Учёные из Сколтеха, основываясь на полученных ими уникальных экспериментальных данных и опыте моделирования горных пород, протестировали популярную теоретическую модель теплопроводности пород, которая широко используется при поисках, разведке и разработке нефтегазовых и геотермальных месторождений, а также при захоронении радиоактивных отходов, и описали способ усовершенствования этой модели. Результаты исследования опубликованы в журнале Geothermics.
Горные породы — сложная для изучения и моделирования среда с разнообразным составом и строением, отражающим условия её формирования на протяжении миллионов лет. Изучать свойства пород гораздо труднее чем, например, свойства промышленных материалов, из-за естественной неоднородности и особенностей строения пород. Ситуация осложняется тем, что образцов для экспериментов в научно-исследовательских институтах хронически не хватает. Неудивительно, что для теоретического моделирования свойств горных пород используют приближения, чрезмерно упрощающие их строение и свойства. В результате страдает качество исходных данных и надёжность разных видов моделирования, которыми пользуются нефтяники, создатели геотермальных электростанций, объектов захоронения радиоактивных отходов и другие специалисты, нуждающиеся в надёжных данных о тепловом режиме недр.
Изображение. Уникальная лазерная установка, обеспечивающая неразрушающие бесконтактные профильные прецизионные измерения теплофизических свойств образцов пород разных форм и размеров с высокой производительностью. Источник: Евгений Попов и др./IOP Conference Series: Earth and Environmental Science
Сейчас применяемые подходы к получению прогнозных данных о теплопроводности пород основаны на использовании упрощённых, недостаточно корректных теоретических моделей, пренебрегающих многообразием факторов, влияющих на данное свойство пород. В результате расхождение оценок теплопроводности по различным теоретическим моделям может достигать сотен процентов. В своей статье в журнале Geothermics исследователи Сколтеха и их коллеги доказывают, что самая популярная модель теплопроводности также весьма ненадёжна, особенно в случае пористых пород.
«Мы проанализировали корректность наиболее часто используемой теоретической модели теплопроводности горных пород, выявили серьёзные погрешности в результатах её применения и описали путь для совершенствования теоретического моделирования теплопроводности, — рассказывает один из авторов исследования, профессор Сколтеха Юрий Попов. — Исследования основывались на опыте теоретических работ Сколтеха и результатах обширного теплофизического эксперимента, включавшего неразрушающие прецизионные измерения теплофизических свойств пород на уникальных по представительности коллекциях образцов при помощи разработанной нами уникальной аппаратуры. Исследованы 1750 образцов пород разных регионов — ценнейший природный материал, полученный от промышленных партнёров института благодаря тесному сотрудничеству с ними».
Некорректность прежней модели теплопроводности пористых пород связана с чрезмерным упрощением этой среды, когда учитывали лишь теплопроводность слагающих породу компонент и их объёмные доли, пренебрегая особенностями строения. Отчасти такая ситуация сложилась потому, что получение надёжных экспериментальных данных по теплопроводности осадочных пород для проверки корректности модели до недавнего времени было серьёзной проблемой. Это привело к тому, что прежние данные о теплопроводности пород, полученные традиционными экспериментальными и теоретическими методами и приводимые в существующих справочниках и базах данных, в большинстве случаев требуют тщательной ревизии. Отсутствие строгого контроля качества данных по теплопроводности привело к ошибочным оценкам диапазонов её пространственно-временных изменений, что вызвало серьёзные проблемы при использовании современных термогидродинамических симуляторов (программного обеспечения).
«Часто на практике надёжными данными по теплопроводности просто пренебрегают: одни считают, что ошибка в значениях всегда слабо влияет на результаты расчёта, другие уверены, что про теплопроводность пород известно всё и её легко можно рассчитать, а третьи просто используют значения, заданные по умолчанию в симуляторах. Ранее мы показали, что, например, при прогнозировании добычи тяжёлой нефти отсутствие корректных данных по теплофизическим свойствам может приводить к погрешностям в многие десятки процентов при прогнозе добычи, что стало неприятным сюрпризом для многих специалистов. Надёжность прогноза добычи можно существенно повысить внедрением предлагаемых усовершенствований при моделировании теплопроводности, используемом в симуляторах», — отмечает ведущий научный сотрудник Сколтеха Евгений Чехонин.
«Предложенный путь для повышения качества теоретического моделирования теплопроводности связан с усложнением этого процесса, однако показано, что это действительно приводит к существенно более надёжным оценкам искомого параметра. В случае пористых и трещиноватых пород резервуаров это важно, в том числе, при добыче не только углеводородов, но и геотермальной энергии. При захоронении радиоактивных отходов повышение качества оценок теплопроводности снижает риск неучёта перегрева пород, который может привести к развитию трещиноватости с последующим просачиванием опасного флюида к земной поверхности», — добавляет профессор Попов.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, институт готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: искусственный интеллект и коммуникации, науки о жизни и здоровье, прорывная инженерия и передовые материалы, энергоэффективность и ESG, фотоника, перспективные исследования. В 2019 году Сколтех единственный от России вошёл в первую сотню молодых университетов рейтинга Nature Index, самого престижного в сфере науки. Сайт: https://www.skoltech.ru/.
Все выпуски журнала «ЭкоГрад» в электронной версии читайте на pressa.ru,
Бумажные экземпляры спецвыпусков и книги В. Климова можно приобрести на OZON
