WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Якушев Владимир Станиславович

Формирование Скоплений природного газа и газовых гидратов в криолитозоне

Специальность 25.00.12 – Геология, поиски и разведка горючих ископаемых.

автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

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.

       

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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:

  1. Начало первичного  гидратообразования в песчаных  породах, не претерпевавших гидратообразование ранее, происходит только при значительном переохлаждении системы.
  2. При оттаивании грунтов в условиях гидратообразования имеет место дополнительное (вторичное) гидратообразование.
  3. 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. 
  4. На равновесные условия гидратообразования, помимо состава реагирующих флюидов, оказывают влияние такие факторы, как минералогический состав вмещающих пород, их пористость, влажность, гранулометрический и петрографический составы.
  5. 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».
  6. 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

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

контакте минеральных частиц, а также в виде небольших (толщиной 1-2 мм) прожилок сплошного полупрозрачного гидрата (в местах струйной миграции газа).

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.

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

Номер скважины

Глубина отбора, м

Литология

Степень заполнения пор льдом и незамерзшей водой, %

Свободный поровый объем, см3

Газосодержание при оттаивании, см3

Газопроявляющие горизонты

58-П-2

25,0

Суглинок

99

0,001

0,200

26,0

Песок

99

0,003

0,400

105,0

Суглинок

99

0,001

0,190

58-П-1

27,0

Песок

99

0,002

0,250

100,0

Суглинок

99

0,002

0,250

Горизонты без газопроявлений

52-П-3

25,0-26,0

Суглинок

90

0,05

0,002

94,0-95,0

Суглинок

99

0,001

0,008

58-П-1

20,0-21,0

Песок

95

0,02

> 0,001

79,0-80,0

Песок

94

0,03

0,004

99,0-100,0

Супесь

86

0,07

0,005

109,0-110,0

Песок

91

0,04

0,004

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 13С 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:

  1. 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,
  2. 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.

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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:

  1. Вся территория распространения криолитозоны (кроме участков морозных пород) является потенциально газоносной.
  2. 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).
  3. 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.
  4. 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:

  1. 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.
  2. Отбор и подъем керна вести с максимальной скоростью.
  3. Отобранный керн должен храниться в герметичной упаковке при температурах –5 - -20оС, нельзя допускать его оттаивания.
  4. 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.
  5. 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.>
  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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М., Недра, 1992, 236 с.
  4. 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.
  5. Якушев В.С., Истомин В.А., Перлова Е.В. Ресурсы и перспективы освоения нетрадиционных источников газа в России. Москва, ВНИИГАЗ, 2002, 87 с.
  6. 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.
  7. Строение и свойства пород криолитозоны южной части Бованенковского газоконденсатного месторождения (отв. ред. Е.М.Чувилин) – М., ГЕОС, 2007, 137 с.
  8. 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.


  Подписано к печати «14» апреля  2009 г.

Заказ № ___________

Тираж 130 экз.

1 уч. – изд.л, ф-т 60х84/16

Отпечатано в ООО «ВНИИГАЗ»,

142717, Московская область,

  Ленинский р-н, п. Развилка, ООО «ВНИИГАЗ







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.