Формирование скоплений природного газа и газовых гидратов в криолитозоне

Внезапные газопроявления различной интенсивности из интервала криолитозоны начали отмечаться на Бованенковском ГКМ с самого начала разведочного и инженерно-геологического бурения еще в начале 80-х годов прошлого века. К сожалению, в то время основным фактологическим материалом для изучения газопроявлений были записи в делах скважин, результаты визуальных обследований аварийных скважин и устные свидетельства буровиков. В результате проведенных работ были сделаны выводы, что газовые скопления в интервале криолитозоны на территории месторождения приурочены к местам подтока глубинного газа к поверхности (разломы, сквозные талики) и газ имеет глубинное, катагенетическое происхождение. По данным бурения НТФ «Криос» газопроявления из многолетнемерзлых толщ на территории исследования имеют широкое распространение как в плане, так и в разрезе и встречаются в интервалах глубин от 20 - 30 до 130 м (ямальские и казанцевские отложения). Кроме того, малочисленные выбросы газа фиксируются вблизи подошвы многолетнемерзлых пород. Большая часть (около 90 %) газопроявлений из многолетнемерзлых интервалов приурочена к морским суглинистым отложениям ямальского 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-суглинистыми морскими отложениями казанцевской свиты (m QIII1). В отложениях этого возраста газопроявления в основном фиксировались в процессе бурения скважин на глубинах порядка 30 м в виде разгазирования промывочной жидкости и сильного запаха газа. По имеющимся данным дебиты газа из мерзлой казанцевской толщи невелики, максимальный стабилизированный расход газа не превышает 100 м3/сут.

Таким образом, исследования газопроявлений, проведенные НТФ «Криос» подтвердили более ранние данные, полученные при разведочном бурении, о широком распространении внутримерзлотных газовых скоплений в интервале криолитозоны Бованенковского ГКМ. Однако, вопросы о наличии газовых гидратов в мерзлых породах, а также о происхождении газа в этих скоплениях пока оставались открытыми.

Для ответа на эти вопросы были поставлены специальные исследования мерзлого керна ненарушенного сложения из интервалов газопроявлений и изотопного и компонентного состава газа из газопроявлений. Для этого керн, отобранный на скважинах НТФ «Криос», упаковывался в термоящик и самолетом транспортировался в Москву, где в сотрудничестве с учеными МГУ им. Ломоносова Е.М.Чувилиным, Е.В.Перловой, Н.А.Махониной и Е.В.Козловой проводилось их исследование по методике определения гидратосодержания по газосодержанию при оттаивании, примененной ранее для искусственных гидратосодержащих образцов и образцов керна, отобранного на Ямбургском ГКМ.

Для отобранных кернов мерзлых пород были также сделаны дополнительно определения некоторых свойств, включая пределы пластичности, общую засоленность, содержание органики, содержание незамерзшей воды.

Исследованные керны мерзлых пород имели преимущественно супесчано-суглинистый состав. Для более дисперсных суглинистых разновидностей характерно повышение засоленности до 0,6-0,9%. Образцы керна, сложенные более дисперсным материалом характеризуются также и повышенным содержанием органики до 0,04-0,05. Результаты специального опробования образцов на газосодержание представлены в таблице 1. Данные исследования выполнялись в лабораторных условиях при оттаивании образцов керна в газоотборнике. Это позволило определить удельное газосодержание образцов, а также проследить за динамикой газовыделений. В целом, экспериментальные данные свидетельствуют, что в исследуемых образцах отмечается незначительное газовыделение, вследствие высокой степени заполнения порового пространства льдом-цементом. Тем не менее, прослеживается тенденция повышения газосодержания в образцах, отобранных вблизи зон, в которых при бурении отмечались газопроявления. В том числе и в прослоях суглинистого состава, где отмечались мелкие (0,5-1 см) каверны и пустоты в керне.

При определении газосодержания образцов керна проводились наблюдения за динамикой газовыделений. Было отмечено, что для образцов с повышенным газосодержанием выделение газа происходило активно в виде крупных пузырьков до 2-3 мм диаметром и многочисленных мелких пузырьков до 0,5 мм, образующих цепочки и рои. Это во многом напоминало динамику газовыделения при разложении в воде искусственно приготовленных гидратонасыщенных образцов грунта. Объем выделившегося при оттаивании газа значительно превышал объем свободного порового пространства в некоторых исследованных образцах керна (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты определения газосодержания при оттаивании образцов мерзлого керна ненарушенного сложения из криолитозоны на Бованенковском ГКМ

Другая часть образцов керна, извлеченных из отложений без газопроявлений, показала вполне ожидаемое газосодержание при оттаивании, которое либо соответствовало свободному поровому пространству, либо было значительно меньше. Это дает все основания полагать, что часть исследованных образцов, так же как и на Ямбургском месторождении, содержит реликтовые газовые гидраты в поровом пространстве. Это, прежде всего, наблюдается в песчаных прослоях казанцевской и ямальской свит. К сожалению, образцы песчаных пород из отложений ямальской серии оказались весьма редкими вследствие размыва песков при бурении. Но даже суглинистые образцы иногда показывали аномальное газосодержание при оттаивании.

Проведенные исследования керна в комплексе с наблюдениями за газопроявлениями на скважинах позволяют сделать вывод о совместном существовании газовых гидратов и свободного газа в проницаемых прослоях криолитозоны на Бованенковском ГКМ. Длительные (до полугода) газопроявления при вскрытии скважиной газовых скоплений свидетельствуют о значительной гидравлической (газодинамической) связи внутри газовых и газ-газогидратных скоплений. Причем, несмотря на приуроченность к относительно небольшому интервалу глубин, газо- и гидратосодержащие скопления изолированы друг от друга, о чем говорит раннее или позднее окончание выделения газа.

Было также проанализировано количество выбросов из интервалов ММП на различных скважинах НТФ «Криос» к середине 1996 года. Анализ данных по газопроявляющим скважинам, показал, что основное количество газопроявлений приходится на глубины 50-80 м и 100-120 м. Это в основном отложения ямальской серии, представленные суглинками и супесями с прослоями песков. Резкая литолого-фациальная неоднородность разреза на этих глубинах говорит о том, что газ мог отжиматься и скапливаться в песчаных или супесчаных прослоях на данных глубинах при продвижении фронта промерзания вниз по разрезу, особенно когда они подстилались глинистыми, непроницаемыми для газа, отложениями. Источником газа могло быть органическое вещество, которым обогащены отложения казанцевской свиты и ямальской серии. Этот механизм косвенно подтверждается и результатами компонентного и изотопного анализов образцов газа, отобранных из газопроявлений и непосредственно из мерзлых образцов керна. Для компонентного состава газа из газопроявлений характерным было отсутствие (либо незначительное содержание) этана, пропана, бутанов и др. углеводородов, которые обычно свидетельствуют о глубинном происхождении газа. Метан составлял обычно 98-99 % от общего объема. Изотопный анализ углерода в газе дал величины от -70,3 до -74,6 ‰. Эти значения также свидетельствуют о микробиальном происхождении газа, не связанного с глубинными источниками, в т.ч. с верхним продуктивным горизонтом Бованенковского ГКМ - сеноманом, где значения д13С меняются в диапазоне -46…-54 ‰. Следует отметить, что сеноманский горизонт залегает на глубине 530-550 м, т.е. всего на 400 м ниже ямальской серии. Тем не менее, в соответствии с результатами изотопного и компонентного анализа, газ в сеномане и в четвертичных отложениях имеет разный генезис.

Исходя из вышеизложенного, можно предполагать, что газовые и газогидратные карманы, содержащие микробиальный газ из верхних горизонтов четвертичных отложений имеют площадное распространение в ММП Бованенковского ГКМ. Глубинный (катагенетический) газ в газопроявлениях из ММП может встречаться локально, в местах, приуроченных к разломам, сквозным таликам и вблизи аварийных скважин, фонтанировавших ранее.

Исследования на Бованенковском ГКМ позволили сделать следующие выводы:

газовые и газогидратные скопления в криолитозоне представлены преимущественно биохимическим газом, сингенетичным вмещающим отложениям;

скопления могут находиться как в песчанистых, так и в суглинистых породах, особенно если в последних присутствуют мелкие полости;

скопления могут содержать достаточно газа для вызова полупромышленных притоков;

скопления представляют собой высокий геологический риск при сооружении разведочных и эксплуатационных скважин;

газ этих скоплений резко отличается по своему химическому и изотопному составам от состава газа нижележащих продуктивных горизонтов, что позволяет предполагать широкое распространение подобных скоплений по всей области Земли, занятой криолитозоной, независимо от нефтегазоносности нижележащих отложений.

В пятой главе обобщены полученные в предыдущих главах сведения о формировании и распространении газовых и газогидратных скоплений в криолитозоне. Рассмотрены генезис, пути миграции и способы аккумуляции свободного газа, масштаб и роль процессов гидратообразования, проведено районирование территории РФ по условиям газоносности криолитозоны, дана первичная оценка объемов газа в газовых и газ-газогидратных скоплениях в криолитозоне, приведены рекомендации по выделению и исследованию газовых и газогидратных скоплений при разбуривании интервалов криолитозоны.

Как показал анализ состава газа исследованных газовых и газогидратных скоплений в интервале криолитозоны Ямбургского и Бованенковского ГКМ на севере Западной Сибири (гл. 4), практически все газопроявления были представлены местным биохимическим (микробиальным) газом. Источником газа является РОВ, обнаруженное при исследованиях многих образцов керна из интервала криолитозоны. Процесс микробиальной переработки РОВ в метан вполне мог иметь место перед промораживанием разреза или же в период трансгрессии моря, когда поверхность пород была скрыта водной толщей с малыми отрицательными или положительными температурами и интервал криолитозоны был представлен талыми породами.

Не исключается локальное распространение глубинного, катагенетического газа, попавшего в криолитозону по проницаемым зонам (разломам, литологическим окнам, аварийным скважинам). Нефтегазоматеринские породы и пласты-коллекторы, содержащие скопления свободного газа, попадая в зону промерзания и в зону стабильности гидратов, формирующуюся при промерзании, вполне могут переформировываться во внутримерзлотные залежи газа и газогидратов. Такие залежи могут быть обнаружены в тех регионах, где территория распространения криолитозоны частично или полностью перекрывает территорию нефтегазоносного бассейна.

Особый случай внутримерзлотных газовых скоплений - скопления угольных газов. Они наблюдаются в районах распространения угленосных бассейнов, когда многолетнемерзлая толща предотвращает выветривание верхнего интервала угленосных отложений. Среди особенностей состава газа в криолитозоне угленосных бассейнов следует отметить присутствие (помимо метана) азота, углекислого газа и водорода. Метановая зона может начинаться уже с глубин менее 100 м в отличие от угленосных бассейнов в немерзлых областях, где она начинается с глубин 500-600 м.

Миграция газа в криолитозоне осуществляется такими же путями, как и в немерзлых породах: по проницаемым пропласткам, в водорастворенном виде, через проницаемые разломно-трещинные зоны, которые имеются в ее разрезе. Соответственно, скопления газов можно ожидать в проницаемых породах, перекрытых покрышками. Однако полевые исследования показывают, что это далеко не единственная структура, благоприятная для образования газовых скоплений в криолитозоне. Газ в криолитозоне может скапливаться из трех основных источников (поступление газа из атмосферы не рассматривается): микробиальная переработка РОВ в интервале криолитозоны (биохимический газ), миграция в интервал криолитозоны глубинного катагенетического газа из нефтегазоматеринских пород и газа из угленосных толщ (последние два источника разделены вследствие разницы в изотопном и компонентном составе газа). Возможно также допустить миграцию сверхглубинного абиогенного газа, но в рамках рассматриваемых моделей газонакопления в криолитозоне, этот газ можно приравнять к глубинному катагенетическому по источнику поступления. Из этих трех источников только биохимический газ генерируется непосредственно в породах, слагающих криолитозону. Катагенетический газ может формировать скопления в породах криолитозоны до промерзания (попадание в интервал криолитозоны нефтегазоматеринских пород и метаморфизирующихся углей), так и поступать в интервал криолитозоны в результате миграции по проницаемым каналам в геологическом разрезе во время и после промерзания.

Критическим моментом при рассмотрении вопроса о миграции и аккумуляции газа всех трех источников в криолитозоне является момент промерзания разреза - т.е. формирования криолитозоны, т.к. при этом значительно меняются фильтрационно-емкостные свойства вмещающих газ пород. Существуют два подхода к моделированию миграции и аккумуляции газа в криолитозоне:

Криолитозона практически непроницаема для газа. Формирование твердой фазы - льда - в поровом пространстве проницаемых пород значительно снижает их проницаемость. Процесс промерзания разрезе либо экранирует уже имеющиеся в криолитозоне залежи, либо способствует их формированию под нижней границей мерзлой толщи из мигрирующего снизу и отжимаемого из промерзающих водоносных систем сверху газа,

Криолитозона проницаема для газа. Мерзлая толща внутри криолитозоны, хотя и значительно снижает возможности миграции газа, однако не является непроницаемой и состоит из чередования прослоев различной проницаемости. Причем формирование газовых скоплений в интервале криолитозоны может происходить и после промерзания разреза.

Проведенные исследования показали, что справедливы оба подхода и все зависит от льдонасыщения и литологического состава пород криолитозоны. Однако, второй подход описывает более распространенную ситуацию и при определенных обстоятельствах включает в себя первый. Т.е. первый подход описывает локально распространенный процесс образования газовых скоплений в криолитозоне, а второй - регионально распространенный. Изучение газовых скоплений в криолитозоне на Ямбургском и Бованенковском месторождениях показало, что «запечатывание» газовых скоплений внутри криолитозоны при промерзании и формирование скоплений под подошвой мерзлой толщи вполне может сочетаться с миграцией газа внутри криолитозоны и формированием газовых скоплений уже после промерзания. Криолитозона проницаема для углеводородных газов, но процессы миграции и аккумуляции газов в ней носят специфический характер вследствие изменений свойств пород, обусловленных промерзанием.

По некоторым данным других исследователей (Мельников В.П., Дегтярев Б.В., Мизулина Н.Б. и др.), породы криолитозоны на севере Западной Сибири (включая п-в Ямал) относятся к газоматеринским. В них превалируют сингенетичные битумоиды с небольшими примесями эпигенетичных. В то же время газогенерационный потенциал разных прослоев различен. Наибольшим потенциалом обладают суглинистые породы, но они имеют низкие фильтрационно-емкостные свойства. А наибольшие и продолжительные газопроявления отмечаются из соседних песчаных прослоев разреза криолитозоны. Это очевидное свидетельство первичной миграции газа в породах разреза криолитозоны. Другой вопрос - когда произошла эта миграция: до, во время или после промерзания разреза? Учитывая, что микробиальная переработка РОВ начинается с момента формирования осадка, можно утверждать, что первичная миграция, несомненно, началась еще до промерзания. По мере углубления осадка происходило его уплотнение и отжатие флюидов в близлежащие проницаемые пропластки при продолжающейся генерации газа, а также растворение газов в подземных водах, как это происходит в талых разрезах. . Однако промерзание разреза должно было вызвать активное выделение газовой фазы из формирующегося порового льда и значительно увеличить долю свободного газа в составе флюидов криолитозоны вследствие резкого понижения растворимости газа во льду по сравнению с водой. Таким образом, можно предполагать, что промерзание одномоментно (в геологическом смысле) активизирует выделение и миграцию газа в породах криолитозоны и приводит к миграции свободной фазы в проницаемые пропластки, где и происходит аккумуляция газа. После этого генерация, миграция и аккумуляция биохимического газа внутри криолитозоны в значительной мере должны быть подавлены дальнейшим промерзанием отложений. А сформированные газонасыщенные пропластки внутри криолитозоны должны быть запечатаны слабопроницаемыми (вследствие литологии или льдистости) породами. Длительная сохранность таких газовых скоплений возможна при отсутствии гидравлической связи с соседними пропластками и дневной поверхностью.

Однако, если мерзлая толща криолитозоны в целом проницаема для газа, то помимо скоплений биохимического газа возможны скопления глубинного газа, мигрирующего снизу через проницаемые каналы (литологические неоднородности, разломы).

Обобщая данные по миграции и аккумуляции природных газов в криолитозоне можно сделать следующие выводы.

Мерзлая толща пород криолитозоны не является региональной покрышкой для мигрирующих глубинных углеводородных газов. Мерзлые толщи с повышенной льдистостью (более 70 % от порового пространства в случае песчаных пород) могут представлять собой локальные покрышки и барьеры для миграции глубинных газов, способствуя образованию локальных очагов разгрузки глубинных газов вблизи больших водоемов, где существуют глубокие талики. Наличие локальных очагов разгрузки не способствует широкому площадному распространению внутримерзлотных газовых скоплений глубинного газа.

Биохимический (микробиальный) газ распространен повсеместно в рыхлых четвертичных отложениях криолитозоны вследствие его генерации из РОВ, содержащегося в этих отложениях. Его миграция и аккумуляция носят местный характер и связаны как с длительными естественными процессами истечения углеводородных газов из четвертичных нефтегазоматеринских пород, так и с одномоментным отжатием газа из водорастворенной фазы в проницаемые прослои при промерзании разреза. При этом в дальнейшем миграция и аккумуляция биохимического газа в разрезе криолитозоны в значительной степени подавляются отрицательными температурами и льдообразованием. Иными словами, сформировавшиеся в результате промерзания газовые скопления биохимического газа уже консервируются и не претерпевают значительных изменений в мерзлом разрезе со временем (не считая медленной диффузии).

Значительные по объему (промышленные) залежи глубинного газа в криолитозоне могли сформироваться только до промерзания разреза и их формирование не отличалось от такового в талом разрезе.

Формирование гидратов в пределах криолитозоны может происходить при достижении последней определенной мощности (например, 270 м для начала образования гидрата метана), когда в разрезе появляются термобарические условия для гидратообразования. Равновесные условия могут создаваться также вышележащим ледниковым покровом или трансгрессией холодного моря. Исчезновение ледника или регрессия моря могут привести к самоконсервации сформировавшихся гидратов и их залеганию выше верхней границы ЗСГ. В пределах ЗСГ газогидраты могут существовать в стабильном состоянии, выше ЗСГ - в метастабильном, законсервировавшемся. Стабильность законсервировавшихся гидратов определяется температурной и геохимической обстановкой в данном интервале криолитозоны. Попадание в криолитозону (промерзание) гидратосодержащих отложений, сформировавшихся еще до промерзания, только стабилизирует гидраты, не приводя к значительным изменениям газосодержания отложений. Механизм формирования газогидратных залежей в ЗСГ неоднократно рассматривался в отечественной и зарубежной литературе (Н.В.Черский, В.П.Царев, K.A.Kvenvolden и др.), поэтому в данной работе формирование газогидратных залежей из катагенетического газа не обсуждается.

Таким образом, в интервале криолитозоны распространено 2 термодинамических типа газогидратов: стабильные - в интервале ЗСГ и метастабильные или реликтовые - выше верхней границы ЗСГ. Состав газа в гидратах криолитозоны не отличается от такового в скоплениях свободного газа и имеет преимущественно микробиальное происхождение. Формирование гидратов в разрезе криолитозоны выше ЗСГ вызывается либо ледниковым покровом или трансгрессией холодного моря, либо механизмом криогенного концентрирования газа, в ходе которого водорастворенный газ переходит в свободную фазу и скапливается в литологических и криогенных (мерзлотных) ловушках в разрезе формирующейся криолитозоны. Дальнейшее промерзание разреза приводит к повышению давления в этих газовых карманах и переходу части газа в гидратное состояние. После полного промерзания ловушки избыточное давление постепенно спадает вследствие миграции газа в окружающие породы и часть гидратов может частично разложиться вследствие самоконсервации, сформировав газ-газогидратное скопление - скопление, в котором сосуществуют свободный газ и газогидраты.

Внутримерзлотные газовые и газогидратные скопления могут встречаться как на территории нефтегазоносных бассейнов (включая угленосные), так и за их пределами. В орогенных поясах, приуроченных к площади распространения криолитозоны, возможны подобные скопления в межгорных впадинах, где происходит накопление осадочного материала и биохимическая переработка захороненного органического вещества. Таким образом, вся территория распространения криолитозоны, за исключением возвышенных районов орогенных поясов, может являться зоной потенциального распространения внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплений.

При анализе распространения внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплений можно выделить следующие закономерности:

Вся территория распространения криолитозоны (кроме участков морозных пород) является потенциально газоносной.

Приповерхностные газовые и газ-газогидратные скопления могут встречаться по всей территории распространения криолитозоны, стабильные газогидратные скопления - только в области распространения ЗСГ (приблизительно 40 % от общей площади распространения криолитозоны).

Наиболее вероятно обнаружение всех видов газовых (катагенетические и биохимические) и газогидратных (стабильных и метастабильных) скоплений в пределах нефтегазоносных (включая угленосные) бассейнов, где мощность криолитозоны превышает 300 м.

Газовые и газогидратные скопления наиболее часто приурочены к песчанистым прослоям криолитозоны.

До настоящей работы не предпринималось попыток оценки объемов газа, содержащегося во внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплениях. Сами эти скопления стали рассматриваться как потенциальный источник газа относительно недавно. В соответствии с разработанной методикой объемного определения ресурсов газа различного генезиса в криолитозоне различной мощности было подсчитано, что в целом по РФ объем внутримерзлотного газа может составлять от 7 до 17 трлн.м3.

Проведенные экспериментальные и полевые работы по изучению внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплений позволили предложить ряд рекомендаций по выделению и исследованию газовых и газогидратных скоплений при разбуривании интервалов криолитозоны.

При выявлении газо- и гидратосодержащих интервалов:

Бурение газовых и газогидратных прослоев криолитозоны с отбором керна следует вести с охлажденным до +2 - +4оС буровым раствором на глинистой основе или охлажденным до отрицательных температур буровым раствором на углеводородной основе.

Отбор и подъем керна вести с максимальной скоростью.

Отобранный керн должен храниться в герметичной упаковке при температурах -5 - -20оС, нельзя допускать его оттаивания.

Определение газо- и гидратосодержания керна возможно только при его оттаивании и замере количества выделяющегося газа. Геофизические методы не дают информации о содержании гидратов в мерзлом керне.

После выделения газо- и гидратосодержащих прослоев в интервале криолитозоны, необходимо определить генезис газа. Для этого необходим анализ компонентного и изотопного состава. Имея эти данные, можно внести необходимые коррективы в процесс сооружения и эксплуатации скважин.

Проведенные работы позволили предложить рекомендации по прогнозу и предотвращению газопроявлений на различных этапах освоения северных месторождений. Так на этапе предпроектных изысканий необходим прогноз газопроявлений из надпродуктивных толщ при бурении и сооружении скважин, т.е. выделение потенциально газоносных горизонтов, возможного количество газа в них, интенсивности и длительности возможных газопроявлений. Здесь необходимо комплексное исследование кернов и газопроявлений из криолитозоны, составление карты потенциальной опасности криолитозоны. На этапе бурения и заканчивания скважин в газоопасных участках необходимо бурение вести с помощью охлажденного (+2 - +4оС) бурового раствора. При возникновении газопроявления при разбуривании надпродуктивной толщи (включая толщу ММП) - произвести отбор проб и исследования состава газа на предмет его происхождения: глубинный или местный, микробиальный. Даны рекомендации как вести буровые работы дальше в зависимости от происхождения газа. На этапе эксплуатации возникновение межколонных и заколонных газопроявлений может свидетельствовать об аварийном состоянии скважины. Поэтому особенно важно вести контроль состава газа в таких газопроявлениях. При обнаружении местного биохимического метана в заколонном газопроявлении - можно продолжать работы, следя за характером проявления, если местный газ появляется в межколонном пространстве - необходимо скважину ставить на капитальный ремонт. Дан ряд рекомендаций по безопасному ведению работ на скважине.

В заключении отмечено, что систематизация фактических данных о газопроявлениях из криолитозоны и их анализ свидетельствуют о возможности нахождения здесь газовых скоплений как в свободном, так и в газогидратном состоянии. Наиболее часто встречаются скопления свободного газа, но есть примеры залегания смешанных газ-газогидратных скоплений. Для изучения генезиса, миграции, аккумуляции и определения форм залегания природного газа в криолитозоне был выполнен комплекс исследований, в результате которых были получены следующие результаты:

1. Разработана методика исследования состава, строения и свойств газогидратов и мерзлых гидратосодержащих пород, которая включала следующие стадии: а) разработку и конструирование экспериментальных установок для получения газогидратов и гидратосодержащих сред; б) отработку методики проведения экспериментов по получению мерзлых гидратосодержащих пород; в) разработку методов идентификации газовых гидратов в мерзлых породах; г) адаптацию методов исследования состава, строения и свойств мерзлых пород применительно к гидратосодержащим породам.

2. Обнаружена и исследована ранее неизвестная способность газогидратов к самоконсервации в условиях криолитозоны. Эффект самоконсервации газовых гидратов при понижении давления ниже равновесного в области отрицательных температур заключается в образовании непроницаемой для газа оболочки льда в результате замерзания воды, выделяющейся при поверхностном разложении гидрата, что останавливает дальнейшее разложение гидрата и приводит к его стабилизации. Было определено, что стабильность «законсервировавшихся» гидратов зависит от макроструктуры образца, температуры хранения, возможности сублимации влаги с поверхности гидратов, наличия светового и механического воздействий. Обнаруженный эффект значительно расширяет термодинамическую область существования газовых гидратов в природе.

3. Проведены опыты по гидратонакоплению в дисперсных породах, которые показали, что у песчаных пород при гидратообразовании практически вся поровая влага переходит в гидратное состояние (при избытке газа), при этом происходит массоперенос к местам активного гидратонакопления. Механизм массопереноса - преимущественно пленочный и аблимационный. Массоперенос при гидратонакоплении в песках приводит к формированию гидратных текстур. Были выделены: массивная, корковая, линзовидная, порфировидная и слоистая текстуры. Выполнены они, как правило, мелкими, хаотично переплетенными кристаллами газогидратов. В глинистых породах гидратосодержание зависит от категории поровой влаги. Прочносвязанная вода в гидратообразовании практически не участвует. Массоперенос в глинистых породах при гидратообразовании зафиксирован не был.

4. Установлено, что среди песчано-супесчаных грунтов наиболее благоприятные для гидратонакопления условия имеются в тонкозернистых песках.

5. В результате исследований мерзлого керна Ямбургского ГКМ с использованием разработанных экспериментальных методик установлено наличие природных газовых гидратов в криолитозоне выше ЗСГ.

6. Полевое и лабораторное изучение внутримерзлотных скоплений на Бованенковском ГКМ позволило установить широкое распространение газовых и газогидратных скоплений по территории месторождения, значительное количество газа биохимического генезиса в них и отсутствие прямой связи этих скоплений с нижележащими продуктивными горизонтами сеноманского возраста.

7. Обоснована модель криогенного концентрирования газа в разрезе криолитозоны, объясняющая существование законсервировавшихся гидратов вне зоны стабильности.

8. Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена возможность формирования скоплений углеводородных газов в интервале криолитозоны, часть которых может иметь практическую ценность как дополнительный источник получения природного газа.

9. Разработана методика оценки общего количества газа во внутримерзлотных газовых и газогидратных скоплениях на территории России. По проведенным оценкам, эта величина достигает 17 трлн м3. Предложено рассматривать внутримерзлотные скопления как один из видов нетрадиционных источников природного газа.

10. Разработаны рекомендации по выделению и исследованию газовых и газогидратных скоплений при разбуривании интервалов криолитозоны, а также рекомендации по бурению и эксплуатации газовых и нефтяных скважин, проходящих газо- и гидратосодержащие интервалы криолитозоны.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Якушев В.С., 1985. Влияние гидратов природных газов на инженерно-геокриологическую обстановку. В сб. Инженерно-геологические и геокриологические исследования состояния геологической среды. М., ВСЕГИНГЕО, с.58-64 (деп.ВИНИТИ №1855-В)

2. Трофимук А.А., Макогон Ю.Ф. и Якушев В.С., 1986. Влияние динамики зон гидратообразования на температурный режим горных пород в области распространения криолитозоны. Геология и геофизика, №11, с.3-10.

3. Ершов Э.Д., Макогон Ю.Ф. и Якушев В.С., 1986. Газогидратные залежи как объект инженерно-геологических изысканий в области распространения многолетнемерзлых пород. В сб. Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты. Тезисы докладов. Благовещенск, с.33-34.

4. Якушев В.С. и Истомин В.А., 1987. Причины газовых выбросов в мерзлых породах Ямбургского газоконденсатного месторождения. В сб. Особенности освоения газовых месторождений в сложных геокриологических условиях. М., ВНИИГАЗ, с.119-127.

5. Якушев В.С., 1988. Экспериментальное изучение кинетики диссоциации гидрата метана при отрицательных температурах. Экспересс-информация ВНИИЭГазпрома, сер. Разработка и эксплуатация газовых и гизоконденсатных месторождений, №4, с.11-14.

6. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М. и Якушев В.С., 1988. Физическое моделирование газогидратных ядер комет. В сб. Тезисы 8-ой Советско-Американской рабочей встречи по планетологии 22-28 августа 1988г. М., ГЕОХИ, с.43-44.

7. Якушев В.С., Истомин В.А., 1989. Особенности существования гидратов углеводородных газов в породах-коллекторах при отрицательных температурах. В сб. Газоносность газодобывающих регионов СССР. М., ВНИИГАЗ, с.159-165.

8. Истомин В.А. и Якушев В.С., 1989, Исследования природных и техногенных газовых гидратов: основные достижения и перспективные направления. В сб. Тезисы 3-его Международного семинара “Явления включения”. Новосибирск, с.35-36.

9. Якушев В.С. и Истомин В.А.,1989. Эффект самоконсервации газогидратов при Т<273К. В сб. Тезисы 3-его Международного семинара “Явления включения”. Новосибирск, с.59.

10. Якушев В.С. ,1989. Газовые гидраты в криолитозоне. Геология и геофизика, №11, с.100-105.

11. Якушев В.С., 1989. Одна из возможных причин газовых выбросов в толщах многолетнемерзых пород. Геология нефти и газа, №4, с.45-46.

12. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М., Истомин В.А. и Якушев В.С., 1989. Проблемы гидратообразования в криолитозоне. В сб. Геокриологические исследования, М., МГУ, с.53-67.

13. Якушев В.С., Истомин В.А. и Колушев Н.Р., 1989. Методические рекомендации по особенностям сооружения и эксплуатации скважин в мерзлых и талых породах, содержащих газовые гидраты. М., ВНИИГАЗ, 54 с.

14. Истомин В.А., Квон В.Г. и Якушев В.С., 1989. Инструкция по инженерным методам расчета условий гидратообразования. М., ВНИИГАЗ, 85 с.

15. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М., Колушев Н.Р. и Якушев В.С., 1990. Реликтовые газогидраты в криолитозоне Ямбургского газоконденсатного месторождения. В сб. Природные и техногенные газовые гидраты, М., ВНИИГАЗ, с.167-174.

16. Якушев В.С. и Истомин В.А., 1990. Особенности существования газовых гидратов в породах при отрицательных температурах. Геохимия, №6, с.899-903.

17. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М. и Якушев В.С., 1990. Экспериментальные исследования микростроения агломерата лед-гидрат метана. Инженерная геология, №3, с.38-44.

18. Якушев В.С., 1990. Особенности массообмена в дисперсных породах при гидратообразовании. В сб. “Природные и техногенные газовые гидраты”, М., ВНИИГАЗ, с.174-187.

19. Якушев В.С. и Истомин В.А., 1990.Особенности сооружения и эксплуатации скважин в гидратосодержащих породах. В сб. Доклады Международной конференции “Разработка газоконденсатных месторождений”, Секция 2: Вскрытие и крепление газоконденсатных скважин, Краснодар, 29 мая-2 июня 1990, с.93-96.

20. Yakushev V.S., 1991. Gas hydrate industry in northern regions and on seas (project). Proceedings of the 18th World Gas Conference, Berlin, 8-11 June 1991 (Prize of the 18th World Gas Conference), 16p.

21. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М., Истомин В.А. и Якушев В.С., 1991. Особенности существования газовых гидратов в криолитозоне. Доклады Академии наук СССР, том 321,№4, с.788-791.

22. Якушев В.С. и Истомин В.А., 1992. Распространение газовых гидратов в земной коре. В сб. Тезисы докладов Международного симпозиума “Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения”, октябрь 12-16 1992, Санкт-Петербург, т.2, с.81.

23. Yakushev V.S. and Istomin V.A., 1992. Gas-Hydrates Self-Preservation Effect. In: Physics and Chemistry of Ice (edited by N.Maeno and T.Hondoh), Hokkaido University Press, Sapporo, p.136-140.

24. Yakushev V.S., 1992. Natural gas hydrates: recent scientific achievements give them new prospects. Proceedings of the 1992 International Gas Research Conference (IGRC-92), November 1992, Orlando, USA.

25. Ershov E.D. and Yakushev V.S., 1992. Experimental research on gas hydrate decomposition in frozen rocks. Cold Regions Science and Technology, v.20, p.147-156.

26. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М., Истомин В.А. и Якушев В.С., 1992. Проблемы устойчивости газогидратных залежей в криолитозоне. Вестник Московского Университета, сер.4, Геология, №5, с.82-87.

27. Yakushev V.S. and Collett T.S., 1992. Gas hydrates in Arctic regions: risk to drilling and production. Proceedings of the Second International Offshore and Polar Engineering Conference, San-Francisco, USA, 14-19 June 1992, v.1, p.669-673.

28. Ershov E.D., Lebedenko Yu.P., Chuvilin E.M. and Yakushev V.S., 1993. Peculiarities of gas hydrate formation in sands. Proceedings of the 6th International Conference on Permafrost, Beijing, 5-9July 1993, v.1, p.160-163.

29. Yakushev V.S., Istomin V.A. and Kolushev N.R., 1994. Near-Surface Natural Gas and Gas Hydrates Accumulations in Permafrost, Russia. Proceedings of the AAPG Hedberg Research Conference “Near-Surface Expressions of Hydrocarbon Migration”, April 24-28, 1994, Vancouver, British Columbia, Canada.

30. Якушев В.С., 1994. Реакция арктической среды. Газовая промышленность, №4, с.24-26.

31. Yakushev V.S., 1994. Some environmental problems of gas recovery related to permafrost and natural gas hydrates. Proceedings of the 19th World Gas Conference, Milan, 20-23 June 1994, paper IGU/A5-94, 13p.

32. Yakushev V.S., Dubrovski D.A., Chuvilin E.M., Istomin V.A. and Kvon V.G., 1995. Submarine natural gas hydrates: risk to gas and oil production. Preprints of the 1995 International Gas Research Conference. Cannes, France, 6-9 November 1995, v.2: Exploration and Production, p. 171-178.

33. Ershov E.D., Yakushev V.S. and Chuvilin E.M., 1996. Laboratory studies of frozen natural and artificial hydrate-containing rock samples. Proceedings of the 2nd International Conference on Natural Gas Hydrates, Toulouse, France, June 2-6, 1996, p.609-615.

34. Ершов Э.Д., Чувилин Е.М. и Якушев В.С., 1996. Процессы тепломассопереноса в дисперсных породах при гидратообразовании. В сб. Тепломассообмен - ММФ-96. Тепломассообмен в капиллярно-пористых телах, т.7. Минск, АНК “ИТМО им.А.В.Лыкова”, АНБ, с.1-4.

35. Истомин В.А. и Якушев В.С., 1996. Газовые гидраты в России. Petroleum Economist, special issue joinly with Gazovaya Promyshlennost Jornal, с.56-58. (English version: V.A.Istomin and V.S.Yakushev, 1996. Gas hydrates in Russia: meeting the challenge.)

36. Dallimore S.R., Chuvilin E.M., Yakushev V.S., Grechischev S.E., Ponomarev V., Pavlov A. and Collett T.S., 1996. Field and laboratory characterization of intrapermafrost gas hydrates, Mackenzie Delta, NWT, Canada. Proceedings of the 2nd International Conference on Natural Gas Hydrates, Toulouse, France, June 2-6, 1996, p.525-531.

37. Якушев В.С., 1997. Геологические исследования газогидратов для нужд нефтяной и газовой промышленности. В сб. Программа и тезисы докладов Российского семинара “Газовые гидраты в экосистеме Земли”, Новосибирск, 4-7 февраля 1997г., с.35-36.

38. Yakushev V.S., 1997. Geologic and Experimental Studies on Gas Hydrates in VNIIGAZ. In: Integrated Cryotecnology Seminar, Hokkaido National Industrial Research Institute, 26-28 November 1997, Sapporo, p.72-74

39. Истомин В.А., Скоробогатов В.А. и Якушев В.С., 1997. Основные направления исследований нетрадиционных источников природного газа во ВНИИГАЗе (РАО Газпром). В сб. Тезисы докладов Второго Международного симпозиума «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения», Санкт-Петербург, 23-27 июня 1997, с.121.

40. Максимов А.М., Якушев В.С. и Чувилин Е.М., 1997. Оценка возможности выбросов газа при разложении газовых гидратов в пласте. Доклады Российской Академии наук, т.352,№4, с.532-534.

41. Якушев В.С., 1998. Крупнейший экспортер природного газа ХХI столетия - Япония? Газовая промышленность, №1, с.72-74.

42. Wright, J.F., Chuvillin, E.M., Dallimore, S.R., Yakushev, V.S. and Nixon, F.M. Methane hydrate formation and dissociation in fine sands at temperatures near 0oC. Proceedings of the 7th International Conference on Permafrost, Yellowknife, NWT, Canada, 23-28 June, 1998 p.1147-1153.

43. Chuvilin E.M. and Yakushev V.S., 1998. Structure and some properties of frozen hydrate-containing soils. Proceedings of the International JNOC-TRC Symposium “Methane hydrates: resources in the near future?”, Chiba-sity, Japan, 20-22 October 1998, p. 239-246.

44. Skorobogatov V.A., Yakushev V. S. and Chuvilin E.M., 1998. Sources of natural gas within permafrost (North-west Siberia). Proceedings of the 7th International Conference on Permafrost, Yellowknife, NWT, Canada, 23-28 June, 1998, pр. 1001 - 1007

45. Chuvilin E.M., Yakushev V.S., Perlova E.V. 1998 (erschienen 2000). Gas and possible gas hydrate in the permafrost of Bovanenkovo gas field, Yamal peninsula, West Siberia. Polarforschung 68: 215-219.

46. Чувилин Е.М., Якушев В.С., Перлова Е.В., Кондаков В.В.,1999. Газовая компонента толщ мерзлых пород в пределах Бованенковского газоконденсатного месторождения ( п-ов Ямал ). Доклады РАН, том 369, №4, с. 522-524.

47. Chuvilin E.M., Yakushev V.S., Perlova E.V., 1999. Experimental Study of Gas Hydrate Formation in Porous Media. Proc. of the 6th Int. Symp. On Advances in Cold-Region Thermal Engineering and Sciences, Darmstadt, Germany, p.431-440.

48. Якушев В.С., Истомин В.А., Скоробогатов В.А., 1999. Перспективы освоения ресурсов нетрадиционных источников газа осадочных бассейнов России и сопредельных стран. Обз. Инф. ИРЦ Газпром, сер. «Геология и разведка газовых и газоконденсатных месторождений», М., 35 с.

49. Chuvilin E.M., Perlova Е.V., Makhonina N.A, & Yakushev V.S. 2000. Research of hydrate and ice formation in soils during cyclic fluctuations of temperature. In Ground Freezing-2000 (J-F. Thimus, ed), Balkema, Rotterdam., p. 9-14.

50. Yakushev V.S., Chuvilin E.M., 2000. Natural gas and hydrate accumulation within permafrost in Russia. Cold Regions Science and Technology 31, p.189-197.

51. Chuvilin Е.М., Perlova Е.V., Makhonina N.A., Kozlova E.V., & Yakushev V.S., 2001. Gas hydrate formation and dissociation conditions in clay sediments of different composition. Proceedings of the 7th International Symposium on Thermal Engineering and Sciences for Cold Regions, Seoul, Korea., pp. 231-235.

52. Даллимор С.Д., Чувилин Е.М., Якушев В.С., 2001. Природный газ в вечной мерзлоте Северной Канады и России: генезис и формы существования. Материалы второй конференции геокриологов России. т.3. М., с.295-301.

53. Якушев В.С., Истомин В.А., Перлова Е.В. 2002. Ресурсы и перспективы освоения нетрадиционных источников газа в России. Москва, ВНИИГАЗ, , 87 с.

54. Chuvilin E.M., Kozlova E.V., Makhonina N.A., Yakushev V.S., Dubinyak D.V. 2002. Peculiarities of methane hydrate formation/dissociation P/T conditions in sediments of different composition. Proceeding of the Fourth International Conference on Gas Hydrate Yokohama. pp. 433-438.

55. Chuvilin E.M., Yakushev V.S., Perlova E.V. 2002. Natural gas and gas hydrate association in permafrost of Yamal peninsula (West Siberia). Proceeding of the Fourth International Conference on Gas Hydrate, Yokohama. pp. 216-221.

56. Чувилин Е.М., Перлова Е.В., Махонина Н.А., Якушев В.С., 2002. Фазовые переходы воды в газонасыщенных грунтах.Геология и геофизика, том 43, №7, с.685-693.

57. Якушев В.С., Перлова Е.В., Махонина Н.А. 2003. Внутримерзлотные газовые и газогидратные скопления в Западной Сибири.В сб.: «Газовые ресурсы России в XXI веке». М. ВНИИГАЗ, с.171-184.

58. Якушев В.С., Перлова Е.В., Чувилин Е.М., Кондаков В.В. 2003. Многолетнемерзлые породы как коллектор газовых и газогидратных скоплений. Газовая промышленность, № 3, с.36-40.

59. Якушев В.С., Перлова Е.В., Махонина Н.А., Чувилин Е.М., Козлова Е.В., 2003. Газовые гидраты в отложениях материков и островов. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), т. XLVII, № 3, с. 80-90

60. Uchida T., Takeya S., Chuvilin E., Ohmura R., Nagao J., Yakushev V., Istomin V., Minagawa H., Ebinuma T., Narita H., 2004. Decomposition of methane hydrates in sand, sandstone, clays and glass beads. J. Geophysical Research, v.109, B05206, p.1-12.

61. Yakushev V., Perlova E., Makhonina N., Istomin V., 2005. Classification of gas hydrate deposits as important step to natural gas production from hydrates. Proceedings of the 5th Intl. Conf. On Gas Hydrates, v.3, paper 3015, p.812-817.

62. Якушев В.С., Перлова Е.В., Махонина Н.А. 2005. Метастабильные (реликтовые) газогидраты: распространение, ресурсы и перспективы освоения. Криосфера Земли, т. IX, с.68-72.

Наиболее крупные работы по теме диссертации:

63. Истомин В.А., Якушев В.С., Квон В.Г. и Карпюк В.В., 1988. Аналитический библиографический указатель литературы по газовым гидратам. М., ВНИИГАЗ, 246 с.

64. Якушев В.С., Истомин В.А., Колушев Н.П. Методические рекомендации по особенностям сооружения и эксплуатации скважин в мерзлых и талых породах, содержащих газовые гидраты. М., ВНИИГАЗ, 1989, 52 с.

65. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М., Недра, 1992, 236 с.

66. Якушев В.С., Истомин В.А., Скоробогатов В.А. Перспективы освоения ресурсов нетрадиционных источников газа осадочных бассейнов России и сопредельных стран. Обз. Инф. ИРЦ Газпром, сер. «Геология и разведка газовых и газоконденсатных месторождений», М., 1999, 35 с.

67. Якушев В.С., Истомин В.А., Перлова Е.В. Ресурсы и перспективы освоения нетрадиционных источников газа в России. Москва, ВНИИГАЗ, 2002, 87 с.

68. Yakushev V.S., 2000. A review of research on self-preservation of gas hydrates. Review for the Forum on Feasibility Studies on Gas Hydrate for Development of Energy Resources. March 15-16, 2000, Tokyo, Japan, 167 p.

69. Строение и свойства пород криолитозоны южной части Бованенковского газоконденсатного месторождения (отв. ред. Е.М.Чувилин) - М., ГЕОС, 2007, 137 с.

70. Якушев В.С. Перлова Е.В., Истомин В.А., Кузьминов В.А., Соловьев Н.Н., Салина Л.С., Махонина Н.А., Леонов С.А. Ресурсы и перспективы освоения нетрадиционных источников газа в России. - М., ООО «ИРЦ Газпром», 2007, 151 с.

Размещено на Allbest.ru