КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-77-00074
НазваниеЭкспериментальное исследование фильтрации газа в мерзлых породах при высоких градиентах давления
РуководительГребенкин Сергей Игоревич, Кандидат геолого-минералогических наук
Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-306 - Геокриология
Ключевые словагазопроницаемость, лед, криолитозона, арктика
Код ГРНТИ38.65.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Основной целью проекта является изучение возможности фильтрации газа в льдонасыщенных мерзлых породах при возникновении аномально высоких градиентов давления газа в криолитозоне. Актуальность исследований имеет большое значение как в фундаментальном научном плане для оценки эмиссии газов из криолитозоны, так и в практическом - при оценке рисков при строительстве и эксплуатации промышленных объектов и элементов инфраструктуры, в ходе которых возможно изменение теплового режима мерзлых пород.
Исследования газопроницаемости мерзлых пород будут базироваться на экспериментальном моделировании фильтрации газа через низкопроницаемые льдистые породы. Для проведения экспериментального моделирования будет разработана специальная методика, включающая адаптацию фильтрационной установки, , позволяющей моделировать пластовые условия пород криолитозоны и определять газопроницаемость мерзлых в широком диапазоне температур и давлений, подготовку образцов горной породы с необходимыми параметрами льдистости, разработку алгоритмов и схем проведения экспериментов.
Экспериментальные исследования, которые предлагаются в рамках данного проекта, позволят получить новые знания о закономерностях изменениня фильтрационных свойств мерзлых льдонасыщенных пород, в зависимости от таких факторов, как давление газа, температура, фазовые переходы порового льда. Это позволит впервые количественно оценить критические градиенты давлений, необходимые для проникновения газа в низкопроницаемые мерзлые породы верхних горизонтов криолитозоны, что ранее в мировой науке и практике не рассматривалось.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет дана экспериментальная оценка изменения фильтрационных свойств мерзлых льдистых пород при возникновении различных градиентов давления, а также влияние на эти свойства температурных условий. Полученные результаты будут иметь важное значение для прогноза поведения многолетнемерзлых пород, находящихся под воздействием градиентов газового давления, в условиях их нагреваниия и оттаивания - поскольку эти процессы могут значительно снижать экранирующую роль мерзлой толщи.
На основе использования современных методов изучения мерзлых и гидратосодержащих пород (автоматизированные барокамеры, микромодели природных коллекторов, оптическая микроскопия) планируется получение новых данных о процессах, протекающих в поровом пространстве льдистых мерзлых пород при изменении термобарических условий. Эти данные расширят наши представления о свойствах и поведении мерзлых пород и позволят повысить качество анализа рисков при освоении криолитозоны, содержащей газовые скопления. В ходе экспериментов будет разработана специальная методика оценки фильтрационных характеристик льдистых мерзлых пород. Полученные значения проницаемости при изменении градиента давлений и температур станут уникальными и позволят уточнить существующие модели эмиссии газов из криолитозоны включая газовые выбросы из верхних горизонтов мерзлоты с образованием кратеров. Особый интерес представляет оценка влияния льдистости и типа криогенной текстуры на изменения фильтрационных параметров мерзлых пород. Учитывая высокий научно-методический потенциал коллектива и использование современных оригинальных методов исследования, ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Экспериментальная оценка возможности фильтрации газа в льдонасыщенных мерзлых породах при возникновении аномально высоких градиентов давления газа в криолитозоне в отчетный период включала, в первую очередь, создание методики экспериментального моделирования, состоящей из разработки специального оборудования, отработку методики подготовки и тестирования мерзлых образцов в условиях высоких градиентов газового давления.
Возможность безопасного создания необходимых высоких перепадов давлений на образцах мерзлых пород была реализована за счет разработки специального кернодержателя с одноосным сжатием образца. Кернодержатель позволяет создавать перепад давления газа до 10МПа, который может быть равным или превышать механическое, на образцах длиной до 12 см и диаметром 4 см. Экспериментальная установка с данным кернодержателем позволяет создавать термобарические условия в образцах грунтов в широком диапазоне температур (от -15 до +30°С) и давлений (до 10 МПа), а также регистрировать продольные деформации образцов в процессе всего эксперимента.
Для получения мерзлых образцов с необходимыми параметрами льдистости и требуемым криогенным макро- и микростроением, была разработана процедура подготовки грунтовых образцов, которая включает промораживание влажного грунтового образца непосредственно в кернодержателе. Для контроля изменений плотности и пористости образца использовалась система нагружения кернодержателя, оборудованная датчиком линейных перемещений с точностью до 0,01 мм.
Проведение фильтрационных испытаний потребовало разработки специального алгоритма, основанного на ступенчатом повышении давления газа на одном из торцов образца с последующем наблюдением за изменением давления газа как непосредственно в кернодержателе, так и на выходе из него.
Алгоритм включает подготовительный этап, заключающийся в создании заданных термобарических условий, этап фильтрационных исследований под избыточной осевой нагрузкой (разница газового давления и осевого 1 МПа), этап испытаний при давлении газа равном осевому давлению и завершающий этап изучения образца после эксперимента. Разработанный алгоритм фильтрационных испытаний позволяет моделировать на грунтовом образце широкий диапазон давлений, характерных как для приповерхностного, так и глубинного залегания мерзлых пород.
Отработка разработанной методики проводилась путем проведения специальных методических экспериментов на модельных грунтовых образцах, приготовленныхиз кварцевого песка с добавлением 25% монтмориллонитовой глины. Азот использовался в качестве фильтрующего газа, чтобы не допустить гидратообразования. В рамках данных экспериментов удалось успешно отработать технологию создания высоких градиентов давления газа на модельных песчано-глинистых образцах при различных величинах механического давления на эти образцы, а также методики измерения коэффициента эффективной газопроницаемости до и после промерзания образцов, деформаций образца при нагружении и промерзании.
Для изучения возможности фильтрации газа в мерзлых льдонасыщенных породах были проведены специальные эксперименты, на образцах аналогичных использованным в методических экспериментах, при различных термобарических условиях с целью определить границы температур и градиентов давления, при которых льдонасыщенные породы могут становиться проницаемыми.
Проведенные фильтрационные испытания мерзлых льдонасыщенных образцов показали, что, при перепадах газового давления до 2 МПа, фильтрация газа может возникать лишь при высоких отрицательных температурах. Так, в грунтовом образце с начальной влажности 21,6% при градиенте газового давления 2 МПа на торцах образца фильтрация газа началась при достижении температуры около -0,1 °С и остановилась через полчаса при снижении перепада до 0,4 МПа.
Таким образом, в мерзлых льдосодержащих породахпроникновение газа и его фильтрация возможны при значительном содержании незамерзшей воды или частичном таянии порового льда, вызванном повышением температуры. Более подробное изучение данных процессов будет продолжено на следующем этапе исследований.
Публикации