Исследование прогнозирует оттаивание насыщенного газом вечномёрзлого грунта вокруг нефтегазовых скважин российской Арктики

Учёные Сколтеха и их коллеги из Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН при поддержке исследовательского подразделения TotalEnergies смоделировали, как нефтегазовые скважины нагревают окружающую их многолетнюю мерзлоту. Новая модель, представленная в журнале Geosciences, охватывает 30 лет эксплуатации скважины и учитывает не только таяние льда в мёрзлом грунте, но и постепенное высвобождение содержащегося в нём метана. Понимание этих процессов становится всё более актуальным для безаварийной добычи и мониторинга выбросов парниковых газов, поскольку нефтегазовые компании смещают фокус на месторождения в Арктическом регионе.

Нефтегазовые залежи в Арктике залегают под слоем вечной мерзлоты мощностью от 100 до 500 метров. При подъёме относительно горячих углеводородов по стволу скважины, пробурённой в мёрзлом грунте, он нагревается. Это вызывает оттаивание окружающей мерзлоты, что снижает её несущую способность, в том числе для самой скважины. Более того, если мёрзлый грунт насыщен метаном (что характерно для севера Западной Сибири и, в частности, полуострова Ямал, где активны крупнейшие российские компании «Газпром» и «Новатэк»), его оттаивание приводит к высвобождению метана — мощного парникового газа, создающего также и пожароопасность.

Ведущий научный сотрудник Сколтеха, первый автор исследования Евгений Чувилин пояснил, что они «смоделировали оттаивание вокруг добывающей скважины, работающей на полуострове Ямал, но аналогичные процессы могут происходить и в других местах, и на других типах нефтегазовых скважин, потому что по определению углеводороды, поднимающиеся с глубин, несут тепло: каждые 100 метров вглубь температура повышается примерно на 3 градуса Цельсия. При сверхглубоком бурении нефть может быть нагрета до 100 °C и более».

Предложенная модель показывает, как мерзлота вокруг активной скважины постепенно нагревается и оттаивает, но это не всё. Чувилин добавил, что они «рассмотрели случай с более сложно устроенной мерзлотой: на глубине от 60 до 120 метров она содержит включения газовых гидратов — твёрдых, похожих на лёд веществ из замёрзшей воды и природного газа. Они стабильны в определённом диапазоне температур и давлений, но при нарушении этих условий разлагаются, высвобождая около 170 литров свободного газа из одного литра твёрдого газогидрата. Мы показали, что эксплуатация одной газовой скважины в течение 30 лет может растопить окружающую мерзлоту в радиусе 10 метров, высвободив в атмосферу до 500 000 кубических метров метана».

Авторы подчёркивают, что корректный прогноз термического взаимодействия скважины с мерзлотой необходим для предотвращения критических просадок и обрушений грунта, которые, в свою очередь, могут привести к затоплению и нарушить устойчивость ствола скважины, что потенциально выльется в крупные затраты на ремонт. Что касается эмиссии метана, этот аспект важен по двум причинам. Во-первых, этот горючий газ может создавать риск пожаров или взрывов, способных разрушить скважину и привести к существенным экономическим потерям. Во-вторых, метан является мощным парниковым газом, выбросы которого в атмосферу необходимо контролировать для лучшего понимания глобальных и региональных изменений климата.