Натурные исследования, экспериментальное и математическое моделирование газодинамических процессов в системе донные отложения-водная толща на арктическом шельфе России

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 проекта 22-67-00025

НазваниеНатурные исследования, экспериментальное и математическое моделирование газодинамических процессов в системе донные отложения-водная толща на арктическом шельфе России

Руководитель Шахова Наталья Евгеньевна, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-518 - Природные газогидраты, их образование, деградация, метановые выбросы

Ключевые слова арктический шельф, система донные отложения - водная толща, эмиссия метана, пузырьковый транспорт, подъем вод (апвеллинг), подводная мерзлота и газовые гидраты, газодинамические процессы, математическое моделирование, лабораторные и натурные экспериментальные исследования, деформационные процессы и разрушение геосреды, вязкопластическая среда, нелинейная фильтрация и газопроницаемость, солеперенос и осмотический эффект, таяние льда и диссоциация газовых гидратов, природные опасности

Код ГРНТИ38.65.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время развитие мировой экономики испытывает трудности, обусловленные, в первую очередь, недостатком знаний о степени влияния антропогенных и естественных факторов на изменение климата, что приводит к большому количеству неопределенностей в функционировании климатической системы нашей планеты и вызывает ряд серьезных проблем, связанных с планированием развития в области энергетики и мировой экономики. Одной из фундаментальных проблем является практически неизученный физический механизм фильтрации газового (метанового) геофлюида в толще донных отложений, который проявляется в массированных выбросах пузырькового (диффузионный поток играет вторичную роль) метана на обширных мелководных участках арктического шельфа России, где предполагается широкое распространение деградирующей подводной мерзлоты, а также газогидратных образований, связанных с реликтовой мерзлотой. Другой проблемой является недопонимание закономерностей транспорта и трансформации потоков пузырькового метана в водной толще, образующих при разгрузке из донных отложений газовые сипы, которые достигают десятков и сотен метров в диаметре и могут вызывать серьезные экологические и геоинженерные проблемы. Кроме того, натурные наблюдения показывают, что значительная фракция геологического флюида в форме пузырьков метана достигает поверхности моря, что потенциально может привести к изменению баланса атмосферного метана – важнейшего парникового газа. Однако, до настоящего времени этот процесс не учитывается в прогнозе возможных климатических изменений и природных опасностей (георисков), которые могут возникнуть при развитии и эксплуатации Северного Морского пути (СМП), освоении углеводородных ресурсов шельфа. Данный проект направлен на решение выше сформулированных проблем путем выявления характерных особенностей транспорта (фильтрации) и разгрузки основного газового флюида - пузырькового метана в системе донные отложения - водная толща в ключевых районах арктического шельфа РФ, где доминирует тот или иной источник метана (биогенный, термогенный, абиогенный) и исследование механизма образования каналов разгрузки и переноса газа в донных отложениях, находящихся в различном фазовом состоянии (мерзлые, охлажденные, немерзлые породы). Особое внимание уделяется исследованию газопроницаемости осадков, обусловленную образованием - разрушением гидратов при изменении термодинамических параметров (температура, соленость и др.) и типов осадков. Выполнение комплекса принципиально новых работ в такой сложной многофазной системе возможно только путем междисциплинарных исследований, объединяющих специалистов в области физики (с фокусом на механике сплошной среды, изучении и моделировании фильтрационных процессов), морской геологии и геофизики (эволюция состояния подводной мерзлоты - гидратов, механизмы транспорта и трансформации газового флюида в условиях фазовых переходов, динамика сейсмотектонических процессов и т.д.), океанографии (количественная оценка разгрузки газового флюида - пузырькового метана, изучение транспорта и трансформации пузырькового потока в сильных струях, которые модулируют подъем вод (апвеллинг) и усиливают интенсивность переноса метана из донных отложений в водную толщу-атмосферу). Для достижения поставленных целей будет впервые использован триединый подход, который объединит натурные исследования, лабораторные эксперименты и математическое моделирование. Основные ожидаемые результаты в фундаментальном и прикладном аспектах изложены в п. 4.6

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шпак П.М., Турунтаев С.Б., Тримонова М.А., Таирова А.А., Беляков Г.В., Юдочкин Н.А. The Model of Cohesionless Sediment Blowout with an Increase in the Methane Flow Rate Geosciences, Geosciences 2022, 12(11), 423; https://doi.org/10.3390/geosciences12110423 (год публикации - 2022)
10.3390/geosciences12110423

2. Лобковский Л.И., Баранов А.А., Рамазанов М.М., Владимирова И.С., Габсатаров Ю.В., Семилетов И.П., Алексеев Д.А. Trigger Mechanisms of Gas Hydrate Decomposition, Methane Emissions, and Glacier Breakups in Polar Regions as a Result of Tectonic Wave Deformation Geosciences, Geosciences 2022, 12(10), 372; https://doi.org/10.3390/geosciences12100372 (год публикации - 2022)
10.3390/geosciences12100372

3. Лобковский Л.И., Рамазанов М.М., Семилетов И.П., Алексеев Д.А. Mathematical Model of the Decomposition of Unstable Gas Hydrate Accumulations in the Cryolithozone Geosciences, Geosciences 2022, 12(9), 345; https://doi.org/10.3390/geosciences12090345 (год публикации - 2022)
10.3390/geosciences12090345

4. Чувилин Е., Давлетшина Д., Буханов Б., Мухаметдинова А., Истомин В. Formation of Metastability of Pore Gas Hydrates in Frozen Sediments: Experimental Evidence Geosciences, Geosciences 2022, 12(11), 419; https://doi.org/10.3390/geosciences12110419 (год публикации - 2022)
10.3390/geosciences12110419

5. Буханов Б., Чувилин Е., Жмаев М., Шахова Н., Спивак Э., Дударев О., Осадчиев А., Спасенных М., Семилетов И. In situ bottom sediment temperatures in the Siberian arctic seas: Current state of subsea permafrost in the kara sea vs laptev and east Siberian seas Marine and Petroleum Geology, 157,106467 (год публикации - 2023)
10.1016/j.marpetgeo.2023.106467

6. Лобковский Л.И., Баранов А.А., Гарагаш И.А., Рамазанов М.М., Владимирова И.С., Габсатаров Ю.И., Алексеев Д.А., Семилетов И.П. Large Earthquakes in Subduction Zones around the Polar Regions as a Possible Reason for Rapid Climate Warming in the Arctic and Glacier Collapse in West Antarctica Geosciences, 13(6) (год публикации - 2023)
10.3390/geosciences13060171

7. Алексеев Д.А., Кошурников А.В., Гунар А.Ю., Балихин Е.И., Семилетов И.П., Шахова Н.Е., Палшин Н.А., Лобковский Л.И. Time-Domain Electromagnetics for Subsea Permafrost Mapping in the Arctic: The Synthetic Response Analyses and Uncertainty Estimates from Numerical Modelling Data Geosciences, 13,144 (год публикации - 2023)
10.3390/geosciences13050144

8. Гарагаш И.А., Лобковский Л.И. О механизме разрушения ледяных пленок метастабильных газогидратов и его возможном приложении к процессу эмиссии метана в Арктике Арктика: экология и экономика, 1 (год публикации - 2023)

9. Черных Д.В., Шахова Н.Е., Космач Д.А., Доманюк А.В., Салюк А.Н., Спивак Э.А., Саломатин А.С., Гершелис Е.В., Семилетов И.П. Стенд для исследования локального апвеллинга, вызванного всплывающими пузырьками Приборы и техника эксперимента, №2-2024 (год публикации - 2024)

10. Рамазанов М.М., Булгакова Н.С., Лобковский Л.И. Mathematical model of freezing of rocks saturated with salt solution taking into account the influence of osmosis Russian Journal of Earth Sciences (год публикации - 2023)
10.2205/2023ES000857.

11. Чувилин Е., Давлетшина Д., Буханов Б., Гребенкин С., Панкратова Е. Thermal Conductivity Variations in Frozen Hydrate-Bearing Sand upon Heating and Dissociation of Pore Gas Hydrate Geosciences, 13(10), 316 (год публикации - 2023)
10.3390/geosciences13100316

12. Рамазанов М.М., Булгакова Н.С., Лобковский Л.И., Чувилин Е.М., Давлетшина Д.А., Шахова Н.Е. Математическое и экспериментальное моделирование кинетики диссоциации гидрата метана в мерзлых породах при снижении внешнего давления Доклады РАН. Науки о земле, № 6., Т. 516, С. 127-136. (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24601391

13. Рамазанов М.М., Булгакова Н.С., Лобковский Л.И., Чувилин Е.М., Гаджимагомедова С.Р., Шахова Н.Е. Freezing Patterns in Saline Soils: Modeling with Regard to the Osmotic Effect RUSSIAN JOURNAL OF EARTH SCIENCES, 24, ES4008, EDN: HICJYC. (год публикации - 2024)
10.2205/2024ES00919

14. Рамазанов М.М., Лобковский Л.И., Булгакова Н.С., Гаджимагомедова С.Р. Осмотическая фильтрация соленой воды в осадочной толще, содержащей полупроницаемые области, и ее возможные приложения Доклады РАН. Физика, технические науки, том 517, с. 137–148. (год публикации - 2024)
10.31857/S2686740024040088

15. Рамазанов М.М., Булгакова Н.С., Лобковский Л.И. Закономерности деградации гидратосодержащих ММП: моделирование с учетом осмотического эффекта Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2025)

16. Чувилин Е.М., Гребенкин С.И., Жмаев М.В. Gas flow in frozen hydrate-bearing sediments exposed to compression and high-pressure gradients: Experimental modeling Cold Regions Science and Technology, V. 228, 104310 (год публикации - 2024)
10.1016/j.coldregions.2024.104310

17. Чувилин Е.М., Гребенкин С.И., Жмаев М.В. Экспериментальное моделирование фильтрации газа в мерзлых и гидратосодержащих породах в условиях одноосного сжатия Криосфера Земли, мерзлые породы, гидратосодержащие породы, экспериментальное моделирование, фильтрация газа, методика исследования, фазовые переходы, относительная деформация, скорость упругих волн. (год публикации - 2024)
10.15372/KZ20240603

18. Семилетов И.П., Шахова Н.Е. Баланс парниковых газов и изменение климата: роль деградации мерзлоты в Арктике Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук, № 4 (год публикации - 2024)

19. Черных Д.В., Космач Д.А., Шахова Н.Е., Саломатин А.С., Салюк А.Н., Доманюк А.В., Спивак Э.А., Гершелис Е.В., Дударев О.В., Красиков В.А., Ананьев Р.А., Семилетов И.П. Количественная оценка пузырькового метана, достигающего приводных слоев атмосферы в Арктике Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 335, №12 (год публикации - 2024)

20. Рамазанов М.М., Булгакова Н.С., Лобковский Л.И. Математический критерий образования криопэгов в процессе промерзания пород, насыщенных раствором соли Доклады РАН. Физика, технические науки. , № 2., Т. 515., С. 59-66. (год публикации - 2024)
10.31857/S2686740024020094

21. Рамазанов М.М., Булгакова Н.С., Лобковский Л.И. Математическая модель деградации ММП, содержащих скопления метастабильных газогидратов и свободного газа под тепловым и солевым воздействием растворов Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки (год публикации - 2024)

22. Барышников Н.А., Зенченко П.Е., Турунтаев С.Б. Влияние газа, возникающего при разложении газового гидрата, на фильтрационные свойства донных отложений арктического шельфа. Лабораторное моделирование Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов., № 6., Т. 335., С. 203–213. (год публикации - 2024)
10.18799/24131830/2024/6/4422

23. Гарагаш И.А., Лобковский Л.И., Семилетов И.П. Численное моделирование образования покмарков на морском дне в результате разложения газогидратов Динамические процессы в геосферах (год публикации - 2024)

24. Тримонова М.А., Шпак Р.М., Турунтаев С.Б., Таирова А.А., Беляков Г.В., Юдочкин Н.А. Influence of boundary conditions on initiation of gas blowout in permeable rock Environmental Geotechnics (год публикации - 2024)
10.1680/jenge.23.00124

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Задачи 1 – 3. Проведено исследование динамики солепереноса в мерзлых гидратосодержащих песчаных породах и показано влияние процессов солепереноса на дестабилизацию внутримерзлотного газогидрата и эмиссию метана в следствие разложения порового гидрата. При взаимодействии криопэга с мерзлым гидратонасыщенным песком объем выделившегося метана за 75 минут взаимодействия составлял 119-184 см3, а за 225 минут взаимодействия он увеличился до 898 - 973 см3. Полученные результаты показали линейное увеличение газопроницаемости льдосодержащего образца, приготовленного из кварцевого песка с добавлением 25% монтмориллонитовой глины. Так, нагрев образца от -5°С до -3°С привел к увеличению газопроницаемости на 56%. Дальнейшее повышение температуры до -1,5°С вызвало увеличение газопроницаемости еще на 36%. Для оценки напорной фильтрации в льдосодержащих породах в условиях изменения температурного режима были проведены исследования на мерзлых образцах со степенью льдонасыщенности до 80%, представленных природными песком и суглинком. В результате проведенных экспериментов показано, что газопроницаемость повышается не только при оттаивании, но и при нагревании в области температур от -10°С до -2°С. Задачи 4 – 6 Разработана математическая модель процессов деградации ММП, содержащих скопления газогидратов и свободного газа, под тепловым и солевым воздействием растворов с учетом осмотического эффекта. Модель включает три слоя пористой среды, насыщенных, соответственно: раствором и свободным газом; льдом и раствором, находящимися в термодинамическом равновесии, а также свободным газом; нижний слой является частью исходного мерзлого непроницаемого пласта, насыщенного льдом и самоконсервированными газогидратами. Сформулированы системы уравнений в каждом слое с учетом осмотического эффекта и соответствующие начальные и граничные условия. Расчеты показали, что образуются два фронта фазового перехода, передний фронт, где разлагаются газогидраты и почти не плавится лед, и задний фронт, где происходит резкое полное плавление оставшегося льда. Проведены исследования темпов деградации мерзлого пласта, засоленных парод, как для положительной (1°С), так и для отрицательной (-1°С) температур. В случае отрицательной температуры деградация происходит благодаря наличию соли и наличию градиента температуры, обеспечивающего приток тепла для плавления льда. При этом осмос существенно увеличивает скорость движения переднего фронта и относительно слабо влияет на скорость движения заднего фронта. На полуостровах Средний и Рыбачий были выявлены аномально высокие концентрации углеводородных газов в рифейских отложениях. Широкое распространение покмарков в прибрежной зоне к северу от Кольского полуостроова, в соответствующей полосе развития рифейских и палеозойских отложений могут указывать на повышенное содержание в них УВ газов, маркирующих зоны локализации месторождений нефти и газа. Задачи 7, 8 Проведенных исследования локального апвеллинга, инициированного всплывающими пузырьками. Показано, что средняя скорость всплытия пузырьков, диаметром 8 мм, выходящих из морского дна в виде цепочек и массированных выбросов отличается от значения скорости одиночного всплывающего пузырька аналогичного диаметра. В результате проведенных исследований показано, что локальный апвеллинг происходит во всех случаях в независимости от размера всплывающих пузырьков и интенсивности их потока. В случае непрерывной цепочки пузырьков наибольшая величина локального апвеллинга соответствовала потоку 1.0 л / мин и составляла 1.05 см / с. В случае массированных пузырьковых выбросов данные величины составляли 26.66 см / с при потоке 2.0 л / мин и 0.58 см / с при потоке 0.06 л / мин. Задачи 9 – 11 Разработана экспериментальная методика для исследования двухфазных потоков в образцах сыпучей пористой среды с возможностью одновременного визуального наблюдения за пространственным распределением фаз. Проведена серия экспериментов для изучения закономерностей распределения фаз при проникновении газа в насыщенную среду, моделирующую донные отложения Арктического шельфа, а также влияния газа на фильтрационные свойства среды. Установлено, что остаточная газонасыщенность практически не зависит от объема газа при прокачке одного пузырька. Существенных отклонений фильтрационных свойств частично газонасыщенного материала от линейных не выявлено. В рамках исследования фильтрации продуктов разложения газогидратов в породах донных отложений Арктического шельфа изучено истечение газа в слой насыщенного песка из линейного и точечного источников при различных режимах закачки. Установлено, что при низких скоростях закачки в насыщенной среде процесс формирования канала под воздействием газа начинается с разуплотнения верхнего слоя. Проникновение газа через породы шельфовых донных отложений приводит к их разуплотнению и образованию газонасыщенных полостей. Разработана модель и проведены эксперименты, позволяющие исследовать процессы формирования покмарков в сухой и увлажнённой среде. Результаты показали, что размеры воронок, образующихся при выбросах газа, зависят от глубины залегания источника газа, его объёма и времени формирования газового купола. Предложена новая методика и проведено численное моделирование двухфазного нестационарного потока газа, возникающего в области разложения газового гидрата. Установлено, что для достижения скорости подъёма фронта газа 7 м/год скорость накопления газа должна составлять не более 1E-8 кг/м³·с. Показано, что при высоких скоростях накопления газа (1E-6 кг/м³·с) диффузия слабо влияет на движение фронта, тогда как при низких скоростях (1E-8 кг/м³·с) её влияние может быть значительно. Показано, что в параметрах рассмотренной задачи критическая скорость накопления газа в области разложения газового гидрата для возможности формирования выброса слабосвязной породы составляет порядка 1E-6 кг/м³·с, что на несколько порядков превышает характерные средние потоки пузырькового газа, регистрируемые на поверхности. Задача 12 Создана геомеханическая модель осадочной толщи с вкраплениями газогидратов, расположенных случайным образом в соответствии с нормальном Гауссовым распределением в разупрочняющейся упругопластической среде с предельным условием Друкера-Прагера. В рамках модели показано, что появление борозды выпахивания ведет к развитию неустойчивости пластического течения и формированию разуплотненных узких зон в покрышке, представляющих собой каналы, по которым и происходит выход газовых потоков на поверхность. Создана геомеханическая модель разупрочняющейся упругопластической осадочной толщи с предельным условием Друкера-Прагера, вмещающей эллиптическое газогидратное включение. Показано, что фазовое превращение во включении приводит к возрастанию порового давления, что ведет к выпучиванию покрышки и последующему ее разрушению, приводящего к образованию воронки.

Публикации