Российские учёные разработали установку, с помощью которой можно моделировать газодинамические процессы в почве арктических территорий и прогнозировать взрывы в ней. За последние десятилетия глобальное потепление привело к таянию вечной мерзлоты. Из-за этого метан, скопившейся подо льдом, всё чаще вырывается на поверхность. Это может привести к значительному ущербу, например, для газопроводов или скважин, поэтому очень важно заранее предупредить опасность. По словам экспертов, спрогнозировать конкретный газовый взрыв практически невозможно, тем не менее некоторые объекты можно обезопасить за счёт мониторинга, а также предугадать рост интенсивности выбросов в отдельных районах.

Учёные из Сколтеха создали и успешно испытали не имеющую аналогов в России экспериментальную установку, которая позволяет моделировать газодинамические процессы в замёрзшей почве и предсказывать вероятность взрывного выброса метана. Из-за глобального потепления в Арктике участились мощнейшие взрывы скопившегося в породах газа. Они представляют опасность для газопроводов, добывающих скважин и других инженерных объектов на северных территориях, а также для местного населения и скота. Кроме того, данные расчётов важны для оценки воздействия выбросов на климат, так как метан в 28 раз эффективнее удерживает тепло в атмосфере, чем углекислый газ.

Ключевой параметр, необходимый для понимания и прогнозирования выбросов метана, — проницаемость породы: может ли газ просочиться сквозь грунт и насколько легко. Считается, что мерзлота практически непроницаема для газа, пока не оттает. В талом состоянии её проницаемость зависит от состава грунта и рассчитывается для фиксированных условий, которые установлены отраслевыми стандартами.

Однако столь упрощённый подход не позволяет качественно прогнозировать прорыв газа, потому что это не соответствует сложным условиям в природе, где многие факторы — температура, давление, насыщение грунта незамёрзшей водой, гидратами и пр. — меняются и связаны друг с другом. Поэтому учёные предложили новый подход.

«До сих пор в России не было экспериментальных установок для льдогидратных систем для одновременного исследования динамики нескольких параметров. Используемые в других странах экспериментальные комплексы тоже, как правило, работают при фиксированных условиях. Мы же рассматриваем более широкий диапазон условий и динамику параметров, имея в виду, что в природе именно так и происходит. Теперь возможно моделировать интересные природные ситуации, проверять многочисленные предлагаемые теоретические объяснения, приближаясь к прогнозированию взрывных выбросов метана из мерзлоты», — рассказал инженер Центра науки и технологий добычи углеводородов и аспирант программы «Нефтегазовое дело» Сколтеха Максим Жмаев.

В Арктической зоне, как на суше, так и под водой, природный газ постепенно аккумулируется в верхних горизонтах мерзлоты. Так образуются его крупные скопления. Когда давление в них достигает критических величин, газ разрушает мёрзлые породы и вырывается на поверхность. Происходит взрыв. На суше он нередко сопровождается возгоранием. Крупные обломки разлетаются на расстояние многих десятков метров, а на поверхности образуется огромный кратер. Со временем он превращается в озеро, которое трудно отличить от обычного, рассказали специалисты.

Созданная в Сколтехе установка предназначена для проведения экспериментов с образцами мёрзлой породы. Она моделирует природные условия в широком диапазоне. Температуру среды и давление газа можно изменять по заданному алгоритму, а уникальный держатель образца позволяет уплотнять грунт прямо в процессе эксперимента и измерять изменение его линейных размеров, а значит, и пористости. Система снабжена акустическими датчиками, по данным которых можно судить об изменении соотношения льда, незамёрзшей воды и других фазовых компонентов. За счёт этого можно не просто определить газопроницаемость, а приблизиться к исследованию сложных процессов в грунте в том виде, в котором они происходят в природе.

«Мы провели ряд проверочных экспериментов с использованием установки и показали, что предложенная технология работает. Например, удалось измерить критические температуры, при достижении которых у всё ещё мёрзлой, но подогретой породы возникает частичная проницаемость. Мы исследовали также область достаточно высоких, но не вызывающих образования газогидратов давлений. Всё это приближает нас к тому, чтобы более детально и реалистично моделировать процессы в природе, в том числе и прорыв газа из мерзлоты, а не определять характеристики грунта», — сказал руководитель исследования, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Евгений Чувилин.

Взрывы в Арктике будут продолжаться, но где и когда это произойдёт, точно спрогнозировать нельзя, считает заместитель директора по науке Института проблем нефти и газа РАН Василий Богоявленский. Так же как и в случае с землетрясениями и извержениями вулканов, предсказание можно сделать только с помощью непрерывного мониторинга отдельных объектов, если приборы зафиксируют какие-то изменения в происходящих в них процессах. И всё равно это будет вероятность события за достаточно продолжительный период времени.

«Мы уже 10 лет изучаем взрывы в Арктике и знаем о них практически всё. Один из главных критериев скорого выброса — быстрый рост бугра. В этом году мы исследовали два новых объекта. Один их них взорвался 30 августа. Скорость роста его бугра была аномально высокой и превышала 50 см в год. Мониторить их можно из космоса. Сейчас мы наблюдаем за потенциально опасными объектами на Бованенковском месторождении на Ямале», — сказал Василий Богоявленский.

Тем не менее моделирование с помощью установки будет полезно для понимания того, как и при какой температуре разные грунты начинают пропускать газ, отметил специалист.

Отдельные взрывы предсказать нельзя, но можно прогнозировать рост их интенсивности, считает координатор программы экологизации промышленности Центра охраны дикой природы, эксперт Международного социально-экологического союза Игорь Шкрадюк.

«Метан образуется при брожении биомассы. Его ближайший аналог — болотный газ, который иногда выходит пузырями и загорается. Вечная мерзлота не давала метану выходить наружу, и он под ней накапливался. Но она тает, и тогда выходит накопленный за десятки тысяч лет газ», — отметил он.

Общее количество метана в земле в сотни раз превышает его количество в атмосфере. А это 6 млрд тонн. Из-за таяния льдов выбросы происходят во много раз чаще, чем десятилетие назад, и тенденция будет продолжаться. На дне Ледовитого океана около 2 тыс. мест, где выходит метан, и на полярных островах их тоже много. Их взрывы можно сравнить с детонацией десятитонной тротиловой бомбы, пояснил специалист.

Текст Дениса Гриценко, «Известия». Освещённое в пресс-релизе исследование опубликовано в журнале Cold Regions Science and Technology и поддержано грантами № 22-17-00112 и № 22-67-00025 Российского научного фонда.