Генерация водорода в результате теплового воздействия на пласты углеводородных месторождений с возможностью захоронения парниковых газов

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 22-77-10059

НазваниеГенерация водорода в результате теплового воздействия на пласты углеводородных месторождений с возможностью захоронения парниковых газов

Руководитель Мухина Елена Дмитриевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

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 слова Генерация 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.3390/en16062821

2. Е.Д. Мухина, П.А. Афанасьев, А.З. Мухаметдинова, А.Г. Аскарова, Е.Ю. Попов, А.Н. Черемисин Экспериментальное исследование процессов синтеза водорода в условиях пластов месторождений природного газа Научно-технический журнал «Георесурсы», Георесурсы, 26(1), c. 145–153 (год публикации - 2024)
10.18599/grs.2024.1.13

3. Афанасьев П. А., Мухаметдинова А. З., Алехина Т. В., Аскарова А. Г., Попов Е. Ю., Черемисин А. Н., Мухина Е. Д. Методы внутрипластовой генерации водорода из углеводородного сырья Деловой журнал «Neftegaz.RU», «Neftegaz.RU» (№2, 2024) (год публикации - 2024)

4. Е. Мухина, П. Афанасьев, А. Мухаметдинова, Т. Алехина, А. Аскарова, Е. Попов, А. Черемисин A novel method for hydrogen synthesis in natural gas reservoirs Fuel, Volume 370, 15 August 2024, 131758 (год публикации - 2024)
10.1016/j.fuel.2024.131758

5. Аскарова А.Г., Афанасьев П.А., Попов Е.Ю., Черемисин А.Н., Маланиянд С.Е., Волков Д.А., Черемисин А.Н. In Situ Generation of Clean Hydrogen in Gas Reservoirs: Experimental andNumerical Study OnePetro SPE, GOTECH, SPE-219092-MS, OnePetro SPE, GOTECH, SPE-219092-MS (год публикации - 2024)
10.2118/219092-MS

6. Афанасьев П.А., Аскарова A.Г., Алехина Т.В., Попов Е.Ю., Маркович С., Мухаметдинова А.З., Черемисин А.Н., Мухина Е.Д. An overview of hydrogen production methods: Focus on hydrocarbon feedstock International Journal of Hydrogen Energy, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 78, 2024, Pages 805-828, ISSN 0360-3199 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.06.369

7. Аскарова А.Г., Алехина Т.В., Попов Е.Ю., Афанасьев П.А., Мухаметдинова А.З., Смирнов А.В., Черемисин А.Н., Мухина Е.Д. Innovative technology for underground clean in situ hydrogen generation: Experimental and numerical insights for sustainable energy transition Renewable Energy, Elsevier Ltd., Renewable Energy 240 (2025) 122259 (год публикации - 2024)
10.1016/j.renene.2024.122259

8. Алехина Т.В., Мухаметдинова А.З., Хайрулина А., Афанасьев П.А., Аскарова А.Г., Попов Е.Ю. Черемисин А.Н., Мухина Е.Д. Influence of catalyst variation on underground hydrogen generation in gas reservoirs: Impact on hydrogen yield and alteration of catalyst structure and rock properties International Journal of Hydrogen Energy, Hydrogen Energy Publications LLC. Elsevier Ltd, International Journal of Hydrogen Energy 103 (2025) 740–754 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijhydene.2025.01.257

9. П.А. Афанасьев, Т.В. Алехина, А.З. Мухаметдинова, Е.Ю. Попов, А.Н. Черемисин Exploring the Potential of Natural Gas Reservoirs for Underground Hydrogen Generation SPE OnePetro, GOTECH, OnePetro, GOTECH, Dubai, UAE, May 2024, SPE-219113-MS (год публикации - 2024)
10.2118/219113-MS

10. Алехина Т.В., Аскарова А.Г., Мухаметдинова А.З., Попов Е.Ю., Черемисин А.Н., Мухина Е.Д. Associated Petroleum Gas Combustion for In Situ Hydrogen Generation: Experimental and Numerical Study OnePetro SPE, GOTECH, GOTECH, April 21–23, 2025, UAE, SPE-224749-MS (год публикации - 2025)
10.2118/224749-MS

11. А.Г. Аскарова, Т.В. Алехина, С.М. Золфагари, Е.Ю. Попов, П.А. Афанасьев, А.З. Мухаметдинова, М. Хусейнпур, М. Солтани, А.Н. Черемисин, Е.Д. Мухина Experimental and numerical investigation of in situ hydrogen generation via reverse methane combustion: Comparative analysis using CMG and COMSOL“ Fuel, Elsevier Ltd., Fuel 395 (2025) 135201 (год публикации - 2025)
10.1016/j.fuel.2025.135201

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение третьего года выполнения проекта по изучению процесса внутрипластового горения (ВПГ) и паровой конверсии (ПК) с последующей генерацией водорода в условиях газовых месторождений был достигнут значимый прогресс, продвигающий технологию к реальной промышленной реализации. Проведенные исследования охватывают весь спектр поставленных задач: 1. В рамках серии лабораторных экспериментов был успешно смоделирован процесс фильтрационного горения углеводородного (УВ) газа в пористой среде, в том числе при повышенных давлениях до 6 атм. Подтверждена возможность генерации водорода в процессе ВПГ не только из метана, но и из многокомпонентного УВ газа. Разработанный метод инициации горения позволил приблизить условия эксперимента к реальным пластовым, с учетом особенностей реализации процесса в лабораторных условиях. Установлено, что корректировка состава газовой смеси в зависимости от давления критична для стабильности фронта горения в ходе эксперимента. Полученные в ходе эксперимента данные легли в основу последующего численного моделирования. 2. На основе экспериментальных данных была построена численная модель процессов горения углеводородного газа и последующей генерации водорода для различных составов газа (сухой, жирный). Вариации кинетической модели, полученные в процессе валидации, предназначены для дальнейшего масштабирования и прогноза генерации водорода в ходе ВПГ в условиях масштаба месторождения. 3. Параллельно с процессами генерации водорода были изучены изменения петрофизических и механических свойств терригенных пород-коллекторов в процессе ВПГ+ПК. Установлено, что высокая температура и наличие пара приводят к деградации глинистых минералов, формированию новых фаз, увеличению пористости и трещин, влияющих на механические свойства пород. Это указывает на необходимость учета геомеханической устойчивости породы при проработке технологии на стадии опытно-промышленного испытания. 4. Проведены исследования по оценке способности пород к захоронению CO2, который образуется в процессе ВПГ+ПК параллельно с водородом. Лабораторные эксперименты по адсорбции и диффузии газа в пластовых условиях на породах после воздействия позволили получить данные, необходимые для дальнейшего расчета эффективных механизмов удержания углекислого газа. 5. Проведены незапланированные пилотные испытания прототипов материалов мембран, потенциально применимых для сепарации водорода от прочих газов на забое добывающей скважины. Исследованные керамические мембраны показали потенциал для селективного выделения водорода из многокомпонентной газовой смеси при перепаде давления, при этом показав зависимость между методом спекания и пористостью и эффективностью мембраны. Данные исследования закладывают основу для разработки уникальной мембранной технологии, применимой на забое скважины, и перехода к ее прикладному использованию. 6. Проведен комплекс исследований по удержанию водорода в породах, в т.ч. с использованием ЯМР. Изучены параметры диффузии и адсорбции водорода в пластовых условиях, а также взаимодействие в системе вода-водород на микрофлюидных чипах, моделирующих разную пористую среду. Полученные данные были использованы при дальнейшем моделировании, а также показали потенциал метода микрофлюидных исследований, применение которого планируется продолжить с целью увеличения надежности последующего моделирования захоронения водорода и хранения СО2. 7. Финальным этапом стал переход к интегральному численному моделированию комплексного процесса: фильтрационного ВПГ, генерации водорода в процессе ПК, захоронения CO2 в том же пласте, и последующего хранения водорода в похожем месторождении. Актуальные итерации численного моделирования с использованием экспериментальных данных, полученных в течение выполнения проекта, показали возможность достижения существенных концентраций водорода до 15,6% в процессе ВПГ+ПК, возможность эксплуатации месторождения в течение длительного периода, успешность захоронения CO2 после отработки месторождения за счет различных механизмов, а также определили оптимальную схему расположения перфораций скважин для наиболее успешного процесса хранения водорода. Результаты моделирования дают основание для перехода к планированию проекта по реализации процессов ВПГ+ПК на реальном газовом месторождении. Несмотря на значительный объем выполненных исследований в течение трех лет, в процессе реализации проекта произошло естественное расширение научной тематики, выявившее новые фундаментальные и прикладные задачи, требующие дальнейшего изучения. В третий год проекта командой по результатам работ опубликовано 4 статьи в журналах первого квартиля (Q1, top-10) с высоким импакт-фактором: две статьи в International Journal of Hydrogen Energy, одна – в Renewable Energy, и одна – в Fuel. В настоящее время завершается подготовка обзорной статьи по мембранным технологиям, планируется продолжение экспериментальных исследований в этой области с обязательной последующей публикацией. Также в работе находятся статьи, посвященные экспериментальному и численному исследованию фильтрационного горения ПНГ при повышенных давлениях, а также диффузионным процессам. Все публикации ориентированы на размещение в ведущих научных изданиях (Q1). Результаты проекта были представлены на крупных российских и международных научно-технических мероприятиях, включая конференции GasSuf-2024 (Москва), «Кадровый резерв» (Сочи), International Hydrogen Conference-2024 (Москва) и GOTECH-2025 (Дубай), с публикацией тезисов. Проект вызвал широкий резонанс в научно-популярной и отраслевой прессе. Материалы, основанные на результатах исследований, опубликованы в таких источниках, как: The Journal of Petroleum Technology - https://jpt.spe.org/skoltech-pioneers-in-situ-hydrogen-production-process, Hydrogen Central, РИА Новости, InScience.News, и другие. Тематика проекта также освещалась в телепрограммах на каналах Культура, ОТР, МИР и Первый канал. Полученные научные результаты легли в основу успешной защиты кандидатской диссертации Афанасьева П.А. летом 2024 года. Кроме того, материалы проекта стали основой магистерской работы Алехиной Т.В., которая в настоящее время продолжает работу в составе исследовательской группы и готовит кандидатскую диссертацию по данной теме.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта обладают высоким потенциалом практического применения в сфере энергетики и недропользования. Разработанная технология внутрипластовой генерации водорода в газовых месторождениях с параллельным захоронением CO2 представляет собой принципиально новый подход к устойчивой и низкоуглеродной энергетике. По сути, это инновационный метод глубокой переработки углеводородов прямо в пластах месторождения, позволяющий одновременно синтезировать большое количество водорода и утилизировать СО2, снижая углеродный след отрасли. Реализация данной технологии в промышленном масштабе будет способствовать увеличению спроса на водород за счет его потенциально сниженной стоимости, а также снижению потребности в прочих менее экономически и экологически обоснованных источниках водорода. Более того, в рамках проекта пересекается несколько направлений научных и технологических разработок: разработка углеводородных месторождений, водородная энергетика, катализаторы и мембранные технологии, подземное захоронение/хранение газа и численное моделирование перечисленных процессов. Эти разработки могут быть использованы как основа для новых технологических решений в добывающей отрасли, а также для подготовки кадров и формирования прикладной исследовательской инфраструктуры в области водородных технологий.