Формирование скоплений природного газа и газовых гидратов в криолитозоне

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 25.00.12 - Геология, поиски и разведка горючих ископаемых

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Формирование скоплений природного газа и газовых гидратов в криолитозоне

Якушев Владимир Станиславович

Москва - 2009

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - «вниигаз» (ООО «ВНИИГАЗ»)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Басниев Каплан Сафербиевич

доктор геолого-минералогических наук Валяев Борис Михайлович

доктор геолого-минералогических наук Комаров Илья Аркадьевич

Ведущая организация -ОАО «Газпром промгаз»

Защита состоится 2009 г. в на заседании диссертационного совета Д 511.001.01 при ООО «ВНИИГАЗ», по адресу: п.Развилка, Ленинский р-он, Московская обл., 142717.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ»

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических наук Н.Н.Соловьев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Разработанные к настоящему времени теоретические положения о генерации, миграции и аккумуляции природного газа в недрах позволили создать в России крупнейшую сырьевую базу и высокоразвитую газовую промышленность. Вместе с тем, основные запасы природного газа оказались приурочены к территории распространения криолитозоны - интервала земной коры с температурой ниже 0оС, где возможен переход воды в породах в лед. Несмотря на то, что из-под криолитозоны добывается до 90% производимого в стране газа и дальнейшие перспективы наращивания добычи также связаны с освоением месторождений в области распространения криолитозоны, сам интервал криолитозоны оказался практически неизученным с точки зрения возможности формирования газовых скоплений. То есть, до сих пор нет ответа на вопрос: есть ли в интервале криолитозоны промышленные запасы газа или нет?

Не менее важной является проблема предупреждения и ликвидации внезапных газовых выбросов, часто встречающихся при бурении интервала криолитозоны. Что является источником газа для этих проявлений также остается дискуссионным вопросом, так как по характеру газопроявлений они часто связываются с присутствием газовых гидратов в приповерхностном разрезе криолитозоны, а по термодинамическим условиям газогидратов там быть не должно. Поэтому разработка новых геологических представлений об эволюции природного газа в криолитозоне на основе комплексного изучения фазового поведения газа и воды в интервале криолитозоны, экспериментального моделирования мерзлых газо- и гидратонасыщенных пород (как на искусственных грунтах, так и на естественных кернах), изучения естественного керна из газопроявляющих интервалов криолитозоны, является актуальной темой диссертационного исследования.

Основной целью исследований является экспериментальное, теоретическое и практическое обоснование закономерностей формирования, распространения и эволюции газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне. Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие основные задачи:

Систематизация известных данных по газопроявлениям из интервалов криолитозоны, теоретическое обоснование условий и форм существования газовых гидратов в криолитозоне.

Разработка оригинального экспериментального оборудования для моделирования взаимодействий между газом и водой в термодинамических условиях криолитозоны.

Разработка методики экспериментального моделирования мерзлых гидратосодержащих пород,

Разработка методики опробования мерзлых естественных кернов на присутствие газа и газогидратов.

Обоснование генезиса и форм залегания природного газа в криолитозоне на основе полевых исследований газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне на различных территориях.

Обоснование механизмов формирования, распространения, эволюции и масштабов газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне.

Фактический материал, методы исследований, аппаратура

Фактологической основой для постановки и проведения исследований являлись многочисленные свидетельства буровых бригад, занимающихся сооружением скважин в районах распространения криолитозоны о наличии газовых скоплений в приповерхностных слоях мерзлой толщи. Для решения поставленных задач были разработаны и сконструированы 2 барокамеры работающие под давлением взрывоопасных газов, проведено более 20 опытов по гидратообразованию метана (кубическая структура 1) и смеси метана и пропана (кубическая структура 2) в контакте со льдом и водой, около 30 опытов по гидратообразованию метана в образцах грунтов различной дисперсности и состава при их промораживании, исследовано около 30 образцов мерзлого керна ненарушенного сложения из криолитозоны Ямбургского и Бованенковского ГКМ, совместно с сотрудниками ООО «ВНИИГАЗ» и НТФ «Криос» проведен анализ компонентного и изотопного составов газа из более чем 40 газопроявлений в мерзлой толще при бурении на указанных месторождениях. Основные методы исследований - экспериментальное моделирование мерзлых газо- и гидратосодержащих пород, анализ строения и состава мерзлых пород ненарушенного строения по разработанной методике определения наличия газогидратов. мерзлый гидратосодержащий криолитозон газовый

Научная новизна полученных результатов

Впервые обнаружен и, совместно с сотрудниками ВНИИГАЗа и МГУ им. Ломоносова, исследован физико-химический эффект самоконсервации газовых гидратов при температурах ниже 0оС, позволяющий газовым гидратам существовать по всему интервалу криолитозоны, где может присутствовать лед. Для изучения и экспериментального моделирования процессов в мерзлых гидратосодержащих средах впервые разработана оригинальная аппаратура и методика исследования газовых гидратов и гидратосодержащих сред при температурах ниже 0оС. С ее помощью впервые путем экспериментального моделирования установлены кинетические и термодинамические закономерности гидратообразования в промерзающих и протаивающих дисперсных породах. На основе результатов предварительных экспериментальных исследований проведено изучение мерзлого керна из интервалов криолитозоны по специальной методике и впервые выполнен сравнительный анализ газовых и газогидратных скоплений на территории разных месторождений в области распространения криолитозоны, выявлены основные закономерности формирования и распространения таких скоплений. По результатам исследований впервые предложен и изучен механизм криогенного концентрирования газа при многолетнем промерзании, приводящий к формированию газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне.

В основу диссертации положены личные исследования автора в период с 1984 по 2008 год, принимавшего участие в научно-исследовательских работах ВНИИГАЗа, МГУ им. М.В. Ломоносова и за рубежом (Канада, Австралия). За время работы во ВНИИГАЗе автор являлся ответственным исполнителем, руководителем ряда тем и договорных работ, связанных с тематикой диссертации. В 2003 году возглавил вновь созданную лабораторию геокриологии и гидратов.

При проведении экспериментальных работ автор пользовался вспомогательным лабораторным оборудованием кафедры геокриологии Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. Совместно с сотрудниками МГУ Э.Д.Ершовым, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувилиным, Е.В.Перловой, Е.В.Козловой и Н.А.Махониной была проведена часть экспериментальных исследований эффекта самоконсервации и мерзлых пород, содержащих гидраты.

При теоретических исследованиях эффекта самоконсервации выполнялись совместные работы с д.х.н. В.А.Истоминым (ОАО «НОВАТЭК»).

Все геологические построения и модели выполнялись лично автором.

Сформулированы и защищаются научные положения

Разработка оригинальной экспериментальной аппаратуры для изучения гидратосодержащих сред.

Методика экспериментального воспроизведения условий существования газовых и газогидратных образований в криолитозоне.

Экспериментальное и термодинамическое обоснование существования гидратов природного газа в природе вне современной зоны стабильности газовых гидратов вследствие обнаруженного эффекта самоконсервации газовых гидратов при температурах ниже 0оС (неравновесное фазовое состояние).

Обоснование литологических условий текстурообразования и типизация гидратных текстур в дисперсных породах.

Экспериментально-теоретическое обоснование способности природного газа мигрировать в породах криолитозоны и образовывать скопления.

Экспериментально-теоретическое обоснование и реконструкция механизма криогенного концентрирования свободного газа и гидратообразования на небольших глубинах при многолетнем промерзании горных пород.

Практическая значимость.

Разработанная (включая экспериментальную аппаратуру) комплексная методика исследования мерзлых газо- и гидратосодержащих пород с целью моделирования происходящих в них процессов миграции и аккумуляции газа, которая используется в настоящее время для моделирования возможности гидратонакопления в извлеченных кернах из потенциально-гидратоносных пластов как на суше, так и на море, позволяет получать параметры условий образования и существования газовых гидратов в породах различного генезиса и состава.

Разработанная методика полевого и лабораторного определения наличия газовых гидратов в мерзлых кернах позволяет определять такие параметры, как газосодержание и наличие гидратов в мерзлых кернах при геологоразведочных работах.

Построенные геологические модели формирования газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне позволяют уточнять геологическое развитие регионов распространения криолитозоны в неоген-четвертичное время при палеореконструкциях.

Разработанные методические рекомендации по поиску внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплений, оценке количества газа в них позволяют использовать их при поиске и разведке промышленных скоплений газа в области распространения криолитозоны.

Разработанные методические рекомендации по бурению интервалов криолитозоны, содержащих газовые и газогидратные скопления, позволяют прогнозировать выбросоопасные интервалы при разбуривании криолитозоны.

Результаты работы использовались при бурении и отборе мерзлого керна на Ямбургском и Бованенковском ГКМ (по заданию ОАО «Газпром»), при проведении исследований мерзлых гидратосодержащих пород Геологической службой Канады, при определении ресурсов газа в нетрадиционных источниках России (по заданию ОАО «Газпром»).

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано около 100 работ, включая 3 коллективные монографии, 5 научно-технических брошюр. 11 работ входят в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий…» ВАК Министерства образования и науки РФ. Основные положения диссертации были представлены на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, в т.ч. на 18 (Приз Мирового газового конгресса), 19, 21, 23 Мировых газовых конгрессах, на 2, 4, 5 Международных конференциях по газовым гидратам, а также ряде международных семинаров, форумов и конференций по проблемам геокриологии и газовых гидратов.

Благодарности.

Автор выражает особую благодарность своим коллегам по газогидратным исследованиям, с которыми работает много лет - доценту каф. геокриологии МГУ, к.г.-м.н. Е.М.Чувилину и д.х.н., проф. Истомину В.А. (ОАО «Новатэк»)

Автор благодарен сотрудникам МГУ и ВНИИГАЗа к.г.-м.н. Перловой Е.В, к.г.-м.н. Козловой Е.В., н.с. Махониной Н.А. за помощь в проведении экспериментальных и полевых работ.

Автор признателен за консультации, оказанные в процессе проведения работ академикам Мельникову В.П., Дмитриевскому А.Н., Кузнецову Ф.А. , Конторовичу А.Э., Галимову Э.М., чл.-корр. РАН Ермилову О.М., докторам наук Макогону Ю.Ф., Лебеденко Ю.П., Цареву В.П., Басниеву К.С., Тер-Саркисову Р.М., Гречищеву С.Е., Гиличинскому Д.А., Скоробогатову В.А.,, Соловьеву Н.Н., Крылову Н.А., Якуцени В.П., Валяеву Б.М., Белослудову В.Р., Дегтяреву Б.В., Манакову А.Ю., Нестерову А.Н., кандидатам наук Гройсману А.Г., Кондакову В.В., Салиной Л.А., Кузьминову В.А, Максимову А.М., Дубровскому Д.А., Яковлеву О.Н. А также тем ученым, которых уже нет с нами, но чьи советы и замечания помогли в становлении и выполнении этой работы. Это академики Черский Н.В., Трофимук А.А., доктора наук Гинсбург Г.Д., Савельев Б.А., Ершов Э.Д., Дядин Ю.А., кандидат наук Соловьев В.А.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, раскрывается научная новизна, отмечена практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дан обзор современного состояния исследований газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне. Газопроявления из ММП фиксировались с момента начала поисково-разведочного бурения на нефть, газ, воду в области распространения вечной мерзлоты. Газопроявления из криолитозоны отмечали в своих работах В.И.Вожов, В.В.Баулин, М.К.Калинко, М.С.Иванов, П.Д. Чабан, Г.Д.Гинсбург, Н.В.Черский, В.П.Царев, А.В.Бубнов, В.Е.Глотов, И.Л.Кузин, О.В.Равдоникас, Е.М. Ривкина, Ф.М.Ривкин, Н.Н.Романовский, Д.А.Гиличинский, А.М.Порохняк, Ф.Э.Арэ, В.П.Мельников, В.И.Спесивцев, В.Ф.Клейменов, Э.Д.Ершов, Е.М.Чувилин, T.S.Collett; S.R.Dallimore и др.

На основании анализа представленной информации сделан вывод, что, несмотря на характерные признаки наличия газа и гидратов в криолитозоне, до начала настоящей работы толща ММП считалась более покрышкой, нежели газовым коллектором. Существовавшие представления о генезисе и формах залегания природного газа в интервале криолитозоны зачастую противоречили друг другу. Исходя из термодинамических условий существования газогидратов, считалось, что там, где мощность криолитозоны менее 270 м искать гидраты метана бесполезно - они не могут находиться там ввиду отсутствия в разрезе необходимых термодинамических условий. Экспериментального моделирования гидратообразования в мерзлых дисперсных породах, слагающих криолитозону, практически не проводилось и не была разработана даже аппаратура и методика таких исследований.

Во второй главе дано описание разработанного, изготовленного и использованного экспериментального оборудования и методики экспериментальных работ с системами вода-газ-гидрат и вода--газ-гидрат-лед, а также результатов экспериментального моделирования указанных фазовых систем в условиях криолитозоны.

Для моделирования фазового поведения воды и газа в условиях криолитозоны применялись барокамеры различного размера, конструкции и назначения. Первая установка позволяла производить исследования образовавшихся гидратов под микроскопом с сохранением давления. Она состоит из 3-х прямоугольных фланцев из нержавеющей стали толщиной по 30 мм, на соединениях которых расположены прокладки из плотной резины. Средний фланец - полый. Его внутренний объем равен 20 см3. Два боковых фланца имеют смотровые окна конической формы, выполненные из оргстекла. Средний фланец имеет 4 входа для подвода газа, впрыскивания воды, подсоединения образцового манометра и термопары. Фланцы крепились друг к другу с помощью 4-х болтов, входивших в отверстия, просверленные вблизи ребер установки. Камера выдерживала давление до 20 МПа. В ней получали только чистый газогидрат и агломерат лед-гидрат.

Для того, чтобы иметь возможность получать гидратосодержащие грунты, была спроектирована и изготовлена вторая экспериментальная установка с рабочим объемом 220 см3. Главной ее конструктивной особенностью является внутренний съемный металлический стакан-держатель грунта, который крепится внутри установки с помощью системы прокладок, обеспечивавшей необходимую продувку породы газом перед гидратообразованием, а также быстрое извлечение грунта из установки после окончания гидратонакопления.

Впоследствии на базе этой установки (в 1996 г.), совместно с учеными из Геологической службы Канады и Московского Государственного Университета была разработана модификация, на которой по тематике данной работы также было поставлено несколько опытов по получению мерзлых гидратосодержащих грунтов. В настоящее время эта модификация используется в МГУ им. Ломоносова и Геологической службе Канады для моделирования гидратообразования в дисперсных породах.

Стакан-держатель грунта (контейнер) имеет сложное строение. На его днище расположен плоский стальной поршень с отверстием в центре для пропуска газа. Стенки и днище стакана, как правило, покрывались слоем увлажненной тяжелой глины для исключения проскальзывания газа. Кроме того, боковой слой пластичной глины облегчал извлечение образца грунта из стакана после замораживания. Сверху образец перекрывался металлической сеткой для предотвращения выдувания песчаных частиц.

Кроме того, для отдельных опытов по получению агломерата лед-гидрат метана в середине 80-х годов прошлого века использовалась установка типа «Батискаф» по проекту Ю.Ф.Макогона (1974). Она представляла собой герметичную стальную барокамеру кубической формы объемом 1000 см3 с 5-ю смотровыми окнами толщиной по 42 мм и диаметром 100 мм, выполненными из оргстекла. Окна расположены на 5 гранях куба. На 6-ой грани с помощью болтов крепилась круглая металлическая насадка толщиной 30 мм, в которой были предусмотрены входы для ввода газа, подсоединения манометра и термопар.

В экспериментах по получению чистых гидратов углеводородного газа использовался стандартный стальной газоотборник, выдерживающий давление до 60 МПа и оснащенный входными и выходными клапанами для газа.

В качестве газов-гидратообразователей в опытах использовались метан (СН4) и пропан (С3Н8), которые содержались в баллонах под давлением ~15 МПа (метан) и - 0,5 МПа (пропан). В некоторых опытах также использовался углекислый газ, а также углеводородный газ смешанного переменного состава.

Методика получения газогидратов и гидратонасыщенных сред была по возможности приближена к реальным природным процессам образования газогидратов: либо при длительном охлаждении газонасыщенных разрезов, либо при подъеме давления в уже охлажденном разрезе.

В проведенных экспериментах моделировались обе возможные ситуации. Соответственно, в опытах реализовывались 2 общие схемы последовательности лабораторных операций (в зависимости от того, что первично - охлаждение или подъем давления). Одну схему можно представить в виде: подготовка грунта (воды) - загрузка в установку - продувка газом - охлаждение до +2 - +6°С - подъем давления газа до 6-12 МПа - охлаждение до -1 - -18°С (заморозка образца) - сброс давления и извлечение образца из установки. Другая схема выглядит следующим образом: подготовка грунта (воды) - загрузка в установку -продувка газом - подъем давления газа до 6-12 МПа - охлаждение с последующим гидратообразованием при +2 - +6°С - охлаждение до -1 --18°С и заморозка образца - сброс давления и извлечение образца.

Дальнейшие исследования как замороженных образцов гидратов и льдов, так и мерзлых гидратосодержащих пород проводились в холодильной камере НКР-1 на Опытном заводе ВНИИГАЗа, а также в климокамере кафедры геокриологии МГУ (совместно с Е.М.Чувилиным). Благодаря обнаруженной экспериментально метастабильности газогидратов при атмосферном давлении и отрицательных температурах появилась возможность применить в ходе исследований состава и водно-физических свойств газогидратов и гидратосодержащих сред методы, разработанные ранее для льдов и мерзлых пород, внося в них необходимые коррективы.

В ходе экспериментов по образованию гидратов метана в системе газ-вода были зафиксированы 3 различных механизма образования гидратных скоплений: пленочно-миграционный, аблимационный и крио-концентрационный. Пленочно-миграционый механизм заключался в миграции тонких пленок воды к местам гидратообразования по внутренней поверхности реактора. Аблимационный механизм заключался в формировании гидратных образований вдалеке от поверхности контакта газ-вода. Гидратные образования на стенках реактора формировались из паровой влаги, растворенной в газовой атмосфере. Крио-концентрационный механизм заключался в отжиме водорастворенного газа в незамерзшую часть водной толщи при объемном промерзании газонасыщенной воды в условиях гидратообразования. В природных условиях можно ожидать, что в поровом пространстве дисперсных пород эти механизмы будут также действовать, приводя к образованию соответствующих форм скоплений гидратных кристаллов.

В ходе экспериментальных исследований чистых газогидратов и агломератов лед-гидрат метана было установлено, что относительно легко можно получить образцы тонкодисперсного, пористого и пленочного гидрата, которые, однако, плохо сохраняются при атмосферном давлении. Хорошо хранятся образцы агломерата лед-гидрат и монолитного гидрата.

С помощью пленочно-миграционного механизма формирования гидратов при таянии кусочков льда в экспериментальных установках были получены образцы гидрата различной структуры - белые с вкраплениями более монолитных разностей и сероватые, монолитные с вкраплениями белых разностей. Полученные образцы позволили установить возможность стабилизации газовых гидратов в неравновесных условиях при температурах ниже 0оС. При этом стабилизируются образцы гидрата, толщина которых не менее 0,2 мм. Наибольшей стабильностью обладают образцы монолитного гидрата, но их получение сопряжено с определенными технологическими трудностями. Высокой стабильностью в неравновесных условиях обладают те образцы гидрата метана, начальное удельное газосодержание которых превышает определенную критическую величину (по предварительным оценкам это 130-140 см3/г).

Очевидно, что высокое удельное газосодержание гидрата является следствием особенностей структуры и плотности образца: чем больше плотность образца, чем меньше его пористость и дисперсность, тем выше газосодержание. И начиная с определенного значения (для исследованного гидрата метана это около 130 см3/г) образец гидрата приобретает высокую стабильность при хранении в неравновесных условиях, но при температуре ниже 0оС. Обнаруженный эффект позволил поставить и провести дальнейшие исследования газогидратов, агломератов лед-гидрат и гидратонасыщенных мерзлых грунтов.

Для исследований строения образцов газогидратов и агломерата лед-гидрат метана использовались методы оптической микроскопии, разработанные на кафедре геокриологии МГУ им. Ломоносова для изучения льдов и мерзлых пород. При оптических микроструктурных исследованиях газогидратов и гидратосодержащего льда, проведенных в содружестве с Е.М.Чувилиным (кафедра геокриологии МГУ) фиксировались такие черты микростроения, как размер и форма газовых включений, зональность строения образцов при оттаивании, размер и морфология отдельных кристаллов, количество периодов погасания монокристаллов в поляризованном свете.

Исследование микростроения монолитных образцов гидрата метана показало, что после раскола образца на поверхности скола быстро формируется тонкая (менее 0,1 мм толщиной) «вскипающая» прозрачная пленка, которая застывает через 1-2 минуты. Пленка предположительно сформирована водой, остающейся после поверхностного разложения гидрата и быстро превращающейся в лед, изолирующий гидрат. Гидрат как бы самоконсервируется. Этот эффект был назван «эффектом самоконсервации газогидратов при отрицательных температурах» и его исследование было проведено отдельно.

Механизм самоконсервации газогидратных частиц выглядит следующим образом. После резкого сброса давления начинается поверхностная диссоциация гидрата на газ и переохлажденную воду. Выделившаяся вода в переохлажденном состоянии затем кристаллизуется, образуя лед. Когда на поверхности гидрата сплошная оболочка льда достигает критической толщины, дальнейшее разложение гидрата практически прекращается. При этом на границе гидрата и льда может даже образоваться зона рекристаллизации, где в зависимости от условий хранения гидрат может частично трансформироваться в лед и, наоборот, лед может частично рекристаллизоваться в гидрат (за счет диффузии газа в гидрате к границе раздела лед-гидрат). Реализуется как бы самоконсервация гидрата с самозалечиванием льдом свободных поверхностей гидрата. При этом последующее разложение гидрата (в условиях, когда исключается сублимация льда) может быть чрезвычайно медленным процессом, связанным с диффузией молекул газа в гидратной решетке и во льду под действием разницы в химических потенциалах льда и гидрата, которая может быть очень малой или даже нулевой.

При самоконсервации лед как бы «врастает» во все «поры» и дефекты структуры гидрата и рассматриваемая система становится метастабильной (если, конечно, созданы условия для отсутствия сублимации льда с внешней поверхности). При этом остается только диффузионный механизм замедленного разложения гидрата: диффузия молекул метана в газовую фазу из гидратной фазы через слой льда. Скорость разложения начинает зависеть от толщины слоя льда и температуры хранения и может быть сравнима с временами геологических процессов в криолитозоне.

Проведенные опыты показали, что кинетику диссоциации "законсервировавшихся" гидратов определяют следующие факторы:

а) влажность окружающей среды, определяющая возможность сублимации влаги с поверхности ледяной оболочки газогидрата;

б) величина удельной поверхности образца газогидрата;

в) температура окружающей среды;

г) световое воздействие;

д) механическое воздействие.

В результате проведенных измерений было выявлено, что определяющим фактором в кинетике диссоциации крупных образцов газогидратов является отношение площади поверхности частицы к ее массе.

Обнаруженный эффект позволил по-новому взглянуть на термодинамическую область существования газогидратов на Земле и в космическом пространстве. Теперь стало возможным предполагать реальное распространение газогидратов в криолитозоне выше верхней границы ЗСГ - там, где низкие, недостаточные для гидратообразования давления, но температуры ниже 0оС, обеспечивающие консервацию гидратов, если они были сформированы там ранее.

В третьей главе приведено описание методики и результатов экспериментального моделирования мерзлых газо- и гидратонасыщенных грунтов, как искусственно приготовленных, так и естественного сложения.

Обнаружение явления самоконсервации при сбросе давления в области температур T<273 K позволило существенно расширить возможности исследования гидратосодержащих пород. Это явление позволило проводить лабораторные исследования мерзлых газо- и гидратосодержащих пород при атмосферном давлении.

Методика получения гидратонасыщенных образцов грунта на установках основывалась на учете факторов природной среды, которые задавались через термобарические условия, состав и исходное строение грунтовых масс. Методика включала следующие этапы: подготовку грунта и его загрузку в контейнер, сбор барокамеры и насыщение грунта газом, подъем давления в барокамере при комнатной температуре (+200С) до 7-8 МПа и последующие охлаждение до температуры +2+40С. По завершении процесса гидратообразования проводилось дальнейшее охлаждение барокамеры до температуры -6-70С, что обеспечивало заморозку образца гидратосодержащего грунта. При изучении циклического процесса гидратообразования барокамера с образцом грунта подвергалась ступенчатому многократному нагреванию и охлаждению в диапазоне температур от +200С до -6-70С.

При первом цикле гидратообразования наиболее интенсивное гидратонакопление имело место при оттаивании образца под давлением в барокамере (точка С на рис.1). Температура в климокамере повышалась до +4оС и соответственно росла температура образца. При переходе через 0оС происходило

Рисунок 1. Р/Т условия эксперимента по гидратообразованию метана в образце GSC97-2 (оттавский кварцевый песок с начальной весовой влажностью 20% ).

оттаивание той части поровой влаги, которая не перешла в гидрат при первичном гидратообразовании и происходило вторичное гидратообразование. Это четко фиксировалось по ходу кривых температуры и давления. В условиях криолитозоны это означает, что циклическое оттаивание-промерзание в одном месте разреза (например, при движении фронта промерзания) приводит к интенсивному гидратонакоплению в породе при наличии воды, газа и условий гидратообразования. При повторном гидратообразовании (2-ой цикл) интенсивное гидратонакопление начиналось сразу после достижения условий гидратообразования (точка Е на рис.1). Это подтверждает предыдущее наблюдение о том, что если вода в породе уже претерпевала фазовые переходы (лед, гидрат), то повторное гидратонакопление происходит значительно быстрее.

Специально поставленные эксперименты для проверки влияния минеральной подложки на равновесные условия гидратообразования в различных по дисперсности грунтах показали, что для песков, действительно, как это указывалось рядом исследователей ранее, для начала первичного гидратообразования необходимо переохлаждение системы на 2-4оС относительно равновесных условий в системе газ-вода. Однако, с увеличением циклов гидратообразования требуемая степень переохлаждения уменьшается (рис.2).

Принято судить о равновесных условиях гидратообразования по замеренным Р/Т условиям разложения гидратов. С этой точки зрения нельзя не отметить, что даже такой нейтральный грунт как мелкозернистый кварцевый песок все же оказывает влияние на равновесные условия: кривая разложения гидрата в песке заметно смещена влево на рис. 2 относительно равновесной кривой гидратообразования метана в системе газ-вода.

Отдельно поставленный опыт со смесью сухой порошковой монтмориллонитовой глины и тонкоперемолотого льда (снега) показал, что после первичного образования гидратов из снега в смеси происходит их скорое разложение и обратный подъем давления в камере. Т.е. глина насыщается водой за счет разложения гидратов даже при благоприятных условиях гидратообразования. Это говорит о том, что прочносвязанная вода (вода углов и сколов кристаллической решетки и "ближней" гидратации обменных катионов, а также вода базальных поверхностей глинистых минералов), практически не участвует в процессе образования газогидратов. Более того, формирование слоя прочносвязанной воды



Рисунок 2. Смещение равновесных Р/Т условий гидратообразования при циклическом гидратообразовании в образцах оттавского песка.

на поверхности сухих глинистых минералов вызывает разложение газогидратов, находящихся в контакте с этими минералами. Степень участия в процессе гидратообразования слабосвязанной воды (вторично ориентированная вода полислоев, осмотическая и капиллярная вода), по-видимому, зависит от степени превышения равновесных условий гидратообразования в системе порода-газ-вода.

При гидратообразовании метана в бентонитовой (монтмориллонитовой) глине с различной влажностью отмечались следующие эффекты:

При объемной влажности глины 2-10% условия гидратообразования по температуре были значительно сдвинуты в область более низких температур. Разница с условиями гидратообразования в системе газ-вода достигала 10 и более оС. Т.е. глина действовала как ингибитор гидратообразования.

При влажности 10- 80 % условия гидратообразования в глине закономерно стремились к равновесным условиям гидратообразования в системе газ-вода и при объемной влажности около 80% достигали их.

При влажности 80-99%, когда образец представлял собой жидкость (суспензию), температура гидратообразования ненамного (до 1оС) превысила равновесное значение для системы газ-вода. Этот неожиданный результат свидетельствует о значительном и разнонаправленном влиянии минеральной поверхности на условия гидратообразования.

Проведенная серия опытов по определению условий и интенсивности гидратообразования метана в породах различной дисперсности позволила установить следующие закономерности:

Начало первичного гидратообразования в песчаных породах, не претерпевавших гидратообразование ранее, происходит только при значительном переохлаждении системы.

При оттаивании грунтов в условиях гидратообразования имеет место дополнительное (вторичное) гидратообразование.

Цикличность гидратообразования приводит к сближению условий образования и разложения гидратов в грунтах. Многократное образование/разложение гидратов в одном и том же образце делает разницу в условиях образования и разложения гидратов малой.

На равновесные условия гидратообразования, помимо состава реагирующих флюидов, оказывают влияние такие факторы, как минералогический состав вмещающих пород, их пористость, влажность, гранулометрический и петрографический составы.

Различные минеральные поверхности оказывают разное влияние на условия гидратообразования в зависимости от влажности и дисперсности. Так, пески в наименьшей степени сдвигают условия гидратообразования по сравнению с трехфазным равновесием газ-вода-гидрат. Отклонение от равновесных условий, вне зависимости от влажности не превышает 0,3оС (рис.2). С повышением дисперсности и появлением глинистых частиц влияние минеральной поверхности возрастает и наибольших значений достигает у тяжелых глин монтмориллонитового состава при малых (до 10% об.) влажностях. При гидратообразовании в глинах прочносвязанная вода - вода углов и сколов кристаллической решетки и «ближней» гидратации обменных катионов, а также вода базальных поверхностей глинистых минералов, по-видимому, не участвует в процессе образования газогидратов. Более того, формирование слоя прочносвязанной воды на поверхности сухих глинистых минералов вызывает разложение газогидратов, находящихся в контакте с этими минералами. Участие слабосвязанной воды (вторично ориентированная вода полислоев, осмотическая и капиллярная вода (по классификации Е. М. Сергеева, 1981 г.), по-видимому, находится в зависимости от степени превышения равновесных условий гидратообразования в системе «порода-газ-вода».

Тяжелые глины при больших влажностях (более 80% об.) могут выступать «промоутерами» гидратообразования, вызывая образование гидратов при температурах даже выше температур трехфазного равновесия газ-гидрат-вода. Природа этого явления пока неизучена, но можно предполагать определенное пре-структурирование водных молекул, вызванное влиянием поверхности глинистых частиц, облегчающее формирование клатратных ассоциатов воды.

Опыты по гидратонасыщению песчаных пород выявили одну особенность гидратообразования в грунтовых системах - массоперенос, вызванный формированием гидратов. При визуальных исследованиях полученных мерзлых гидратосодержащих пород было установлено, что гидраты метана могут образовывать в породах текстуры, схожие с криотекстурами в мерзлых породах. Были получены массивная, корковая, порфировидная, линзовидная и слоистая гидратные текстуры (рис. 3). Формирование гидратных текстур, как правило, происходило по местам неоднородностей грунта - на границах включений органического и неорганического материалов, на контактах грунтов различной дисперсности, по местам неплотной упаковки песчаных частиц, т. е. носило унаследованный характер.

Исследования гидратосодержащих образцов под микроскопом позволило установить, что гидраты накапливаются в поровом пространстве в виде пленок на поверхности минеральных частиц, скоплений мелких кристаллов, а также в виде отдельных порфиров. Образование гидратов практически полностью цементирует пески.

Исследования под микроскопом показали, что гидраты накапливаются в поровом пространстве в виде пленок на поверхности минеральных частиц, скоплений отдельных мелких кристаллов в поровом пространстве и, особенно, на контакте минеральных частиц, а также в виде небольших (толщиной 1-2 мм) прожилок сплошного полупрозрачного гидрата (в местах струйной миграции газа).

Рисунок 3. Типы гидратных текстур, зафиксированные при проведении моделирования гидратообразования метана в песчаных грунтах.

Увеличение засоленности порового раствора, как показывают эксперименты, снижает накопление гидратов в дисперсных породах. Так, в опыте со среднезернистым песком (Wнач=15 %) увеличение засоленности с 0 до 1% привело к полному подавлению образования гидратных включений как внутри образца, так и на поверхности.

Отсюда можно сделать вывод, что массоперенос в дисперсных отложениях имеет сложный характер и зависит от дисперсности, однородности грунта и содержания глинистых частиц. Миграция влаги происходит, по-видимому, в пленочном и, возможно, паровом видах по направлению к местам активного гидратонакопления. В результате массообменных процессов, вызванных гидратообразованием, в дисперсных грунтах возникают различные гидратные формы, внешне похожие на криотекстуры в мерзлых породах. Существенное отличие гидратных текстур от криотекстур в мерзлых породах состояло в том, что наибольшее разнообразие гидратных текстур наблюдалось в крупнозернистых песках, а в тонкозернистых песках и более высокодисперсных грунтах отмечалась лишь массивная гидратная текстура. Для криотекстур наибольшее разнообразие типов отмечается в наиболее высокодисперсных грунтах: тяжелых супесях, суглинках, глинах.

При гидратообразовании в исследованных образцах грунта наблюдалось пучение, величина которого превышала значение деформаций при замораживании аналогичных образцов в отсутствии гидратообразования. Это подтверждалось и данными микроструктурных исследований. Микростроение гидратосодержащих образцов грунта по сравнению со льдосодержащими отличалось большей неоднородностью (наличие деформированных пор и распученных участков), при этом значение плотности скелета грунта также было на 10-20 % ниже в гидратосодержащих образцах.

С учетом эффекта самоконсервации газовых гидратов при отрицательных температурах проведено изучение строения и некоторых свойств мерзлых искусственно гидратонасыщенных образцов дисперсных пород, приготовленных из керна пород криолитозоны на Ямбургском и Бованенковском газоконденсатных месторождениях Западной Сибири.

Первые опыты с образцами песчаных и глинистых пород нарушенного сложения из криолитозоны Ямбургского ГКМ показали, что влияние минеральной поверхности на условия гидратообразования и процессы при гидратообразовании в естественных кернах и искусственно приготовленных моделях этих кернов не должны значительно различаться.

На территории Бованенковского ГКМ газопроявления из многолетнемерзлых пород имеют достаточно широкое распространение как в плане, так и в разрезе и встречаются в интервалах глубин от 20 - 30 до 130 м.

Статистический анализ имеющихся данных показывает, что около 90 % газопроявлений из многолетнемерзлых интервалов приурочено к морским суглинистым отложениям ямальской серии ранне-среднеплейстоценового возраста (m QI-II1-2). К ним также приурочены максимальные замеренные дебиты газа (до 14000 м3/сут). Остальные газопроявления из многолетнемерзлых пород на территории исследования связаны с супесчано-суглинистым морскими отложениями казанцевской свиты (m QIII1). В связи с этим, совместно с Е.М.Чувилиным и Е.В.Перловой в 1995-1999 гг. была проведена серия экспериментальных исследований условий существования гидратов метана в морских нижне-среднеплейстоценовых отложениях северо-западной части п-ва Ямал.

Экспериментальное моделирование условий существования газовых гидратов в дисперсных средах проводилось на наиболее характерных для мерзлой толщи грунтовых разновидностях - полиминеральных тяжелых супесях, легких суглинках и пылеватых глинах. Керны пород отбирались из горизонтов в интервалах зафиксированных газопроявлений в соответствующих скважинах. Для каждой разновидности грунта испытания проводились в естественном (на монолитах) и в нарушенном сложении. Изготавливалось два идентичных образца - один для газонасыщения и последующего гидратообразования, другой, контрольный, помещался с первым в одинаковые температурные условия, но без возможности гидратообразования.

Наибольшее разнообразие криогидратных текстур наблюдалось в супесчаных и глинистых образцах как естественного, так и нарушенного сложения. В супесчаных образцах диаметр гидратных порфиров достигал 0,8 см, а линзы достигали длины до 1 см. Зафиксированы хаотично ориентированные гидратные шлиры мощностью до 0,5 мм и длиной до 2 мм. Кроме того, наблюдались гидратные гнезда диаметром 0,5 - 0,7 см, углубленные в грунт на 2 - 3 мм. При этом газосодержание образцов достигало 3 см3/г .

В глинистых образцах как естественного, так и нарушенного сложения преобладали линзовидные криогидратные текстуры.

Разнообразие криогидратных текстур в глинистых и суглинистых образцах объясняется сегрегационным шлировыделением, структурной изменчивостью естественных грунтов, наличием органических включений. Массоперенос при гидратообразовании мог сформировать гидратные включения, поэтому в природе можно ожидать неравномерное гидратонасыщение одного и того же коллектора.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что в исследованных супесчано-суглинистых отложениях ямальской серии ранне-среднеплейстоценового возраста газовые гидраты метана не только могут образовываться, но и накапливаться в значительных количествах с образованием характерных текстур. При этом некоторые различия в составе и строении пород слабо отражаются на термобарических условиях стабильности газовых гидратов. Это, по-видимому, связано с литологической общностью пород в пределах толщи - близость минерального и гранулометрического составов, насыщенность органическим материалом, близкий тип засоления и т.д.

Проведенные эксперименты подтвердили теоретическую возможность существования гидрата метана и других углеводородных газов по всему разрезу криолитозоны, где есть мерзлые породы. Причем до глубин 270 м гидраты могут находиться в метастабильном, законсервироваванном состоянии, а с глубин 270 м и ниже (при пресных подземных водах) - уже в стабильном, равновесном. Экспериментальное изучение возможности гидратонакопления в консолидированных грунтах различной дисперсности показало, что накопление поровых гидратов возможно в песках и легких супесях. В уплотненных более дисперсных породах (тяжелые супеси, суглинки и глины) формирование и существование гидратов возможны только в полостях (трещинах, кавернах), где есть контакт газа, воды и соответствующие температуры и давления.

Были сформулированы основные критерии поиска внутримерзлотных гидратных скоплений:

Гидратные скопления могут быть встречены по всему разрезу криолитозоны.

Они должны быть в проницаемых для природного газа и воды песчаных и супесчаных породах, а также могут быть встречены в более дисперсных породах, имеющих полости.

Скопления природного газа и газовых гидратов должны находиться в ассоциации, но пропорция свободный газ/газогидрат может быть очень разной.

Помимо поисковых признаков, лабораторное моделирование позволило разработать полевую методику извлечения гидратосодержащих кернов с применением стандартного бурового оборудования. Основное правило - буровой раствор должен быть охлажден до температуры +2-+4оС, а подъем керна должен осуществляться с максимальной скоростью. Тогда законсервировавшиеся в мерзлых породах гидраты не успевают разлагаться.

Было доказано, что полученные методики определения гидратосодержания мерзлых грунтов, разработанные для лабораторных образцов, вполне применимы для реальных мерзлых кернов.

В четвертой главе приведены результаты полевых исследований внутримерзлотных скоплений природного газа и газогидратов на Ямбургском ГКМ и Бованенковском НГКМ на севере Западной Сибири.

Из криолитозоны на Ямбургского ГКМ неоднократно фиксировались газопроявления при бурении разведочных и эксплуатационных скважин, приуроченные к интервалам залегания четвертичных отложений. При первичном анализе известных газопроявлений было отмечено, что газопроявления встречаются достаточно часто, они приурочены к разным глубинам в пределах верхних слоев криолитозоны и отличаются различным характером, что говорит об их разобщенности.

С целью изучения мерзлотных характеристик разреза криолитозоны на Ямбургском ГКМ в 1987 г. Трестом инженерно-геологических и мерзлотных изысканий (г.Новый Уренгой) была пробурена мерзлотно-параметрическая скважина ПС-2 на глубину до 150 м с отбором мерзлого керна ненарушенного сложения. Образцы керна в мерзлом состоянии в термосумке самолетом были доставлены во ВНИИГАЗ, где автором проводились определения стандартных свойств мерзлых грунтов. При этом, одновременно, были проведены определения гидратосодержания ряда кернов по методике, разработанной для определения гидратосодержания искусственных образцов грунтов.

Месторасположение исследованной скважины - верховье р. Яра-Яха, в районе УКПГ-2, в пределах верхнечетвертичной (казанцевской) прибрежно-морской равнины с абсолютными отметками поверхности 37-38 м. В геологическом строении территории в соответствии с принятой стратиграфической схемой антропогена Западной Сибири принимают участие верхнечетвертичные отложения казанцевской свиты морского и прибрежно-морского генезиса мощностью 30 м, представленные разнозернистыми, в основном мелкозернистыми кварцевыми песками серого цвета с включениями древесных остатков и темноцветных минералов.

На привезенных во ВНИИГАЗ образцах мерзлого керна из этой скважины были проведены определения водно-физических свойств пород по известным мерзлотным методикам. Наиболее важным параметром для дальнейших определений наличия гидратов являлись пористость, влажность и плотность мерзлого образца. После проведения стандартных определений, кусочки мерзлых кернов из разных глубин были оттаяны в керосине для визуального определения наличия в них газа. В итоге из образцов, отобранных с глубины 71 м (легкая супесь) и с глубин 108-118 м (пылеватые супесь и песок) были зафиксированы цепочечные выделения газа с плотностью, приблизительно, 1 выделение на 3 см2 поверхности кусочка керна. Цепочки состояли из пузырьков диаметром до 1 мм. Длительность одного выделения достигала 2-3 минут.

Сопоставление величины свободного порового объема и удельного газосодержания в исследованных образцах показало, что объем газа, выделившийся при оттаивании, многократно превышает свободный поровый объем, способный удерживать газ в свободном состоянии. При этом без оттаивания образца выделения газа зафиксировано не было. Эти факты однозначно указывают на присутствие в порах исследованных кернов рассеянных газогидратов. Причем, учитывая глубину, с которой были отобраны керны, гидраты, скорее всего, являются реликтовыми - т.е. сформировавшимися в древние эпохи в ходе или после промерзания разреза и сохранившиеся до настоящего времени в метастабильном, законсервировавшимся состоянии благодаря эффекту самоконсервации. Чтобы узнать, какой газ образует гидраты в криолитозоне на территории Ямбургского, ГКМ были отобраны пробы газа из внутримерзлотных газопроявлений и проведены испытания на газовом хроматографе во ВНИИГАЗе.

Анализ химического состава газа из газопроявлений на соседних скважинах показал, что газ в данных интервалах представлен биохимическим метаном (91-92%) с примесью азота (8-9%).

Таким образом, в керне мерзлотно-параметрической скважины на Ямбургском ГКМ впервые было определено наличие природных гидратов в интервале криолитозоны выше зоны стабильности газогидратов. Эти гидраты были названы реликтовыми, из-за того, что они были сформированы в прошлые эпохи и перешли в метастабильное состояние вследствие эффекта самоконсервации, действующего в интервале криолитозоны. Кроме того, было показано, что газ внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплений, скорее всего имеет местный биохимический генезис и не связан с возможным подтоком углеводородного газа из подмерзлотных продуктивных горизонтов.

Наиболее подробное исследование внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплений было предпринято в 1995-1997 гг. совместно с учеными МГУ им. Ломоносова (Чувилин Е.М., Перлова Е.В.) на мерзлотно-параметрических скважинах, пробуренных НТФ «Криос» с отбором мерзлого керна на территории южной части Бованенковского ГКМ (п-ов Ямал). Был проанализирован мерзлый керн более чем из 20 скважин, отобраны образцы газа из газопроявлений из интервалов криолитозоны непосредственно на скважинах и проанализированы в лаборатории, обработаны данные по испытаниям газопроявляющих пластов криолитозоны.

Основанием разреза криолитозоны являются морские палеоцен-эоценовые отложения называевской серии (m P1-2), мощность которых колеблется около 250 м. Фактически повсеместно называевская серия четко делится на две толщи. Верхняя, мощностью от 44 до 80 м представлена серыми и темно-серыми суглинками с включениями гравия, гальки (до 5 % от объема породы) и остатков фауны, с тонкими прослоями песка (мощностью до 2 мм). Иногда с глубины порядка 250 м верхняя толща содержит переслаивание темно-серого опесчаненного суглинка и пылеватого песка с мощностью прослоев до нескольких метров. Нижняя толща представлена темно-серой до черной глиной с многочисленными остатками морской фауны и присыпками пылеватого песка. Глина имеет оскольчатую или пластинчатую структуру и чаще полутвердую консистенцию.

Выше повсеместно залегают нижне-среднеплейстоценовые морские отложения ямальской серии (m QI-II1 - 2), мощность которых колеблется от 120 м в пределах III морской террасы до 200 м на пойме. Можно выделить два типа разреза ямальской серии на территории месторождения. В большинстве скважин отложения ямальского возраста представлены по всей мощности серии серым суглинком с тонкими (мощностью 1 - 2 мм, редко до 1 см) прослоями песка пылеватого светло-серого, с черными углистыми пятнами. Реже можно зафиксировать несколько иной разрез пород ямальского возраста, где нижние 80 м сложены темно-серой глиной со слабовыраженными углистыми включениями, а на ней залегает суглинок, аналогичный вышеописанному, мощностью около 80 м.

Выше залегают регионально распространенные морские отложения казанцевской свиты верхнеплейстоценового возраста (m QIII1). Их мощность изменяется от 25 до 30 м как на пойме, так и в пределах III морской террасы. В целом казанцевские отложения представлены слоистыми толщами, сложенными в основном серыми пылеватыми песками, а также темно-серыми суглинками с черными углистыми включениями (10 - 20 % от объема грунта), глинами темно-серыми с прослоями песка и черными примазками органического вещества. В целом, в большинстве пойменных скважин около 2/3 всей мощности, а нередко и полная мощность казанцевских отложений представлены пылеватыми оторфованными песками, а прочие литологические разности занимают явно подчиненное положение.

В разрезе III морской террасы присутствуют верхнеплейстоценовые морские отложения (m QIII2-3) мощностью около 30 м. В основном этот вид отложений III-ей морской террасы представлен серыми слабоожелезненными глинами с редкими голубыми примазками вивианита.

Повсеместно в пределах пойм р.Се-Яха и Морды-Яха на исследуемой территории распространены голоценовые аллювиальные отложения (al QIV), представленные преимущественно оторфованными серыми и коричнево-серыми суглинками, иногда с прослоями песка. Мощность отложений около 15 м.