В Арктике спрятаны гигантские залежи газогидратов, но их добыча — задача не из легких. Российские и зарубежные ученые создали компьютерную модель, которая помогает обойти главные технологические трудности.
«Огненный лед» — это газогидрат с метаном внутри. Один кубометр такого вещества дает до 180 кубометров газа, поэтому запасы в российской Арктике огромны. Но есть проблема: если разрушить его структуру, выделяется метан, который усиливает парниковый эффект. Кроме того, без газогидрата осадочные породы теряют опору и могут обрушиться.
Сейчас для укрепления скважин используют цемент с полимерами для вязкости. Но вода с этими добавками просачивается в породу и разрушает гидрат еще до застывания цемента. Из-за этого случаются обвалы во время строительства.
Чтобы решить эту задачу, ученые Пермского Политеха вместе с коллегами из Китая и Саудовской Аравии разработали первую компьютерную модель. Она помогает определить, какие компоненты безопасны для гидратов, а какие могут привести к аварии. Об этом порталу «Наука Mail» рассказала пресс-служба Минобрнауки РФ. Исследование выполнено в рамках программы «Приоритет 2030», статья опубликована в журнале «Materials» (2026 г.).
Что такое «огненный лед»?
Представьте вещество, похожее на спрессованный снег, которое вспыхивает от зажигалки, — это газогидрат, или «огненный лед». Он скрыт под дном океана и в вечной мерзлоте, внешне напоминает обычный лед, но внутри его кристаллической решетки заперт метан. При разложении 1 м³ такого льда дает до 160–180 м³ газа — это эффективный, но опасный источник энергии.
Запасы «огненного льда» колоссальны и сопоставимы со всей традиционной нефтью и газом вместе взятыми. Крупнейшие скопления находятся в Арктике (Россия, США, Канада, Норвегия) и в зонах вечной мерзлоты. Россия — один из мировых лидеров по объему запасов: они сосредоточены в морях от Баренцева до Чукотского, а также на суше — в Якутии и Западной Сибири.
Почему добыча опасна?
Чтобы извлечь газ, гидраты нужно разрушить прямо в пласте — например, откачав жидкость из скважины или подав горячую воду либо пар. Но такое вмешательство делает систему хрупкой: при нарушении равновесия «огненный лед» бурно разлагается, выделяя огромные объемы газа. Это чревато деформациями скважин, взрывами и образованием подземных полостей. Выброс метана в атмосферу усиливает парниковый эффект в десятки раз сильнее, чем углекислота.
Еще одна угроза связана с тем, что гидраты выполняют роль природного «клея», скрепляя осадочные породы (песчаник, известняк, глину). При их разрушении отложения теряют устойчивость и могут обрушиться.
Поэтому при строительстве скважин сначала опускают металлические трубы — они не дают породе осыпаться, — а затем заполняют пространство между трубами и грунтом цементным раствором. После затвердевания он берет на себя удерживающую функцию вместо исчезнувших гидратов.
У этого способа есть скрытая проблема: вода из раствора вместе с полимерами просачивается в породы, проникает в кристаллическую решетку гидрата и разрушает его раньше, чем раствор схватится и возьмет на себя роль опоры. Из-за этого порода может обрушиться прямо во время строительства. Метода заранее рассчитать безопасные полимеры до сих пор не существовало.
Как работает новая модель?
Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Китая и Саудовской Аравии впервые разработали компьютерную модель. Она показывает, как разные химические вещества влияют на устойчивость гидратов. С ее помощью можно заранее определить, какие добавки безопасны, а какие способны привести к аварии.
Мы построили виртуальную модель «огненного льда». Затем смоделировали реальный процесс, как жидкость затворения из цементного раствора просачивается в породу и контактирует с гидратом. Для этого в виртуальную систему добавили раствор с полимерами в разных концентрациях от 0,5 до 1,5%. После чего стали постепенно повышать температуру, имитируя нагрев от затвердевающего цемента, и наблюдали, при какой температуре гидрат начинает разрушаться. Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук
С помощью этого метода ученые испытали разные химические добавки. В реальном цементе используются сложные полимеры, состоящие из простых молекулярных структур — своего рода «кирпичиков», которые и определяют, опасна ли добавка для гидратов.
Исследователи выбрали три основных типа таких групп — кислотные, серосодержащие и азотистые (амидные), — а также их сочетания: всего создали 22 варианта систем. Для каждого рассчитали температуру начала разрушения гидрата и провели расчеты для давлений от 5 до 10,5 МПа — именно такой диапазон встречается на дне океана, где залегают «огненные льды».
Результаты показали, что наиболее агрессивными оказались амидные группы. Если в жидкости затворения содержится 1,5% такого полимера, гидрат начинает таять на 2,77°C раньше, чем в чистой воде. Для наглядности: если в ней гидрат разрушается при +5°C, то с добавлением полимера — уже при +2,23°C. Еще хуже, если в нем одновременно есть азотистая и кислотная группы: там температура снижается на 3,56°C. А вот серосодержащие добавки оказались наименее вредными. Хуаджи Лиу, доктор наук, профессор школы нефтегазового инжиниринга Китайского Нефтяного Университета г. Циндао
Ученые уделили особое внимание изучению влияния концентрации полимеров и выяснили: даже безопасные на первый взгляд соединения могут стать опасными при высокой концентрации. Поэтому разработанная модель позволяет подбирать не только тип химического соединения, но и его оптимальное количество в растворе.
Практическая польза
На основе этих данных создан специальный инструмент — своего рода калькулятор: инженер загружает в него состав цемента, а программа оценивает риск разрушения гидратов. При выявлении угрозы состав можно скорректировать, заменив полимеры на безопасные для конкретных условий. Это дает возможность подбирать рецептуру для любой скважины еще на этапе проектирования.
Таким образом, разработка позволяет быстро и точно проектировать составы цемента для гидратоносных скважин с минимальными рисками. Благодаря ей добыча «огненного льда» в Арктике станет безопаснее: скважины будут надежно закреплены, а вероятность аварий и выбросов метана сведена к минимуму. Это защитит и людей, и окружающую среду.