«Нефтепро-
мысловое дело»

Проектирование обсадных колонн для бурения скважин на природный водород

УДК: 622.245.1
DOI: -

Авторы:

¹ Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия
² Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

Ключевые слова: обсадная колонна, водородное охрупчивание, термомеханическое моделирование, когезионная модель, защитное покрытие

Аннотация:

Вопрос обеспечения прочности и герметичности обсадных колонн при сооружении скважин на природный водород является одним из основных при разработке безопасной технологии добычи. При выборе материалов необходимо учитывать главным образом явления обратимой и необратимой водородной хрупкости, а также другие явления, которые могут привести не только к разупрочнению конструкции, но и к утечке водорода, так как энергия зажигания смеси водорода с воздухом равна всего 0,7 · 10–5 Дж. Цель – разработать алгоритм выбора материалов секций обсадной колонны, обеспечивающих безопасную эксплуатацию обсадных колонн на водородных месторождениях. В теоретической основе используются методы механики сплошных сред, механики твердого тела, механики разрушения, механики газа. В расчетной части применяются численные методы, метод конечных элементов, термомеханические и когезионные модели. Принятие решений базируется на принципах поиска через алгоритмизацию. В результате разработана многослойная конструкция обсадной колонны, состоящей из несущего слоя на основе структурированной стали, стабильного Ni-P-барьера и гибкого rGO-барьера против водорода. Для наиболее нагруженных секций рекомендовано применение монолитных никель-кобальтовых сплавов. Предложен алгоритм выбора материалов на основе трёхуровневой модели, учитывающей механические нагрузки и процессы водородного охрупчивания. Установлено, что для защиты резьбовых соединений следует использовать аморфно-кристаллическую плёнку на основе реакционного сплава Ni-Al.

Список литературы:

1. Влияние давления водорода на механизм водородной коррозии углеродистой стали / Л.Н. Горчаков, Ф.М. Добротворский, Л.М. Романова, С.А. Вальковская // Химическая техника. – 2016. – Т. 1. – С. 16–19.

2. Васильев А.А., Васильев В.А. Основные параметры детонации водородных смесей. Часть I // Физика горения и взрыва. – 2024. – Т. 60, № 3. – С. 76–90.

3. Review on natural hydrogen wells safety / B. Sun, M. Zhang, Q. Sun [et al.] // Nature Communications. – 2025. – Vol. 16, No. 1. – Article 369. – DOI: 10.1038/s41467-024-55773-y

4. Hydrogen Impact: A Review on Diffusibility, Embrittlement Mechanisms, and Characterization / Q. Li, H. Ghadiani [et al.] // Materials. – 2024. – Vol. 17, Issue 4. – Article 965. – DOI: 10.3390/ma17040965

5. Nazar S., Lipiec S., Prove E. FEM modelling of hydrogen embrittlement in API 5L X65 steel for safe hydrogen transportation // Journal of Materials Science: Materials in Engineering. – 2025. – Vol. 20, Issue 1. – Article 9. – DOI: 10.1186/s40712-025-00221-y

6. Мирзаев Д.А., Мирзоев А.А. Термодинамический аспект выделения растворенного водорода в микропорах металла // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика, физика, химия. – 2006. – № 7. – С. 117–123.

7. Хранение водорода совместно с метаном в подземных резервуарах: прогноз сопутствующих процессов / Л.А. Абукова, Т.Н. Назина, С.Н. Попов, Д.П. Аникеев // SOCAR Proceedings. – 2023. – Спецвыпуск № 2. – С. 29–41. – DOI: 10.5510/OGP2023SI200884

8. Impermeable barrier films and protective coatings based on reduced graphene oxide / Y. Su, V.G. Kravets, S.L. Wong [et al.] // Nature Communications. – 2014. – Vol. 5. – Article 4843. – DOI: 10.1038/ncomms5843

9. Dudun A., Feng Y., Guo B. Numerical Simulation of Hydrogen Diffusion in Cement Sheath of Wells Used for Underground Hydrogen Storage // Sustainable development. – 2023. – Vol. 15, No. 14. – Article 10844. – DOI: 10.3390/su151410844

10. Cement to Safeguard the Wells Integrity in Underground Hydrogen Storage: an Experimental Investigation / V.S. Iorio, F. Cracolici, F. Parrozza [et al.] // Chemical Engineering Transactions. – 2022. – Vol. 96. – P. 307–312. – DOI: 10.3303/CET2296052

11. Madirisha M.M., Ikotun B.D. Hydrogen storage in depleted geological hydrocarbon reservoirs: Enhancing wellbore integrity and sustainability with geopolymer cement – Review // Journal of Energy Storage. – 2024. – Vol. 84. – Article 110834. – DOI: 10.1016/j.est.2024.110834

12. Лопатников А. Водородная энергетика: как широко, как скоро // Энергетическая политика. – 2021. – № 12(166). – С. 24–41. – DOI: 10.46920/2409-5-16-2021-12166-24

13. Совершенствование методики анализа данных по креплению скважин / Д.В. Шаляпин, Д.Л. Бакиров, М.М. Фаттахов, В.Г. Кузнецов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2022. – № 5(353). – С. 36–39. – DOI: 10.33285/0130-3872-2022-5(353)-36-39

14. Потенциал применения обсадных труб из композитных материалов / Д.А. Федосеев, И.Н. Ляпин, М.Е. Коваль, Г.Г. Гилаев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2021. – № 3(339). – С. 34–38. – DOI: 10.33285/0130-3872-2021-3(339)-34-38

15. Якубсон К.И. Перспективы и проблемы использования магистральных газопроводов и распределительных газовых сетей для транспортировки смесей метана и водорода: зарубежный опыт // Актуальные проблемы нефти и газа. – 2025. – Т. 16, № 4. – С. 582–621.

16. Wellbore sealing integrity of nanosilica-latex modified cement in natural gas reservoirs with high H2S contents / B. Yuan, Y. Wang, Y. Yang [et al.] // Construction and Building Materials. – 2018. – Vol. 192. – P. 621–632. – DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.10.165

17. Biggio D., Elsener B., Rossi A. Ni-P Coatings as Hydrogen Permeation Barriers – A Review // Coatings. – 2025. – Vol. 15, No. 4. – P. 365.

18. Chemical and structural properties of reduced graphene oxide-dependence on the reducing agent / B. Lesiak, G. Trykowski, J. Tóth [et al.] // Journal of Materials Science. – 2021. – Vol. 56, No. 5. – P. 3738–3754. – DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-020-05461-1

19. Improved homogeneity and surface coverage of graphene oxide layers fabricated by horizontal-dip-coating for solution-processable organic semiconducting devices / H.G. Jeon, Y.H. Huh, S.H. Yun [et al.] // Journal of Materials Chemistry. – 2014. – Vol. 2. – P. 2622–2634. – DOI: https://doi.org/10.1039/C3TC31933D

20. Inose K., Sugino M., Sugimura J. Fundamental evaluation of sealability of greased metal-to-metal seal on premium threaded joints at high pressure and high temperature // Tribology Online. – 2021. – Vol. 16, No. 3. – P. 192–198. – DOI: 10.2474/trol.16.192