علماء روس يبتكرون منهجية هجينة لتحقيق استقرار استخراج الغاز في القطب الشمالي
© Sputnik . Ilya Timin
/ تابعنا عبر
طوّر فريق من الباحثين من معهد إيشلينسكي لمسائل الميكانيك، التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، منهجية متقدمة تجمع بين الاختبارات الجيوميكانيكية التقليدية ومحاكاة "اللب الرقمي" المتطورة، ويُتوقع أن يُسهم هذا الإنجاز، في تعزيز استقرار آبار النفط، والحد من تداخل الرمال، وضمان استخراج الغاز على المدى الطويل دون حوادث في واحدة من أقسى بيئات العالم.
يحتوي الجرف القاري الروسي في القطب الشمالي على ما يقارب 70% من إجمالي احتياطيات الغاز الطبيعي في البلاد، وهو مورد استراتيجي يزداد سهولة الوصول إليه بفضل سياسات التنمية الإقليمية والتغيرات المناخية التي تُوسّع نطاق الملاحة لإمدادات طريق بحر الشمال. مع ذلك، لا يزال الحفر البحري في هذه المنطقة أكثر تكلفةً وتعقيدًا من الناحية التقنية مقارنةً بالعمليات البرية.
يكمن العائق الجيولوجي الرئيسي في تكوين المكامن نفسها. تتكون رواسب الهيدروكربونات في القطب الشمالي في الغالب من أحجار رملية ضعيفة التماسك، وهي صخور هشة للغاية، لدرجة أن العينات الفردية، كما يلاحظ الباحثون، غالبًا ما تتفتت إلى رمال عند استخراجها. تُشكّل هذه الهشاشة تهديدًا مزدوجًا:
أولًا، خطر انهيار جدار البئر عند تطبيق فروق الضغط لتحفيز تدفق الغاز.
ثانيًا، مشكلة إنتاج الرمال الخطيرة، حيث تُحمل الجزيئات السائبة إلى البئر مع تيار الغاز، ما يؤدي إلى تآكل سريع للمعدات الموجودة في قاع البئر وعلى سطحه.
لمعالجة هذه المشكلات، يتعين على المهندسين التنبؤ بسلوك الصخور تحت الضغط، إلا أن منطقة قاع البئر لا تزال بعيدة المنال عن القياس المباشر.
ابتكر فريق معهد "IPMech" التابع للأكاديمية الروسية للعلوم منهجية هجينة تتجاوز قيود الاختبارات الفيزيائية والرقمية. يبدأ هذا النهج بالتصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة بالأشعة السينية لعينات اللب. تُحوّل هذه الصور المقطعية إلى نماذج رقمية ثلاثية الأبعاد دقيقة، تُعرف باسم "العينات الرقمية"، تُخزّن بعد ذلك في مكتبات افتراضية.
وأوضح الدكتور فاليري خيموليا، الباحث في المختبر، أن الاختبارات الميكانيكية والهيدروديناميكية التقليدية تؤدي حتمًا إلى تدمير العينات الفيزيائية أو تشويهها بشكل لا رجعة فيه، مشيرا إلى أن "عينات اللب مورد قيّم، ودائمًا ما يكون شحيحًا"، وفقا لما أوردته بوابة روسيا العلمية.
بعد رفع الصخرة إلى السطح، غالبًا ما تتفتت إلى رمال، فلا يتبقى منها سوى بضعة أمتار سليمة للدراسة. وبفضل حفظ النموذج ثلاثي الأبعاد في مكتبة التوائم الرقمية، يمكننا الرجوع إليه كلما دعت الحاجة إلى معلومات إضافية.
ولضمان الموثوقية، تُجرى مقارنة دقيقة بين التحليلات الرقمية والتجارب الفيزيائية باستخدام نظام الاختبار الفريد للمعهد، وهو نظام التحميل المستقل ثلاثي المحاور (ISTNN). يتيح هذا الجهاز الخاص للعلماء تطبيق إجهادات ثلاثية المحاور مستقلة على عينات لبية مكعبة (بطول ضلع 40 أو 50 مم) مع قياس التشوه والقوة وخصائص الترشيح في الوقت نفسه.
من المختبر إلى الميدان
تتضمن آلية العمل مسح العينات الفيزيائية قبل الاختبار، ثم تعريضها لحالات إجهاد مضبوطة تحاكي ظروف قاع البئر باستخدام نظام "ISTNN"، ثم إعادة مسحها بعد ذلك لتسجيل مكان وكيفية حدوث التشوه والانهيار بدقة. بمقارنة هذه النتائج مع التنبؤات الرقمية، حدد العلماء بدقة فروق الضغط التي تحافظ عندها جدران البئر على استقرارها، والأهم من ذلك، نقاط الإجهاد المحددة التي تبدأ عندها "التشققات" الصخرية بالتشكل.
تعمل هذه التشققات، التي تتسع بمرور الوقت، كنقاط انطلاق لتدفق كميات هائلة من الرمال، وقد تؤدي في النهاية إلى انهيار كامل للبئر. ومن خلال فهم آلية هذا الانهيار، حدد الفريق أنظمة تشغيل آمنة يمكن تطبيقها خلال مرحلة التصميم. علاوة على ذلك، حلل الباحثون كيفية تغير إنتاج الرمال بتغير ضغط قاع البئر وشكله الهندسي، مما مكنهم من تحديد المعايير المثلى لمرشحات الحصى، وهي معدات بالغة الأهمية مصممة لحجز جزيئات الصخور دون التأثير سلبًا على إنتاجية البئر.
وقال الدكتور يوري كوفالينكو، رئيس مختبر الجيوميكانيكا في المعهد: "إن فهم أنماط هذه العمليات يسمح لنا بالتوصية بأنظمة استغلال آمنة حتى في مرحلة التصميم، بالإضافة إلى طرق لتقوية جدران البئر".
تاريخ من التميز وتطلعات مستقبلية
يستند هذا المشروع إلى عقود من الأبحاث الأساسية في مجال الميكانيكا في معهد الميكانيكا التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، وهو إرث يضم شخصيات مرموقة مثل الأكاديميين بي. يا. كوتشينا، وإس. أ. خريستيانوفيتش، والبروفيسور في. إم. إنتوف. وقد طوّر المعهد في السابق تقنيات لتعزيز إنتاجية المكامن وتفريغ الآبار الموجهة، والتي اجتازت بنجاح التجارب الميدانية.
وأشار الدكتور فلاديمير كاريف، نائب مدير الأبحاث في معهد الميكانيكا التابع للأكاديمية الروسية للعلوم ورئيس المشروع، إلى أنه "مع ازدياد أهمية تطوير حقول النفط والغاز في الجرف القاري الروسي في القطب الشمالي، اتجه اهتمام علمائنا نحو مشاكل تطويرها، وكما نرى، فقد حققنا بعض النجاحات في هذا الاتجاه".
يُسرّع المكون الرقمي الأساسي التحليل بشكل ملحوظ ويقلل التكاليف، ويُتوقع أن يصبح هذا النموذج الهجين، المعيار الجديد لضمان التطوير الآمن والمستقر والاقتصادي لأهم موارد الطاقة في القطب الشمالي الروسية.
ويجري البحث حاليًا في إطار مشروع المنحة الرئاسية التابع لمؤسسة العلوم الروسية، بهدف نهائي يتمثل في ابتكار منهجية قابلة للتطوير والتطبيق ليس فقط على حقل واحد، بل على أي خزان نفطي في القطب الشمالي يُكتشف مستقبلًا.
