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 22-77-10059
НазваниеГенерация водорода в результате теплового воздействия на пласты углеводородных месторождений с возможностью захоронения парниковых газов
РуководительМухина Елена Дмитриевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-111 - Геология нефти и газа
Ключевые словаГенерация водорода, газовые и газоконденсатные месторождения, тепловое воздействие, экспериментальные исследования, конверсия углеводородов, численное моделирование, захоронение парниковых газов, внутрипластовое горение.
Код ГРНТИ52.47.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Настоящий проект посвящен изучению способа генерации водорода из ископаемого сырья. На сегодняшний день существует несколько способов получения водорода, однако наиболее экологичные способы отличаются высокой стоимостью и энергозатратами, а остальные способы приводят к большому количеству выбросов парниковых газов.
Основной целью данного проекта является изучение процесса генерации водорода из метана в условиях залегания углеводородных пластов и за счет реализации метода внутрипластового горения (ВПГ) углеводородов, с возможностью параллельного захоронения парниковых газов. Предлагаемая технология подразумевает закачку катализатора и повышение температуры пласта за счет закачки пара и воздуха с последующим осуществлением процесса ВПГ. В результате закачки пара происходит формирование активного катализатора, который активирует процессы конверсии метана в водород (паровая конверсия, крекинг).
Фундаментальные исследования, которые предлагаются в рамках данного проекта, позволят получить новые знания о принципах и параметрах реализации процесса синтеза промышленных количеств водорода в условиях углеводородных месторождений, а также о химических реакциях генерации водорода из метана за счет построения кинетической модели реакций.
В рамках проекта будут решены такие задачи, как разработка кинетической модели реакций преобразования метана в водород в процессе ВПГ, влияние катализаторов на ускорение процесса генерации водорода, экспериментально и численно смоделированы внутрипластовые процессы с установлением ключевых параметров генерации водорода, а также изучена возможность параллельного захоронения парниковых газов.
В качестве основного способа экспериментального моделирования внутрипластовых процессов предлагается применять методику создания высоких давлений и температур, в присутствии керновой модели реального месторождения, в различных реакторах автоклавного типа. По результатам интерпретации данных лабораторных экспериментов будет получена кинетическая модель преобразования метана в водород в процессе внутрипластового горения, механизмы реакций, а также другие входные параметры, необходимые для последующего численного моделирования. В результате адаптации данных эксперимента в компьютерной модели будут получены параметры процесса для проведения моделирования в масштабе реального месторождения углеводородов, в ходе которого будет определена энергоэффективность применяемого метода разогрева пласта. На финальном этапе исследований планируется экспериментально изучить вопросы сохранения водорода и сепарации газовой смеси в пласте, и процессы захоронения парниковых газов, в частности СО2.
Полученные в ходе настоящего исследования данные позволят сделать прогноз эффективности применения метода ВПГ для генерации водорода. Полученные результаты могут стать значимым вкладом в развитие технологии низкоуглеродного производства водорода из ископаемого сырья в России. Результаты выполнения заявленного комплекса задач (экспериментальные исследования, численное моделирование, прогнозные оценки) будут иметь практический потенциал для снижения количества выбросов парниковых газов в атмосферу и расходы на их утилизацию в рамках стратегии РФ по переходу к углероднейтральной экономике.
Настоящий проект раскрывает передовую для российской науки и индустрии тему, а также является уникальным, не имея аналогов в России.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется:
На основе экспериментальных и теоретических исследований уточнить особенности протекания реакций генерации водорода из метана при заданных P-T условиях, а также получить кинетические параметры реакций, оценить объёмы генерируемого водорода и выявить влияние реального керна месторождения на процесс генерации водорода;
Разработать методику и экспериментально оценить возможность осуществления процесса горения метана и других углеводородных газов в поровой среде модели пласта, уточнить технологические параметры этого процесса;
Провести гидродинамическое моделирование лабораторных тестов и валидацию численной модели на основе экспериментальных результатов;
Определить оптимальный режим паровоздушного воздействия на пласт с целью интенсификации процессов генерации водорода и выявить оптимальные технологические параметры процесса (расход воздуха и пара, температурные профили, составы выходящих газов);
На основе экспериментальных данных и результатов численного моделирования оценить возможность сегрегации синтетических газов (Н2, СН4, СО, CO2, NOx, SOx) в поровом пространстве пласта, с одновременным захоронением СО2 за счёт взаимодействия с породой пласта;
Выявить изменения фильтрационно-емкостных, геомеханических и литологических свойств минеральной матрицы керна в результате осуществления высокотемпературного процесса генерации водорода из метана;
Экспериментально и численно оценить возможность генерации водорода из углеводородных газов различного состава (метан, природный газ, попутный нефтяной газ), при разогреве модели пласта за счет горения нефти в поровом пространстве;
В целом, эти результаты позволят оценить применимость метода внутрипластового горения (ВПГ) насыщаемых углеводородов для генерации водорода в условиях пласта. Экспериментальные и численные исследования позволят комплексно изучить вопрос генерации и сохранения водорода в пласте, а также захоронения синтетических парниковых газов в пласте истощенных месторождений углеводородов. Численное моделирование позволит адаптировать (“history matching”) модель основных химических реакций и выявить особенности процесса, интерпретировать сложные лабораторные эксперименты, позволит сделать прогноз эффективности применения метода ВПГ для генерации водорода и общий вывод о потенциале исследуемой технологии.
Полученные результаты могут стать значимым вкладом в производстве конкурентоспособного низкоуглеродного водорода из ископаемого сырья в России. Результаты выполнения проекта позволят снизить количество генерируемых парниковых газов и расходы на их утилизацию.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течение первого года выполнения проекта по изучению генерации водорода в условиях газовых месторождений при температурах, достижимых в пласте в результате разогрева одним из тепловых методов, выполнены следующие уникальные исследования:
1. Серия динамических автоклавных экспериментов, направленная на установление механизма процесса генерации водорода в процессе паровой конверсии метана (ПКМ) в пластовых условиях, при вариации исходных параметров - состав керновой модели, температура, соотношение пар/метан, с получением основных параметров - конверсия метана и выход водорода, - необходимых для последующего расчета кинетических параметров основных реакций процесса.
2. Исследование влияния высокой температуры, пара и синтетических газов, получаемых в ходе процесса генерации водорода, на фильтрационно-емкостные, литологические и геохимические свойства керна и параметры используемого катализатора. Изменения свойств фиксировались по изменению значений измеряемых параметров до и после экспериментов по генерации водорода из метана.
3. Математическое численное моделирование с целью оценки эффективности процесса генерации водорода в газонасыщенном пласте с адаптацией построенной численной модели на экспериментальные данные и последующим прогнозом предварительной кинетической модели генерации водорода из метана в пластовых условиях.
Получены следующие основные результаты:
1. Экспериментально подтверждена возможность генерации водорода из метана в пластовых условиях газового месторождения, что подтверждает перспективность данной технологии для дальнейшего использования на реальных месторождениях.
2. Получены корреляции конверсии метана и выхода водорода от исходных параметров, в частности температура и соотношение пар/метан.
Общие результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что процесс конверсии метана в синтез-газ, одним из компонентов которого является водород, происходит тем активнее, чем выше температура реализуемого процесса и больше соотношение водяной пар/метан, достигаемое в реакторе. Это, в свою очередь, согласуется с термодинамическими закономерностями, описывающими процесс, и удовлетворяет принципу Ле Шателье для обратимых газовых реакций.
3. Обнаружена зависимость конверсии метана и выхода водорода от типа исходной керновой модели, что позволяет предположить что процесс будет перспективным при реализации в газонасыщенных пластах, составленных различными типами пород. Определены сопутствующие эффекты, такие как влияние керна на активность катализатора и разложение карбонатной составляющей керна.
Обнаружено, что достигнутые степени конверсии метана и объёмные доли водорода в синтетической газовой смеси стабильно выше в экспериментах, реализованных в присутствии инертной керновой модели, чем в присутствии природного керна. Наибольшие конверсии метана в присутствии реального керна были достигнуты при температуре 800°С и отношениях водяной пар/метан равных 4 и 10, и составили 34,7 и 42,8 об. %, соответственно.
4. Получены экспериментальные результаты по изменению свойств породы в ходе генерации водорода при разных условиях проведения экспериментов.
Во-первых, показано изменение поверхности частиц катализатора по результатам тестов как на инертной, так и на реальной керновой модели: сканирующая электронная микроскопия демонстрирует наличие углеродных нановолокон. Дополнительно, отмечается осаждение серы на катализаторе при высоких температурах (800°С) и в длительных тестах (№16-10 и №18-12) с реальной керновой моделью, что подтверждает негативное влияние породы на активность катализатора. Во-вторых, рентгено-структурный анализ и СЭМ породы демонстрирует изменение матрицы - образование силикатов кальция вследствие преобразования карбонатных и доломитовых зерен, что в свою очередь приводит к альтерации пустотного пространства и фильтрационно-емкостных свойств резервуара. Это экспериментально подтверждается данными ЯМР и томографии, которые показали увеличение пористости в среднем на 2,5 абс.% и образование пор большего размера (до 10 микрон) после генерации водорода.
5. Получены предварительные кинетические реакции генерации водорода в наиболее оптимальных условиях.
В ходе численного моделирования удалось получить хорошую сходимость результатов численного моделирования, а именно по температурному фронту, накопленной добыче газа и мольным концентрациям отдельных компонентов газа: Н2, СН4, СО и СО2, как главным показателям качества адаптации кинетической модели. Реакции паровой конверсии метана и крекинг метана имеют наибольший вклад на выход газов, поэтому в данных реакциях итеративно варьировались кинетические параметры (энергия активации, предэкспоненциальный множитель и порядок реакций) в ходе моделирования.
В работе приведена совокупность кинетических параметров, и для некоторых реакций эти значения получены впервые. Построенная кинетическая модель является предварительной и требует адаптации на эксперименте на установке трубы горения для оценки продвижения высокотемпературного фронта, преобразований, происходящих в данной температурной зоне повышенных температур и адаптации кривых относительных-фазовых проницаемостей для последующей оценки эффективности метода. Все полученные данные будут использованы в дальнейшем для моделирования в масштабе более сложных экспериментов и месторождения.
Продолжение комплекса исследований предполагает проведение экспериментальных и численных работ по оценке параметров инициации горения метана, а также реализации параллельного захоронения СО2 в пласте месторождения, выбранного для осуществления генерации водорода. Эти исследования запланированы на следующих этапах настоящего проекта.
В течение первого года выполнения данного проекта команда принимала участие в российских передачах и подкастах, раскрывая тематику настоящего исследования, и опубликовала 1 статью в международном журнале (Q1). При этом еще одна статья проходит ревью в другом международном журнале (Q1), 2 статьи находятся на стадии подготовки, а также поданы расширенные тезисы на научные конференции ADIPEC 2023 и ICE 2023.
Публикации
1. А. Аскарова, А. Мухаметдинова, С. Маркович, Г. Хайруллина, П. Афанасьев, Е. Попов, Е. Мухина An Overview of Geological CO2 Sequestration in Oil and Gas Reservoirs Energies, 16(6), 2821 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/en16062821
2. - Энергетическая “магия”: как получить экологичный водород прямо в скважине Подкаст РИА Новости “Мы все умрём. Но это не точно”, - (год публикации - )
3. - Водород как экологически чистый энергоноситель Радио Маяк. Физики и лирики Наука., - (год публикации - )