором ведется активная добыча углеводородов такими российскими компаниями, как «Газпром» и «Новатэк»), при оттаивании пород происходит выброс пожароопасного и вредного для климата газа.

«Мы смоделировали процессы оттаивания вокруг скважины, — рассказывает первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Сколтеха Евгений Чувилин. — У нас в работе рассматриваются конкретные условия эксплуатации скважины на территории полуострова Ямал, но подобные процессы могут происходить и на других территориях и иных типах добывающих скважин, поскольку поднимающиеся из недр углеводороды по определению приносят с собой тепло: каждые 100 метров глубины — это примерно плюс три градуса. При самом глубоком бурении температура нефти может достигать 100 и более градусов Цельсия».

Предложенная учеными модель показывает, как в процессе эксплуатации скважины происходит постепенный нагрев и оттаивание окружающей мерзлоты, однако этим результаты не ограничиваются. «Мы рассмотрели случай с более сложной мерзлотой, которая на глубине 60–120 метров содержит включения газогидратов — это подобные льду соединения газа и воды, стабильные в определенном диапазоне температур и давлений.

При их разложении из одного объема газогидрата может выделиться порядка 170 объемов свободного газа. Мы показали, что в результате эксплуатации одной газовой скважины в течение 30 лет может сформироваться ореол оттаивания радиусом 10 м и более, при этом в атмосферу выделится до 500 тысяч кубометров метана», — прокомментировал работу Чувилин.

Корректный прогноз ореолов оттаивания крайне важен для предупреждения критических просадок грунта, которые, в свою очередь, сопровождаются рисками обводнения и нарушения устойчивости ствола скважины, которые сопряжены с серьезными экономическими издержками.

Что касается оценки эмиссии метана, то этот аспект важен по двум причинам. Во-первых, он может быть фактором возгорания и разрушения добывающей скважины, что повлечет за собой существенные экономические потери. Во-вторых, метан — это сильный парниковый газ, поступление которого в больших объемах атмосферу нужно учитывать для понимания глобальных и региональных климатических изменений.