Scienty

Какие исследования проводят ученые в Институте механики МГУ? Какие фундаментальные вопросы стоят перед лабораторией гидромеханики и какие практические применения имеют эти исследования? Какова цель захоронения углекислого газа под землей и какую роль в этом процессе могут сыграть ученые? Почему гидромеханика необходима при поиске нефти и газа? Об этом рассказывает Андрей Александрович Афанасьев, член-корреспондент РАН и заведующий лабораторией общей гидромеханики Института механики МГУ.

— Институт был основан в 50-е годы прошлого века. А лаборатория функционирует с тех пор?

— Лаборатория, которой я руковожу, была основана вместе с институтом в 1959 году. Изначально в ней велась активная работа в области магнитной гидродинамики, то есть в области взаимодействия сплошных сред с электрическими и магнитными полями. Позднее первый руководитель лаборатории, профессор Г.А. Любимов, и профессор С.А. Регирер начали исследования в области биомеханики глаза и механике роста. В этот период налаживались контакты с медицинскими работниками, и создавались различные модели, такие как, например, модель для более точного измерения внутриглазного давления или для моделирования роста растения.

— А в чем заключается ваша тематика?

— Моя основная область исследований – это относительно новая сфера, посвященная моделированию подземных течений и подземной гидромеханике. Эта область активно развивается в нашей лаборатории на протяжении последних 20 лет и связана с разработкой нефтяных месторождений, добычей природных ресурсов и использованием геотермальной энергии. В течение последнего десятилетия мы уделяем особое внимание изучению процессов подземного хранения газа. Эта тематика имеет большое значение для нефтегазовой отрасли, поскольку предполагает хранение природного газа под землей, а также связана с вопросами углеродного следа и климатических проблем.

— Какие методы вы используете при проведении исследований? Проводите ли вы полевые работы или разрабатываете математические модели в лабораторных условиях?

— Мы фокусируемся на теоретических исследованиях, направленных на создание моделей этих течений. Однако задача эта сложна. Нам необходимо (и это является верным подходом!) поддерживать связь со специалистами в области геологии и геохимии, поскольку наши задачи тесно связаны. Мы не можем ограничиться простым построением модели. Оценить ее применимость на практике способны только те, кто непосредственно работает с подземными объектами. В этом мы видим ценное взаимодействие: геологи формулируют актуальные задачи, а мы, гидромеханики, разрабатываем соответствующие модели, позволяющие спрогнозировать процессы и оценить характеристики систем, создаваемых геологами.

— Не могли бы вы привести пример, как вы взаимодействовали с геологами и обнаружили что-то, имеющее стратегическое значение?

— В области подземного хранения углекислого газа мы на протяжении последних четырех лет тесно сотрудничаем с промышленным партнером, компанией «Газпромнефть». Особое внимание уделяется вопросам деформации пористой среды при движении жидкостей. Эти вопросы решаются в Сколтехе. В нашей группе были решены ряд задач, связанных с гидромеханикой. Мы провели региональное исследование, в рамках которого оценивалось, какие пласты в Западной Сибири, с какими характеристиками, наиболее пригодны для размещения углекислого газа. Пластов существует множество: одни залегают на глубине 1 км, другие — на глубине 3 км, их проницаемость и пористость различаются, а давление и температура также имеют различные значения, и все эти факторы необходимо учитывать. Именно это мы и оценивали. Мы определили, в какие пласты целесообразно закачивать углекислый газ, а в какие — нет.

— И в какие же целесообразно инвестировать? В те, что расположены глубже или ближе к поверхности?

— Здесь важнее не глубина залегания, а условия формирования этих пластов. Речь идет об условиях, в которых осадки, формирующие пласты, накапливались. Те слои, которые сейчас залегают на глубинах 1–2–3 км, образовались из осадков на поверхности Земли в течение последних 150 млн лет, постепенно накапливаясь и погружаясь. Некоторые пласты, сформировавшиеся в русле реки, оказались не оптимальными для хранения углекислого газа. Во время течения реки образуются русла и поймы, река меняет свое русло, что приводит к формированию пластов, состоящих из множества изолированных линз, что неблагоприятно для размещения газа.

— Это значит, что газ может подняться на поверхность? Какие последствия могут возникнуть при некорректном размещении?

— Это указывает на ограниченную возможность хранения больших объемов газа. При бурении скважины выясняется, что ее продуктивность будет низкой. Мы искали как глубокие слои, так и такие, которые могли бы вместить значительное количество газа, то есть обладать высокой емкостью. В итоге оказалось, что для хранения газа наиболее подходящими являются барьерные геологические обстановки – слои, сформировавшиеся миллионы лет назад на побережье моря.

— Почему вообще необходимо захоронение углекислого газа под землей?

— Это вопрос, обусловленный изменениями климата. Теплая погода в Москве этой зимой ощущалась особенно остро: половину января мы провели без снега. Несмотря на различные точки зрения относительно глобального потепления, я убеждена в его существовании, что подтверждается изменениями в нашем климате. По моему мнению, подавляющее большинство авторитетных ученых подтверждают его наличие. Средняя температура на планете повысилась на два градуса. Возможно, это не кажется существенной величиной, но изменения все же происходят. Для решения этих задач существует предложение о захоронении углекислого газа под землей. Это, с одной стороны, направлено на решение климатических проблем, а с другой — вызывает интерес у представителей нефтегазового сектора, поскольку формируется рынок углеродных кредитов.

— Что это за рынок?

— Это платформа, где совершаются сделки с углеродными кредитами, которые формируются благодаря извлечению 1 млн тонн углекислого газа из атмосферы. Углекислый газ может быть захоронен под землей или поглощен растениями, что позволяет генерировать углеродные кредиты.

— А как его убирают из атмосферы?

— Существуют разработки, предполагающие извлечение углекислого газа непосредственно из атмосферы. Однако, более перспективным, на мой взгляд, является метод, при котором улавливание происходит непосредственно на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Там сжигается топливо, например, газ или уголь, и образующиеся выбросы, содержащие значительное количество углекислого газа, очищаются и захораниваются под землей.

— Такие проекты уже существуют?

— В мировом опыте насчитывается уже десятки, а то и больше подобных проектов. В нашей же стране пока находятся в стадии рассмотрения пилотные инициативы, схожие по направлению.

— Означает ли это, что темпы глобального потепления замедлятся? Какие результаты ожидают те, кто реализует эти проекты?

— Вероятно, от нас ожидают, что мы хотя бы сможем снизить темпы развития глобального потепления. Речь идет не о том, чтобы захоронить все углекислый газ, производимый человечеством, в недрах земли. Природа – леса, болота, океан – естественным образом поглощает углекислый газ. Существующий дисбаланс заключается в том, что человечество выбрасывает немного больше углекислого газа, чем способен усвоить Земля. Модели демонстрируют, что даже незначительный дисбаланс может спровоцировать глобальное потепление из-за положительных обратных связей. Накопление углекислого газа в атмосфере приводит к ее незначительному нагреванию. Вследствие этого происходит усиление испарения воды, а водяной пар является более мощным парниковым газом, чем углекислый. Увеличение выбросов углекислого газа вызывает испарение воды, что приводит к усилению парникового эффекта.

— Помимо этого проекта, вы также оказываете помощь геологам в поиске месторождений полезных ископаемых, включая нефть и газ. Пожалуйста, расскажите об этом.

— В настоящее время нефтяные компании сталкиваются с необходимостью добычи нефти из пластов, расположенных на значительной глубине и характеризующихся низкой проницаемостью. В таких условиях традиционные методы, при которых углеводороды самостоятельно поднимаются по скважине, оказываются неэффективными. Поэтому актуальны модели, описывающие способы повышения нефтеотдачи, в частности, связанные с закачкой растворителей в пласт для увеличения объема извлекаемой нефти. Низкая проницаемость и большая глубина залегания пласта ограничивают объем добычи.

Для учета многокомпонентного состава нефти здесь разрабатываются композиционные модели фильтрации. Это сложное моделирование, требующее применения уравнения гидромеханики и сложных уравнений состояния для описания парожидкостных равновесий, расчета плотности нефти и процессов растворения. Углекислый газ также может быть закачан в нефтяной пласт, поскольку он хорошо растворяется в углеводородных компонентах и способствует снижению вязкости нефти, что является важным фактором. Для разработки этих трудноизвлекаемых запасов, или нетрадиционных месторождений, необходимо использовать новые методы геологического моделирования. В результате создаются сложные взаимосвязанные модели.

— Распространено мнение о конечности нефтяных запасов. Какова ваша позиция по этому вопросу?

— Объемы нефтяных запасов остаются значительными, однако их извлечение затруднено. Существующие технологии не позволяют добывать эти ресурсы. В этом контексте можно утверждать, что истощаются традиционные запасы нефти. Несмотря на наличие трудноизвлекаемых объемов, остается вопрос о способах их добычи. Для решения этой задачи необходимо создавать модели, учитывающие новые факторы, и разрабатывать инновационные технологии. Это уже давно является задачей не только геологов, но и математиков, гидромехаников и других экспертов. Ранее геологи и гидромеханики совместно решали сложные вопросы, находя для себя новые вызовы. В настоящее время задачи претерпевают изменения, происходит переход к трудноизвлекаемым запасам, и круг специалистов, участвующих в решении этих задач, постоянно расширяется.

— Как мне кажется, изучение законов, управляющих движением жидкостей, — весьма непростая задача. Существуют ли в этой области аспекты, которые вам непонятны, но вам хотелось бы освоить?

— Ежедневно, решая задачи, мы стремимся к новым знаниям. Течения действительно описываются сложными нелинейными моделями. Их особенность заключается в необходимости решения систем уравнений, которые, с одной стороны, отображают непрерывные изменения параметров в пространстве, а с другой – в этих распределениях могут возникать области с резкими изменениями параметров, которые мы зачастую даже моделируем с помощью сильных разрывов. В этой области существует множество задач: различные жидкости, разнообразные пористые среды, разные модели переноса. Все это обуславливает различные конфигурации распределений параметров, которые мы и изучаем в лаборатории.

— Столкнулись ли вы с неожиданными результатами?

— Да, это происходило неоднократно. Подобный результат фиксируется на нескольких газовых скважинах. Нами разработана модель этого процесса: длительное закачивание газа в скважину приводит к постепенному снижению проницаемости в «прискважной» зоне из-за фазовых превращений. Закачивать газ в скважину непрерывно не рекомендуется. Отложение солей не только снижает проницаемость, но и может привести к полному прекращению потока газа. Этот неожиданный результат был получен около года назад.

Другой неожиданный результат связан с тем, что при теоретическом исследовании подобных течений обычно предполагается однородность пластов. В прошлом году мы в лаборатории сосредоточились на изучении фильтрации в неоднородных пластах. Казалось бы, чем однороднее пласт, тем он лучше подходит для хранения газа, и тем проще это. Однако, как выяснилось, это не всегда так: существует некий оптимальный диапазон. Если рассматривать ось, на одном конце которой находится сильно неоднородный, неблагоприятный пласт, а на другом — однородный, то наилучшие характеристики будут наблюдаться в середине. Здесь проявляются сложные нелинейные эффекты, обусловленные как силой плавучести, воздействующей на газ, так и непроницаемыми участками, препятствующими его подъему. Выяснилось, что существует определенный диапазон параметров, более благоприятный для полного вытеснения жидкости из пласта, независимо от того, вытесняем ли мы нефть или закачиваем газ, вытесняя воду. Это тоже оказалось неожиданным.

— Каковы научные планы вашей лаборатории и ваши собственные?

— Мы планируем начать учитывать химические взаимодействия с породой. В настоящее время мы находимся в процессе обдумывания этого вопроса.

— Надо еще и химиков привлекать?

— Геохимические аспекты играют ключевую роль в данном процессе. Необходимо учитывать не только фазовые переходы, но и взаимодействие закачиваемой среды, будь то вода или углекислый газ, с минералами горных пород. Растворение углекислого газа в воде приводит к образованию углекислоты и повышает кислотность среды. В свою очередь, это может вызывать растворение части минералов, составляющих горную породу, а также осаждение других минералов на её структуру. Мы работаем над созданием и развитием соответствующих моделей.

— Что побуждает вас к подобной деятельности?

— Это хороший вопрос! Вероятно, так получилось. В студенческие годы, когда я учился на механико-математическом факультете МГУ, меня увлекли задачи подземной гидромеханики. Тогда я искал область, которая имела бы практическое применение. В те годы казалось, что задачи, связанные с фильтрацией и разработкой углеводородных месторождений, обладают практической значимостью. Я выбрал научного руководителя А.А. Бармина и обратился к нему с целью найти задачу, имеющую практическую направленность, но Алексей Алексеевич сумел не только привить мне любовь к науке и фундаментальным исследованиям. Он говорил, что необходимо не только решать задачи, имеющие практическую ценность, но и делать это элегантно. Это может быть важно для самого исследователя. Красивое решение задачи приносит удовлетворение. Это чувство до сих пор со мной. Обнаружение нестандартных, элегантных решений, новый и интересный эффект – все это доставляет удовольствие, питает душу, вдохновляет и побуждает к дальнейшему развитию.

Интервью стало возможным благодаря поддержке Министерства науки и высшего образования РФ