litceysel.ru
добавить свой файл
  1 2 3 4 5

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.

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.



<< предыдущая страница   следующая страница >>