«Течение жидкостей — сложный и во многом загадочный процесс»

Чем занимаются ученые в Институте механики МГУ? Что входит в круг фундаментальных вопросов лаборатории гидромеханики и какие это имеет прикладные выходы? Зачем нужно захоранивать углекислый газ под землей и как тут могут помочь ученые? Зачем при поиске нефти и газа нужна гидромеханика? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Андрей Александрович Афанасьев, заведующий лабораторией общей гидромеханики Института механики МГУ.

— Ваш институт был создан в 50-е годы прошлого века. А лаборатория тоже существует с тех пор?

— Лаборатория, которой я руковожу, была создана одновременно с институтом в 1959 г. Сначала в лаборатории активно развивались тематики, связанные с магнитной гидродинамикой, — это взаимодействие сплошных сред с электрическими и магнитными полями. Потом первый руководитель лаборатории профессор Г.А. Любимов, а также профессор С.А. Регирер начали развивать тему, связанную с биомеханикой глаза и механикой роста. Здесь накапливались взаимодействия с медиками, строились разные модели — например, модель, позволяющая более точно измерить глазное давление или смоделировать рост растения.

— А в чем заключается ваша тематика?

— Непосредственно моя тематика более новая и связана с моделированием течений под землей, с подземной гидромеханикой. Она развивается в нашей лаборатории последние лет 20 и связана с разработкой в том числе нефтяных месторождений, с получением природных ресурсов, геотермальной энергией. В последнее десятилетие мы активно увлеклись исследованием процессов подземного хранения газа. Это тематика важна для нефтегазовой промышленности, когда под землей хранят природный газ. А с другой стороны, она связана и с углеродным следом, с климатическими проблемами.

— Как вы проводите свои исследования? Выезжаете на место или строите математическую модель в лаборатории?

— Мы больше ориентируемся на теоретические исследования, связанные с построением моделей этих течений. Но здесь не все так просто. Мы постоянно должны (и это правильно!) контактировать со специалистами в области геологии, геохимии, потому что у нас очень связанные проблемы. Мы не можем просто построить модель. Оценить, насколько она пригодна для практики, способны только люди, которые работают с подземными объектами на месте. Здесь мы находим хорошее взаимодействие. Геологи могут поставить востребованную задачу, а мы, гидромеханики, можем построить соответствующую модель, которая спрогнозирует тот или иной процесс, позволит оценить характеристики тех систем, которые создают геологи.

— Можете ли рассказать конкретную историю, как вы работали с геологами и нашли что-то стратегически важное?

— В плане подземного захоронения углекислого газа последние четыре года мы активно взаимодействуем с промышленным партнером, в центре внимания — компания «Газпромнефть». Актуальны задачи, связанные с деформированием самой пористой среды, когда течет жидкость. Эти задачи решаются в Сколтехе. У нас собралась группа, которая решила ряд задач в области гидромеханики. Мы фактически проводили региональное исследование, оценивали в рамках региона Западной Сибири, какие пласты, с какими параметрами будут лучше всего подходить для размещения углекислого газа под землей. Пластов много, одни лежат на глубине 1 км, другие — на глубине 3 км, проницаемость и пористость у них разные, давление и температуры — тоже, и все это важно учитывать. И это как раз то, что мы оценивали. Мы дали ответ, в какие пласты целесообразно закачивать углекислый газ, а в какие — нет.

— И в какие же целесообразно? В те, которые глубже или ближе к поверхности?

— Здесь дело не столько в глубине, сколько в тех условиях, в которых эти пласты формировались. Речь идет о тех условиях, в которых накапливались осадки, формировавшие пласты. То, что находится сейчас на глубинах 1–2–3 км, формировалось в виде осадков на поверхности Земли в последние 150 млн лет, постепенно накапливалось, пласты погружались на глубину. Были пласты, которые формировались в русле реки, они как раз оказались не очень подходящими для размещения углекислого газа. Когда течет река, образуются русла, поймы, река меняет направление, и получается, что пласт состоит из многих изолированных линз, и это не очень хорошо для размещения газа.

— То есть газ может быть вымыт на поверхность? Что может произойти, если его неправильно разместить?

— Это означает, что вы не можете разместить там много газа. Вы проводите бурение скважины, и оказывается, что приемистость этой скважины будет маленькой. Мы искали, с одной стороны, глубокие пласты, а с другой — пласты, позволяющие разместить там много газа, то есть обладающие большой емкостью. И оказалось, что для размещения газа лучше подходят барьерные геологические обстановки, то есть пласты, формировавшиеся миллионы лет назад на берегу моря.

— Зачем вообще нужно захоранивать углекислый газ под землей?

— Это проблема, связанная с климатическими изменениями. Эта зима в Москве была теплой, мы половину января прожили без снега. О глобальном потеплении есть разные точки зрения, но лично мое мнение — что оно есть, и мы чувствуем это в нашем климате. Мне кажется, 90% солидных ученых говорят, что оно есть. В среднем на Земле температура выросла на два градуса. Казалось бы, это не так и много, но изменения происходят. И для решения этих проблем есть идея, связанная с тем, чтобы размещать углекислый газ под землей. Это, с одной стороны, связано с решением климатических проблем, с другой — вызывает некоторый интерес и у нефтегазовых компаний, потому что создается рынок углеродных единиц.

— Что это за рынок?

— Это рынок, на котором продаются углеродные единицы, образующиеся за счет того, что мы каким-то образом смогли убрать из атмосферы 1 млн т углекислого газа. Вы можете его закачать под землю, можете посадить растения, которые поглотят этот газ из атмосферы, и таким образом заработать углеродные единицы.

— А как его убирают из атмосферы?

— Есть проекты, связанные с тем, что его просто извлекают из воздуха. Но более рациональный способ, как мне кажется, прямо на ТЭЦ, где просто сжигается какое-то топливо, газ или уголь, и продукт горения выбрасывается в атмосферу. Он содержит большое количество углекислого газа. Речь идет о том, чтобы этот выхлоп, где много углекислого газа, очищать и размещать под землей.

— Такие проекты уже существуют?

— В мировой практике таких проектов уже десятки или больше. А у нас в стране пока рассматривают пилотные проекты подобной деятельности.

— Предполагается, что тогда глобальное потепление будет развиваться не столь стремительными темпами? Каких результатов ждут те, кто осуществляет эти проекты?

— Наверное, ждут, что мы по крайней мере сможем замедлить развитие глобального потепления. Здесь речь не идет о том, чтобы весь углекислый газ, который производит человечество, закачивать на глубину. Сама природа — леса, болота, океан — поглощает углекислый газ. Речь идет о том, что с течением времени накапливается дисбаланс: человечество производит чуть больше углекислого газа, чем может поглотить земной шар. Есть модели, показывающие, что даже небольшой дисбаланс приводит к глобальному потеплению за счет положительных обратных связей. Из-за того, что в атмосфере накапливается углекислый газ, она становится чуть теплее. Вследствие того, что стало чуть теплее, больше воды испаряется в атмосферу, а водяной пар — гораздо более парниковый газ, чем углекислый. Чуть больше выбросили углекислого газа, вода испарилась — и получилось усиление эффекта.

— Помимо этого проекта, вы помогаете геологам искать полезные ископаемые, в том числе нефть и газ. Расскажите об этом.

— Сегодня проблема состоит в том, что из пластов, на которые нефтяным компаниям приходится переключаться, нужно добывать нефть, а они лежат достаточно глубоко. Это породы с низкой проницаемостью. И здесь традиционные методы, когда бурят скважину и углеводороды сами могут по ней подниматься, уже не работают. Здесь востребованы модели, описывающие различные методы увеличения нефтеотдачи. Это связано с закачкой различных растворителей в нефтяной пласт, чтобы извлечь больше нефти. Если у пласта маленькая проницаемость, он находится где-то глубоко, нефти много не добыть.

Здесь мы строим композиционные модели фильтрации, позволяющие учесть многокомпонентный состав нефти. Это достаточно сложное моделирование, в котором нужно использовать как уравнение гидромеханики, так и сложные уравнения состояния для моделирования парожидкостных равновесий, расчета плотности нефти и процессов растворения. Тот же самый углекислый газ можно закачивать и в нефтяной пласт, он хорошо растворяется в углеводородных компонентах, позволяет снизить вязкость нефти, а это очень важно. Эти трудноизвлекаемые запасы, так называемые нетрадиционные месторождения, требуют привлечения новых методов геологического моделирования. Получаются сложносопряженные модели, которые мы также строим.

— Существует распространенная точка зрения, что нефть заканчивается. Вы ее разделяете?

— Запасов нефти достаточно много, но они трудноизвлекаемые. Нет технологий, позволяющих их добывать. В этом смысле, конечно, можно сказать, что традиционная нефть заканчивается. Трудноизвлекаемые запасы есть, но вот как их добыть? Здесь и нужно строить модели, учитывающие новые аспекты, разрабатывать новые технологии. Это давно уже задача не только геологов, но и математиков, гидромехаников и других специалистов. Хотя это всегда была сопряженная задача, где находили для себя какие-то нерешенные вопросы как геологи, так и гидромеханики. Сейчас сами задачи немного меняются, мы переходим к трудноизвлекаемым запасам, и здесь спектр специалистов, вовлеченных в решение этих задач, постоянно растет.

— Насколько я понимаю, законы движения жидкостей — вообще очень сложная наука. Есть ли там для вас что-то, чего вы не понимаете, но хотели бы понять?

— Мы хотим что-то понять каждый день, когда решаем ту или иную задачу. Да, течения описываются достаточно сложными нелинейными моделями. Сложность их в том, что приходится решать системы уравнений, которые, с одной стороны, описывают непрерывные изменения параметров в пространстве, а с другой стороны, в этих распределениях могут появляться области быстрого изменения параметров, которые мы часто даже моделируем сильными разрывами. И здесь огромное количество задач: разные жидкости, разные пористые среды, разные модели переноса. Все это приводит к разным конфигурациям распределений параметров, которые мы и исследуем в лаборатории.

— Был ли такой результат, которого вы совершенно не ожидали?

— Да, и не раз. Такой необычный результат наблюдается на ряде газовых скважин. Мы построили модель этого процесса: если в такую скважину долго закачивать газ, то постепенно за счет фазовых превращений, происходящих рядом со скважиной, в «прискважной» зоне, будет снижаться проницаемость. Вы не можете очень долго закачивать туда газ. Происходит отложение солей, которое не просто снижает проницаемость, но может привести к полному запиранию потока газа. Это был неожиданный результат, который мы получили примерно год назад.

Другой неожиданный результат связан с тем, что при теоретическом исследовании этих течений обычно предполагается, что пласты более или менее однородные. А мы в прошедшем году в лаборатории очень увлеклись исследованиями фильтрации в неоднородных пластах. Казалось бы, чем более однородный пласт, тем лучше для того же хранения газа, проще. А оказалось, что нет: есть некий промежуточный диапазон. Если на оси, с одной стороны, совсем неоднородный, плохой пласт, а с другой стороны — однородный, то оптимальные значения будут где-то посередине. Здесь проявляются сложные нелинейные эффекты, связанные как с силой плавучести, действующей на газ, так и с непроницаемыми пропластками, которые не дают этому газу подниматься. Оказалось, что есть некий промежуточный диапазон параметров, более подходящих для полного вытеснения жидкости из пласта, — нефть ли мы вытесняем или закачиваем газ и вытесняем воду. Это тоже было неожиданно.

— Какие у вас и вашей лаборатории научные планы?

— Мы хотели бы двигаться в направлении учета химических взаимодействий с породой. Сейчас мы об этом думаем.

— Надо еще и химиков привлекать?

— Да. Здесь важна геохимия. Важно учитывать не только фазовые превращения, но еще и взаимодействие той среды, которую вы закачиваете, будь то вода или углекислый газ, с минералами горной породы. Когда углекислый газ растворяется в воде, она становится кислой, в ней образуется углекислота. И эта кислая среда приводит к тому, что часть минералов горной породы может растворяться в жидкости, а другие минералы могут отлагаться на скелет горной породы. Мы смотрим в направлении развития и такого моделирования.

— Почему вам интересно всем этим заниматься?

— Хороший вопрос! Наверное, так сложилось. Когда я был еще студентом механико-математического факультета МГУ, меня заинтересовали задачи подземной гидромеханики. Тогда я хотел найти для себя задачу, которая имеет практические приложения. В те годы казалось, что задачи, связанные с фильтрацией, с разработкой углеводородных месторождений, имеют практическое значение. Я выбрал своего научного руководителя А.А. Бармина, пришел к нему с целью найти задачу с практическим выходом, но Алексей Алексеевич смог привить мне еще и любовь к науке, к фундаментальным исследованиям. Он внушил мне: нужно не только делать что-то практически важное, но и делать это красиво. Это может быть важно для самого человека. Если он красиво решил задачу, то он получает от этого удовольствие. Это чувство продолжает жить во мне. Когда находишь необычные, красивые решения, новый и интересный эффект, все это доставляет удовольствие, дает пищу для души, вдохновляет и заставляет двигаться дальше.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ