Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эффективная теплопроводность гидратосодержащих образцов по результатам лабораторных измерений при различных Р-Т-условиях

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Эффективная теплопроводность гидратосодержащих образцов по результатам лабораторных измерений при различных Р-Т-условиях"

На правах рукописи

ПЕРМЯКОВ Михаил Евгеньевич

ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ОБРАЗЦОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЛАБОРАТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ Р-Т-УСЛОВИЯХ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 2010 003494312

003494312

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения РАН

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Дучков Альберт Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Бондарев Эдуард Антонович

Ведущая организация:

Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва

Защита диссертации состоится 30 апреля 2010 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 003.068.03 при Учреждении Российской академии наук Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения РАН, в конференц-зале.

Адрес: пр-т Ак. Коптюга, 3, Новосибирск-90, 630090

Факс: (383) 333-25-13

e-mail: NevedrovaNN@ipgg.nsc.ru ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН

Автореферат разослан 22 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Манштейн Александр Константинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования является теплопроводность синтетических образцов, содержащих гидраты метана, при разных РТ-условиях.

Предмет исследования. Связь результатов измерения температуры и рассчитанных по ним значений теплопроводности с наличием в образце гидратов метана.

Актуальность исследований. Газовые гидраты - широко распространенные в природе кристаллические вещества. Они образуются и существуют при благоприятных термобарических и геохимических условиях и, как правило, встречаются в осадках глубоких водоемов и областях распространения криолитозоны. Интерес к субмаринным, и особенно поддонным, скоплениям газовых гидратов определяется, прежде всего, тем, что они рассматриваются как резерв углеводородного сырья. По имеющимся оценкам их энергетический потенциал превышает запасы всех прочих горючих ископаемых Земли. В настоящее время не разработаны геофизические методы поиска и оконтуривания поддонных залежей газовых гидратов. В первую очередь это обусловлено недостаточной изученностью физических свойств гидратосодержащих осадков.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью развития геофизических методов поиска гидратсодержащих отложений в осадках водоемов.

Цель работы - обоснование возможности применения геотермического метода для поисков и оконтуривания поддонных скоплений газовых гидратов.

Научная задача - исследовать изменение эффективной теплопроводности гидратосодержащих образцов методом игольчатого зонда постоянной мощности и связь этого параметра с наличием в образцах гидратов метана.

Фактический материал, методы исследования, аппаратура. Фактическим материалом для решения поставленной задачи послужили результаты лабораторных экспериментов, проведенных автором в период с 2004 по 2008 годы в ходе выполнения проектов РФФИ №№05-05-64122-а, 08-05-00804-а и интеграционных проектов СО РАН №121 (2003-2005 гг.), №62 (2009-

2011 гг.). Всего было проведено 32 эксперимента с гидратосодержащими средами и 8 калибровочных. В каждом из них получено в среднем 6 термограмм.

Лабораторные эксперименты проводились на специально созданной установке, расположенной в Институте неорганической химии им. А.В Николаева СО РАН. Она включает следующие функциональные узлы: камера высокого давления, измеритель температуры и теплопроводности (игольчатый зонд с измерительным блоком), термостат, манометр и компьютер.

Основным методом исследования являлся лабораторный эксперимент, в том числе моделирование образцов, имитирующих гидратосодержащие донные осадки, и измерение их теплопроводности при разных температурах и давлениях. Для измерения теплопроводности использовался хорошо обоснованный теоретически метод игольчатого зонда постоянной мощности (Von Herzen, Maxwell, 1959).

Защищаемые научные результаты:

1. Создано измерительное устройство, позволяющее в реальном времени по изменению температуры контролировать динамику образования и разложения газогидратов на протяжении всего лабораторного эксперимента и измерять эффективную теплопроводность гидратосодержащих сред при разных давлениях и температурах.

2. Выявлены геотермические признаки наличия газовых гидратов в среде, заключающиеся в аномальном изменении температуры и эффективной теплопроводности и обусловленные диссоциацией гидратов в результате их нагревания игольчатым зондом постоянной мощности.

Научная новизна работы. Личный вклад:

1. Автор участвовал в разработке и изготовлении экспериментальной установки для моделирования

гидратосодержащих образцов и измерения их тепловых свойств. Им лично изготовлено измерительное устройство, состоящее из игольчатого зонда постоянной мощности и автономного измерителя, которое позволяет осуществлять непрерывный контроль температуры в камере высокого давления и измерять теплопроводность.

2. Автор участвовал в разработке методики моделирования образцов с относительно большим (до 30 масс.%) содержанием равномерно распределенного по объему гидрата путем помещения первичного образца в камеру высокого давления и создания в ней Р-Т-условий, соответствующих стабильному состоянию гидрата метана.

3. Автором лично проведены все лабораторные эксперименты, включающие моделирование гидратосодержащих образцов и измерение их теплопроводности при разных Р-Т-условиях. При этом автор впервые в мировой практике производил исследование эффективной теплопроводности гидратосодержащего образца в процессе диссоциации гидратов.

4. Автор лично выполнял анализ и интерпретацию результатов лабораторных экспериментов, включая расчет значений теплопроводности по разработанной автором процедуре на основе метода наименьших квадратов. При этом им впервые установлено резкое возрастание эффективной теплопроводности гидратосодержащих образцов в процессе диссоциации газогидратов. На основе сравнения результатов, полученных в ходе измерения температуры при разных Р-Т-условиях, сделан вывод о возможности разработки нового геотермического метода обнаружения рассеянных скоплений газогидратов в донных осадках водоемов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на международных и российских конференциях: XLI Международная Научная Студенческая Конференция (Новосибирск, 2003); Вторая и Третья Сибирская международная конференция молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2004, 2006); Научная конференция с участием иностранных ученых «Трофимуковские чтения-2008» (Новосибирск,

2008); Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008); Международный молодежный научный форум «Современные проблемы и будущее геокриологии» (г. Якутск, 2008); Международный семинар по проблемам Арктики «Developing Long Term International Collaboration on Methane Hydrate Research and Monitoring in the Arctic Region» (о. Тексел, Нидерланды,

2009); Международная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений» (Москва, 2009).

Публикации. Материалы диссертации полностью изложены в 18 публикациях, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей Аттестационной комиссией (Доклады АН, Физика Земли), 16 публикаций в трудах и материалах научных конференций.

Практическая значимость результатов. Выполненные экспериментальные исследования существенно расширили представления о закономерностях изменения температурного поля, создаваемого в гидратосодержащей среде размещенным в ней игольчатым зондом постоянной мощности. Полученные результаты позволили выявить аномальные особенности в изменении температуры и расчетной теплопроводности при распаде газовых гидратов. Эти особенности могут быть использованы в качестве индикаторов присутствия газогидратов в донных осадках водоемов и служить основой для развития геотермического метода поисков поддонных скоплений газовых гидратов. Опыт проведения экспериментальных работ может быть использован для исследования и других тепловых свойств (температуропроводности и теплоемкости) гидратосодержащих сред.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 83 наименований. Работа содержит 1 таблицу, 27 рисунков, 18 фотографий и занимает 66 страниц машинописного текста.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю д.г.-м.н. А.Д. Дучкову за большую научную и человеческую поддержку при проведении исследований и написании диссертационной работы, а также за вложенный труд и проявленное терпение при подготовке автора к научной деятельности. Автор благодарит заместителя директора ИНГГ СО РАН, д.т.н. H.H. Ельцова за ценные рекомендации и существенный организационный вклад в процесс работы над диссертацией; заведующего лабораторией естественных геофизических полей к.г.-м.н. П.Г. Дядькова за постоянное внимание к работе автора и советы; к.т.н. С.А. Казанцева за ценные советы по диссертационной работе и помощь при разработке и изготовлении измерительной аппаратуры; к.т.н. J1.C. Соколову, к.ф.-м.н. В.Е. Истомина за внимание к научной деятельности автора на протяжении

ряда лет и полезные советы; д.х.н. А.Ю. Манакова за неоценимую помощь при подготовке аппаратуры и проведении экспериментов; к.х.н. А.Г. Огиенко за помощь при проведении длительных экспериментов. Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам ИНГГ СО РАН Ю.М. Романенко, Д.Е. Аюнову, М.П. Козловой за советы и поддержку на разных этапах работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель и задачи, объект и предмет исследования, излагаются защищаемые научные результаты, а также рассматривается научная и практическая значимость полученных результатов, их новизна, апробация и структура работы.

В Главе 1 приведены сведения о газовых гидратах в природных условиях, представлены методы и результаты исследований теплопроводности гидратов метана и гидратосодержащих осадков, опубликованные в научной литературе.

Интерес к природным газовым гидратам объясняется тем, что они, по некоторым оценкам, содержат значительные запасы метана -от 2-10й м3 до -1.5-1016 м3 (Макогон, 2001; Соловьев, 2002 Kvenvolden, 1993), причем большая их часть (до 98%) приходится на акватории Мирового океана и лишь незначительная (2%) - на арктические территории. Геофизические методы поисков месторождений газовых гидратов в донных осадках акваторий только начинают разрабатываться. В диссертационной работе рассмотрены поисковые возможности геотермических исследований, заключающихся в измерении in situ температуры (Т) и теплопроводности (X) донных осадков. Впервые на это обратил внимание В.А. Голубев (1998). Автор провел серию лабораторных экспериментов по формированию и измерению эффективной теплопроводности гидратсодержащих образцов, в том числе и в ходе диссоциации гидратов. В результате анализа научных публикаций за последние годы автору не удалось найти сведений о проведении аналогичных экспериментов ни в России, ни за рубежом.

-

4 0 5 6

Глава 2 посвящена описанию установки для моделирования и измерения теплопроводности гидратосодержащих сред. Объясняется устройство камеры высокого давления и игольчатого зонда. Приводится схема работы измерителя теплопроводности.

В 2004-2005 гг. сотрудники ИНХ СО РАН и ИГФ СО РАН при непосредственном участии автора спроектировали и изготовили экспериментальную установку, схема которой показана на рисунке 1.

Рис. 1. Установка для моделирования образцов пород,

содержащих газовые гидраты, и измерения их тепло-проводности. 1 цилиндрическая камера высокого давления в разрезе. Внутренний

диаметр - 40 мм, высота -155 мм, 2 - термостат, 3 -устройство для измерения температуры и теплопроводности образца (игольчатый зонд и регистрирующая система), 4 - компьютер, 5 - выпускной вентиль, 6 - манометр, 7 - баллон с метаном.

Камера высокого давления (рис. 2) служит для формирования гидратосодержащего образца. Рабочий объем камеры закрывается двумя обтюраторами - сверху и снизу.

Обтюратор представляет собой сложной формы стальной болт с отверстием вдоль центральной оси, который вместе с гайкой служит для создания уплотнительного усилия при герметизации камеры. Газ в камеру подается через впаянный в верхний обтюратор стальной капилляр, соединенный с газовым баллоном. Нижний обтюратор конструктивно отличается от верхнего только тем, что в него вмонтирован игольчатый зонд,

Рис. 2. Внешний вид камеры высокого давления.

представляющий собой запаянную с одной стороны и заполненную трансформаторным маслом стальную трубку, в которую по всей длине помещен нагреватель (манганиновая проволока), а в середине расположен датчик температуры - термистор ММТ-6 (рис. 3). Зонд располагается по центральной оси рабочей камеры. Длина его составляет 120 мм, диаметр - 2 мм. С помощью зонда температура в камере измеряется с заданной частотой на всех этапах эксперимента. Для этого измеренное сопротивление термистора автомати-чески пересчитывается в температуру с посредством специальной программы. Игольчатый зонд в совокупности с регистрирующей системой, составляет измерительное устройство, функциональная схема которого приведена на рисунке 4. Преимущество этого измерительного устройства заключается в возможности в реальном времени (с частотой 1 раз в секунду) по изменениям температуры и давления контролировать динамику образования и разложения газогидратов на протяжении всего эксперимента.

^масло

120 мм ^термистор

1 ^нагреватель Р

датчик температуры датчик давления

] I

ПК

Рис. 3. Схема (в разрезе) игольчатого зонда в рабочем положении.

Рис. 4. Функциональная схема устройства для измерения температуры и теплопроводности.

В Главе 3 описаны методики формирования в лабораторных условиях образцов, содержащих газовые гидраты метана.

В качестве минеральной составляющей использовалось -200 г кварцевого песка. Ледовый порошок тщательно перемешивался с песком до получения однородной смеси. Далее эта смесь без уплотнения загружалась в рабочую камеру, находящуюся при температуре -10 °С. Затем камера закрывалась и заполнялась газом под давлением, на 2-5 МПа превышающим равновесное. После этого в камере происходило образование гидрата метана. При этом велось непрерывное наблюдение за изменением температуры и давления внутри камеры. Процесс гидратообразования фиксировался по падению давления в системе. Он считался завершенным, если в течение продолжительного времени давление оставалось стабильным. Рисунок 5 иллюстрирует изменение давления и температуры в ходе эксперимента.

0 5 10 15 20 25 30 время (часы)

Рис. 5. Давление и температура внутри рабочей камеры на протяжении эксперимента.

«1» - температура в камере повышается для ускорения гидратообразования. При этом давление сначала растет, а затем резко падает вследствие образования гидрата. «2», «3» - давление в камере поднимается для ускорения гидратообразования. «4», «5» - стабилизация давления - проведение измерений теплопроводности

После завершения образования гидрата давление в камере снижалось до равновесного значения. Далее температура и давление медленно поднимались таким образом, чтобы система постоянно находилась на равновесной кривой сосуществования гидрата, газа и воды, т.е. без образования или разложения гидрата. После этого, в камере устанавливалось давление газа, выбранное для начала измерения теплопроводности. В процессе эксперимента исследуемая среда претерпевает изменения, иллюстрируемые рисунком 6. Начальная двухкомпонентная льдо-песчаная смесь по мере образования гидрата метана на поверхности частиц льда превращается в трехкомпонентную смесь песка, льда и гидрата метана. По окончании процесса плавления льда, в контейнере находится образец, состоящий из песка, равномерно распределенного »V* » «»• » по объему гидрата, воды и газообразного метана. При нагреве этой среды и разложении V'!«)1

газогидрата вблизи зонда, остается V®»**' V®»***

песок и вода. • •

п с- »минеральные частицы

Для получения образцов с %лед к во^а

низким содержанием свободного «газогидрат газ газа, находящегося в виде рис. 6. Схематичное изображе-изолированных включений в Ние компонентного состава верхнюю часть камеры (выше смеси среды на протяжении экспе-песка и молотого льда) вкладывался римента. ледяной цилиндр, объем которого

был равен объему порового пространства образца. После таяния ледяного цилиндра давление резко увеличивалось с тем, чтобы вдавить воду в нижележащий образец. При этом происходило бурное образование гидрата. Такая методика позволяет получить образец, содержащий газ в виде изолированных включений.

В Главе 4 представлены результаты экспериментов по измерению теплопроводности при разных Р-Т-условиях. Исследовались среды: сухой песок, влагонасыщенный песок, лед и песок, содержащий равномерно распределенный по объему гидрат метана.

• ••• - • •«

• • • •

• • •• • • •

Измерения температуры и теплопроводности производились по следующей методике. Регистрация изменения температуры начиналась одновременно с включением нагревателя зонда. Удельная мощность нагревателя составляла от 0.7 до 6.7 Вт/м в разных экспериментах. Продолжительность измерений составляла от ~600 до 7000 секунд. Графики изменения температуры со временем (термограммы) строились в полулогарифмическом масштабе.

На термограммах обычно выделяются три стадии нагрева образца: быстрый нелинейный рост температуры, «линейный» рост температуры (в полулогарифмическом масштабе) и следующее за ним заметное снижение темпа роста температуры вследствие влияния термостатированной стенки камеры высокого давления. При разложении в среде гидрата происходит отбор тепла, и третья стадия может отсутствовать. Значение коэффициента теплопроводности рассчитывается по прямолинейному участку термограммы с использованием соотношения (Von Herzen, Maxwell, 1959):

где <3 - удельная тепловая мощность источника, Тц.1 и Т, -температуры, измеренные в моменты времени и ^ соответственно. Для этого прямолинейный участок аппроксимируется прямой линией по методу наименьших квадратов. В общем случае расчетное значение коэффициента теплопроводности можно получить по любому набору экспериментальных данных, предварительно аппроксимировав его прямой линией. Однако в этом случае рассчитанное значение не может рассматриваться как истинная теплопроводность среды, а является эффективным параметром.

В ходе калибровочных экспериментов было проведено тестирование измерительной аппаратуры и верификация методики измерения. Для этого измерялась теплопроводность компонентов, используемых в дальнейшем при моделировании гидратосодержащих донных осадков, а именно: льда, сухого и водонасыщенного кварцевого песка. В результате установлено, что имеет место хорошая воспроизводимость результатов, а измеренные значения X согласуются с ранее опубликованными в литературе.

Всего автором проведено 32 эксперимента

(продолжительностью по 1,5-2 суток) по моделированию

10

(2),

(TM-Tt)

гидратосодержащих осадков и измерению их теплопроводности. В каждом эксперименте производились измерения X образцов сначала в области термодинамической стабильности гидратов, затем давление сбрасывалось, и измерялась эффективная теплопроводность в процессе разложения гидратов (рис. 5).

В первом случае обычно фиксировались термограммы типа §06 (рис.7). На термограммах такого типа после нелинейного начального участка, устанавливалось длительное равномерное увеличение температуры.

10 100 Время, сек

ГТГ| 1000

Рис. 7. Термограммы, полученные при определении теплопроводности гидратосодержащих образцов. Параметры эксперимента (Р - давление; Тм -максимальная температура, достигнутая в ходе нагрева; Тр - равновесная температура для гидрата метана при данном давлении; (^-удельная мощность нагрева; Храсч - расчетная (эффективная) теплопроводность): е06 - Р = 4,59 МПа, Тм = 3,7 °С, Тр = 5,8 °С; состав (масс. %): песок - 96,2; вода - 1,6; гидрат - 2,2; С^=1.27 Вт/м; Храсч = 0,7 Вт/(м К);

g08 - Р = 3,25 МПа, Тм = 3,3 °С, Тр = 2,2 °С; состав (масс. %): песок - 96,2, вода - 2,2, гидрат -1,6; Ск.=1.29 Вт/м; Храсч = 5,7-4 Вт/(м-К).

Иные результаты получены при измерении X гидратосодержащих образцов при Р-Т-условиях, выходящих за границы области стабильности гидрата метана (термограмма §08 на рис. 7). Термограммы в этих экспериментах приобретают аномальные особенности. При превышении равновесной температуры на 0,8-1°С (через 20-30 секунд после включения нагревателя) происходит заметное снижение темпа роста Т, что как будто указывает на кажущееся внезапное увеличение теплопроводности среды в камере. Расчет Я по этим графикам приводит к аномально высоким значениям. Так, при Р = 3,25 МПа (рис. 7, §08) ХраСч. достигает 4-5 Вт/(м-К).

По мнению автора, причиной аномальных изменений термограмм и расчетной теплопроводности является диссоциация части гидратов вблизи игольчатого зонда под действием тепла, выделяемого нагревателем. При распаде гидрата происходит поглощение тепла (54.19 кДж/моль гидрата метана) и выделение газа с низкой теплопроводностью. Эти процессы противоположно влияют на темп роста температуры зонда: первый вызывает его замедление, а второй - наоборот увеличение. Судя по экспериментальным термограммам, в рассматриваемом случае преобладает именно процесс поглощения тепла, приводящий в итоге к наблюдаемому замедлению роста температуры и, соответственно, к увеличению расчетных значений теплопроводности. Газ, выделяющийся в процессе распада гидратов, по-видимому, мигрирует во внешний объем образца вдоль зонда и по связанным между собой заполненным газом порам и не оказывает заметное влияние на температурное поле зонда. Такой вывод сделан в результате анализа термограмм, полученных в ходе измерения теплопроводности гидратосодержащего образца, в котором поры полностью заполнены водой, и свободный дренаж выделяющегося газа отсутствует. В этом случае эффект накопления газа вблизи игольчатого зонда может быть весьма значительным и способен существенно изменить как вид получаемой термограммы, так и величину Храсч..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований при непосредственном участии автора спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая моделировать образцы донных осадков, содержащие гидраты метана. Установка включает в себя камеру высокого давления, измеритель теплопроводности, термостат, манометр и компьютер. Конструкция установки позволяет формировать гидратосодержащие образцы непосредственно в камере высокого давления и производить в ходе всего эксперимента практически непрерывную регистрацию температуры посредством изготовленного автором игольчатого зонда.

На установке выполнена серия экспериментов по моделированию и измерению теплопроводности гидратсодержащих синтетических образцов. Впервые проведены измерения теплопроводности образцов, в которых в результате нагревания происходит разложение газогидратов. Исследования показали, что метод игольчатого зонда постоянной мощности, широко применяемый в геотермических исследованиях для измерения теплопроводности, может давать корректные результаты, когда температурное поле измеряемой среды не нарушается дополнительными источниками или стоками тепла. В то же время фиксирование аномальных значений теплопроводности фактически позволяет выявить наличие процессов поглощения тепла в изучаемых образцах. Полевые наблюдения (Кутас и др., 2005) подтверждают выводы о возможности использования аномальных термограмм в качестве индикаторов присутствия газовых гидратов в осадках.

Проведенными исследованиями установлено, что нагревание гидратосодержащего вещества приводит к фиксируемым тепловым сигналам, параметры которых определяются концентрацией гидратов, мощностью нагревающего устройства и Р-Т условиями в месте его установки. Выявленные особенности термограмм и аномальный рост расчетных значений теплопроводности являются несомненными признаками (индикаторами) наличия заметного количества гидратов в осадках.

Продолжение исследований в этом направлении позволит развить технологию геотермического метода поисков и картирования поддонных скоплений газовых гидратов. Необходимо в первую

очередь разработать методику количественных оценок содержания гидратов метана в осадке по измерениям теплопроводности в лабораторных условиях и in situ.

На сегодняшний день можно предложить следующую схему поисков поддонных скоплений гидратов метана при помощи геотермического метода.

1. Организация морской (озерной) экспедиции.

2. Измерение теплопроводности осадков in-situ с источниками разной мощности.

3. Выявление в термограммах аномальных особенностей (снижение Т, рост X,), которые указывают на наличие в осадках гидратов метана.

4. Оконтуривание участка дна, в осадках которого по геотермическим данным может содержаться гидрат метана.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пермяков М.Е. К вопросу об измерении теплопроводности гидрата метана в лабораторных условиях // Материалы XLI МНСК : Геология. -Новосибирск: НГУ, 2003. - С. 9-10.

2. Пермяков М.Е. Анализ температурных аномалий, полученных при измерении теплопроводности донных осадков оз. Байкал // Материалы XLII МНСК: Геология. - Новосибирск: НГУ, 2004. - С. 180.

3. Пермяков М.Е. Первые эксперименты по измерению теплопроводности гидратсодержащих пород // Тезисы докладов II Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле. Новосибирск : НГУ, 2004.-С. 138-139.

4. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е. Экспериментальное моделирование и измерение теплопроводности пород, содержащих газовые гидраты, при различных Р-Т-условиях // Четвертая Верещагинская байкальская конференция: Тезисы докладов и стендовых сообщений (Иркутск, 26 сентября - 1 октября, 2005 г.). - Иркутск : Изд-во Института географии им. Б.В. Сочавы СО РАН, 2005. - С. 73-74.

5. Пермяков М.Е. Установка для измерения теплопроводности гидратсодержащих пород // Материалы XLIII МНСК : Геология. - Н-ск : НГУ, 2005.-С. 61-62.

6. Пермяков М.Е. Моделирование гидратсодержащих пород и измерение их теплопроводности // Материалы XLIV МНСК: Геология. - Н-ск : НГУ, 2006-а.-С. 59.

7. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Огиенко А.Г. Экспериментальное моделирование и измерение теплопроводности сред, содержащих газовые гидраты метана // ДАН. - 2006. - Т. 408. - №5. - С. 656659.

8. Duchkov A.D., Manakov A.Yu., Kazantsev S.A., Permyakov M.E., Ogienko A.G. The modeling of the samples of the hydrate containing rocks, using the quartz sand and the measurements of their thermal conductivity // Minerals of the Ocean-3 future developments/ International conference. Abstracts. 19-23 June, 2006. Vniiokeangeologia. St.-Petersburg, Russia. - P. 40-42.

9. Пермяков M.E. Измерение теплопроводности гидратсодержащих образцов из кварцевого песка в лабораторных условиях // Тезисы докладов Третьей Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле. - Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, 2006-6. - С. 183-184.

10. Пермяков М.Е. Измерение теплофизических свойств лабораторных образцов, имитирующих гидратсодержащие осадочные породы // «Трофимуковские чтения-2007»: Труды науч. конф. молодых ученых, аспирантов, студентов. - Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2007. - С. 266-269.

11. Duchkov A.D., Manakov A.Yu., Kazantsev S.A., Permyakov M.E., Ogienko A.G. Results of modeling of hydrate containing rocks and studies of their thermal conductivity // International conference on gas hydrate studies: Abstracts (Listvyanka, 3-8 September, 2007/ T.I. Zemskaya (Ed.) Irkutsk : V.B. Sochava Institute of Geography SB RAS, 2007. - 71 p.

12. Дучков А.Д., C.A. Казанцев, M.E. Пермяков, Истомин B.A., В.Г. Квон, А.Ю. Манаков, А.Г. Огиенко. Экспериментальное моделирование и измерение теплофизических свойств донных отложений водоемов, содержащих газовые гидраты, при разных Р-Т-условиях // Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения (WGRR-2007) : Тезисы докладов I Международной научно-практической конференции 26-27 ноября 2007 г. - М.: ВНИИГАЗ, 2007. - С. 158-159.

13. Пермяков М.Е., Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А. Измерение теплофизических свойств гидратонасыщенных сред // Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». 21-24 апреля 2008 г., г. Тюмень. - Тюмень : ИКЗ СО РАН, 2008. - С. 414-417.

14. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е. Моделирование образцов, содержащих гидраты метана, и измерение их тепловых свойств // Тепловое поле земли и методы его изучения. Сборник научных трудов. Отв. Ред. Ю.А. Попов. - М.: РГГРУ, 2008. - С. 87-92.

15. Пермяков М.Е., Аюнов Д.Е. Измерение тепло- и температуропроводности сред, имитирующих гидратоносные донные осадки // Современные проблемы и будущее геокриологии: Материалы Международной

молодежной конференции, посвященной 100-летаю со дня рождения академика П.И. Мельникова, (5-8 августа 2008 г., г. Якутск, Россия) / Российская акад. наук, Сибирское отделение, Ин-т мерзлотоведения им. П.И. Мельникова; отв. Ред. М.Н. Железняк, О.И. Алексеева. - Якутск : Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2008. - С. 42-44.

16. Пермяков М.Е. К вопросу об измерении тепловых коэффициентов газогидратсодержащих пород // «Трофимуковские чтения-2008». Труды всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых. Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука СО РАН. - Новосибирск, 2008. - Т.2. - С. 249-251.

17. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Огиенко А. Г. Измерение теплопроводности синтетических образцов донных осадков, содержащих гидраты метана // Физика Земли, 2009. - №8. - С. 42-50.

18. Пермяков М.Е., Дучков А.Д., Казанцев СЛ., Манаков А.Ю. Геотермический метод поисков поддонных скоплений гидратов метана: результаты лабораторных исследований // Программа и тезисы докладов Международной конференции «Перспективы освоения ресурсов газогидратных месторождений». Москва, РГУ Нефти и Газа им. И.М. Губкина, 17.11.2009-18.11.2009.-С. 54-55.

_Технический редактор Т.Л.Халина_

Подписано в печать 11.03.2009 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печ. л. 0,9. Тираж 120. Зак. № 39_

ИНГГ СО РАН, ОИТ, пр-т Ак. Коптюга, 3, Новосибирск, 630090

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пермяков, Михаил Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГИДРАТОВ МЕТАНА И ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ОСАДКОВ.

1.1 Общие сведения о гидратах метана и поддонных скоплениях гидратосодержащих осадков.

1.2. Методы поисков поддонных скоплений газовых гидратов.

1.3. Методы и средства измерения теплопроводности гидратов метана и гидратосодержащих образцов в лабораторных условиях.

1.4. Результаты измерения коэффициентов теплопроводности гидратов метана и гидратосодержащих образцов в лабораторных условиях.

1.5. Выводы.

Глава 2. УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ СРЕД.

2.1. Камера высокого давления.

2.2 Игольчатый зонд для измерения теплопроводности образцов.

2.2.1. Датчик температуры.

2.2.2. Нагреватель.

2.3. Измерительное устройство.

2.4. Термостат.

2.5. Давление.

2.6. Вспомогательные инструменты.

2.7. Выводы.

Глава 3. МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ, СОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ МЕТАНА, В

ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1. Методика 1.

3.2. Методика 2.

3.3. Выводы.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ.

4.1 Методика расчета коэффициента теплопроводности.

4.2. Калибровочные эксперименты.

4.2.1 Лед.

4.2.2 Сухой кварцевый песок.

4.2.3. Водонасыщенный кварцевый песок.

4.3. Измерение теплопроводности гидратосодержащих образцов.

4.3.1. Подготовка и проведение эксперимента.

4.3.2. Результаты измерений теплопроводности гидратосодержащих сред и их интерпретация.

4.4. Сопоставление результатов лабораторных экспериментов с измерениями теплопроводности донных осадков in situ.

4.5. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Эффективная теплопроводность гидратосодержащих образцов по результатам лабораторных измерений при различных Р-Т-условиях"

Актуальность исследований. Газовые гидраты - кристаллические, макроскопически льдоподобные вещества, образующиеся при сравнительно низких (но не обязательно отрицательных) температурах и достаточно высоких давлениях из воды и газа. В природе газом-гидратообразователем является, главным образом, метан (СН4). Природные газовые гидраты образуются и существуют при благоприятных термобарических и геохимических условиях и, как правило, встречаются в осадках глубоких водоемов, а также в областях распространения криолитозоны. В настоящее время хорошо известно о широкой распространенности гидратов метана в осадках окраинных морей и пресноводного озера Байкал при глубине воды от 300-400 м [Истомин, Якушев, 1992; Гинсбург, Соловьев, 1994; Дучков и др., 2008]. Интерес к субмаринным, и особенно поддонным, скоплениям газовых гидратов определяется, прежде всего, тем, что они рассматриваются как резерв углеводородного сырья. По имеющимся оценкам их энергетический потенциал превышает запасы всех прочих горючих ископаемых Земли. Известно также, что гидратсодержащие отложения весьма чувствительны к техногенным изменениям разных масштабов, что необходимо учитывать при строительстве подводных сооружений и скважин. В этой связи, очевидно, что важной проблемой является поиск и оконтуривание поддонных залежей газовых гидратов, строение которых пока изучено недостаточно. Не разработаны геофизические методы поиска и оконтуривания таких объектов. Решение этих проблем сдерживается в первую очередь недостаточной изученностью физических свойств гидратосодержащих осадков. Сравнительно недавно была высказана идея о возможности использования для поисков поддонных скоплений гидратов геотермического метода, а именно измерения теплопроводности осадков специальными зондами [Голубев, 1998].

Автором вместе с коллегами из ИНГГ и ИНХ СО РАН проведены лабораторные исследования, направленные на обоснование указанного геотермического метода поисков газогидратов в донных осадках водоемов. Исследования включали моделирование гидратсодержащих образцов и измерения их теплопроводности при разных Р-Т-условиях. В итоге были установлены четкие индикаторы (аномальные изменения температуры и расчетной теплопроводности осадков) наличия газовых гидратов в модельных образцах. Эти результаты составляют основу предложенной автором методики обнаружения поддонных скоплений газогидратов.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью развития геофизических методов поиска гидратсодержащих отложений в осадках водоемов.

Объект исследования. Теплопроводность синтетических образцов, содержащих гидраты метана, при разных Р-Т-условиях.

Цель исследования. Обоснование возможности применения геотермического метода для поисков и оконтуривания поддонных скоплений газовых гидратов.

Предмет исследования. Связь результатов измерения температуры и рассчитанных по ним значений теплопроводности с наличием в образце гидратов метана.

Научная задача. Исследовать изменение эффективной теплопроводности гидратосодержащих образцов методом игольчатого зонда постоянной мощности и связь этого параметра с наличием в образцах гидратов метана.

Задача решалась в несколько этапов путем постановки и проведения ряда лабораторных экспериментов с помощью специально изготовленной установки:

1. Создание и запуск в эксплуатацию экспериментальной установки, позволяющей моделировать гидратосодержащие образцы и измерять их теплопроводность с помощью игольчатого зонда постоянной мощности;

2. Моделирование гидратсодержащих образцов;

3. Измерение теплопроводности гидратсодержащих образцов при различных Р-Т-условиях, приводящих гидраты в стабильное или нестабильное состояния;

4. Интерпретация результатов измерений: расчеты теплопроводности, регистрация эффектов поглощения тепловой энергии при диссоциации гидратов.

Фактический материал, методы исследования, аппаратура. Фактическим материалом для решения поставленной задачи послужили результаты лабораторных экспериментов, проведенных автором в период с 2004 по 2008 годы в ходе выполнения проектов РФФИ №№05-05-64122-а, 08-05-00804-а и интеграционных проектов СО РАН №121 (2003-2005 гг.), №62 (2009-2011 гг.). Всего было проведено 32 эксперимента с гидратосодержащими средами и 8 калибровочных. В каждом из них было получено в среднем 6 термограмм.

Лабораторные эксперименты проводились на оригинальной установке, расположенной в Институте неорганической химии им. А.В Николаева СО РАН. Она включает следующие функциональные узлы: камера высокого давления, измеритель теплопроводности (игольчатый зонд с измерительным блоком), термостат, манометр и компьютер.

Основным методом исследования являлся лабораторный эксперимент, в том числе моделирование образцов, имитирующих гидратосодержащие донные осадки, и измерение их теплопроводности при разных температурах и давлениях. Для измерения теплопроводности использовался хорошо обоснованный теоретически метод игольчатого зонда постоянной мощности [Von Herzen, Maxwell, 1959].

Достоверность полученных результатов определяется использованием при моделировании гидратсодержащих образцов специально изготовленной установки высокого давления и методики формирования образца, при разработке которых учтен многолетний опыт исследований газовых гидратов в ИНХ СО РАН. Созданная установка позволяет уверенно получать образцы с высоким содержанием гидрата (до 30 масс.%). Для измерения теплопроводности использован хорошо теоретически обоснованный метод игольчатого зонда постоянной мощности. Высокая точность (до 0,02°С) регистрации температуры, как при моделировании образцов, так и при измерении теплопроводности определяется использованием высокоточного цифрового измерителя ГЕТАС, разработанного в ИГФ СО РАН. В качестве датчиков температуры использованы высокоомные терморезисторы, предварительно отградуированные на специальном лабораторном стенде по ртутным термометрам с ценой деления 0,01°С. Работа измерительного блока проконтролирована серией тестовых (измерение теплопроводности сухого песка, льда и др.) и повторных экспериментов. При интерпретации результатов измерений учтён отечественный и зарубежный опыт изучения физических свойств гидратсодержащих осадков.

Защищаемые научные результаты:

1. Создано измерительное устройство, позволяющее в реальном времени по изменению температуры контролировать динамику образования и разложения газогидратов на протяжении всего лабораторного эксперимента и измерять эффективную теплопроводность гидратосодержащих сред при разных давлениях и температурах.

2. Выявлены геотермические признаки наличия газовых гидратов в среде, заключающиеся в аномальном изменении температуры и эффективной теплопроводности и обусловленные диссоциацией гидратов в результате их нагревания игольчатым зондом постоянной мощности.

Научная новизна работы. Личный вклад:

1. Автор участвовал в разработке и изготовлении экспериментальной установки для моделирования гидратосодержащих образцов и измерения их тепловых свойств. Им лично изготовлено измерительное устройство, состоящее из игольчатого зонда постоянной мощности и автономного измерителя, которое позволяет осуществлять непрерывный контроль температуры в камере высокого давления и измерять теплопроводность.

2. Автор участвовал в разработке методики моделирования образцов с относительно большим (до 30 масс.%) содержанием равномерно распределенного по объему гидрата путем помещения первичного образца в камеру высокого давления и создания в ней Р-Т-условий, соответствующих стабильному состоянию гидрата метана.

3. Автором лично проведены все лабораторные эксперименты, включающие моделирование гидратосодержащих образцов и измерение их теплопроводности при разных Р-Т-условиях. При этом автор впервые в мировой практике производил исследование эффективной теплопроводности гидратосодержащего образца в процессе диссоциации гидратов.

4. Автор лично выполнял анализ и интерпретацию результатов лабораторных экспериментов, включая расчет значений теплопроводности по разработанной автором процедуре на основе метода наименьших квадратов. При этом им впервые установлено резкое возрастание эффективной теплопроводности гидратосодержащих образцов в процессе диссоциации газогидратов. На основе сравнения результатов, полученных в ходе измерения температуры при разных Р-Т-условиях, сделан вывод о возможности разработки нового геотермического метода обнаружения рассеянных скоплений газогидратов в донных осадках водоемов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на международных и российских конференциях: XLI Международная Научная Студенческая Конференция (г. Новосибирск, 2003); Вторая и Третья Сибирская международная конференция молодых ученых по наукам о Земле (г. Новосибирск, 2004, 2006); Научная конференция с участием иностранных ученых «Трофимуковские чтения-2008» (г. Новосибирск, 2008); Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (г. Тюмень, 2008); Международный молодежный научный форум «Современные проблемы и будущее геокриологии» (г. Якутск, 2008); Международный семинар по проблемам Арктики «Developing Long Term International

Collaboration on Methane Hydrate Research and Monitoring in the Arctic Region» (о. Тексел, Нидерланды, 2009); Международная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений» (г. Москва, 2009).

Публикации. Материалы диссертации полностью изложены в 18 публикациях, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей Аттестационной комиссией (Доклады АН, «Физика Земли»), 16 публикаций в трудах и материалах научных конференций.

Практическаязначимостьрезультатов. Выполненные экспериментальные исследования существенно расширили представления о закономерностях изменения температурного поля, создаваемого в гидратосодержащей среде размещенным в ней игольчатым зондом постоянной мощности. Полученные результаты позволили выявить аномальные особенности в изменении температуры и расчетной теплопроводности при распаде газовых гидратов. Эти особенности могут быть использованы в качестве индикаторов присутствия газогидратов в донных осадках водоемов и служить основой для развития геотермического метода поисков поддонных скоплений газовых гидратов. Опыт проведения экспериментальных работ может быть использован для исследования и других тепловых свойств (температуропроводности и теплоемкости) гидратосодержащих сред.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 83 наименований. Работа содержит 1 таблицу, 27 рисунков, 18 фотографий и занимает 66 страниц машинописного текста.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Пермяков, Михаил Евгеньевич

3.3. Выводы:

В результате проведенных исследований разработаны и опробованы методики формирования гидратосодержащих образцов, имитирующих реальные донные осадки.

• Методика 1 позволяла получать образцы с развитой системой связанный друг с другом пор (открытая пористость). В результате газ, образовывавшийся при разложении гидрата вблизи игольчатого зонда, беспрепятственно мигрировал вглубь среды.

• Для получения образцов с низким содержанием свободного газа, находящегося в виде изолированных друг от друга и от внешнего газового объема включений, использовалась методика 2.

• Несмотря на то, что экспериментальные образцы являются весьма упрощенной моделью реальных донных осадков, описанные методики позволяют получать лабораторные образцы, пригодные для исследования и получения качественно верной информации о влиянии локального нагрева реальной гидратосодержащей среды игольчатым зондом на температуру этой среды.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Эксперименты нацелены на установление связи между результатами измерения игольчатым зондом температуры и теплопроводности среды и наличием в ней газовых гидратов. В ходе экспериментов с помощью игольчатого зонда производился локальный нагрев среды и измерение ее теплового отклика.

4.1 Методика расчета коэффициента теплопроводности.

Во всех экспериментах для измерения теплопроводности автор применял предложенный еще в 1959 году, теоретически обоснованный и широко используемый на практике при измерении теплопроводности, метод игольчатого зонда постоянной мощности [Von Herzen, Maxwell, 1959].

Измерение производилось по следующей методике. Через нагреватель игольчатого зонда пропускался ток и одновременно, раз в секунду, производилась автоматическая регистрация изменения температуры зонда со временем. Удельная мощность нагревателя составляла от 0.7 до 6.7 Вт/м в разных экспериментах. Продолжительность измерений составляла от -600 до 7000 секунд.

Данные записывались на жесткий диск компьютера, после чего строился график изменения температуры со временем, причем время по оси абсцисс откладывалось в логарифмическом, а температура по оси ординат - в линейном масштабе (полулогарифмический масштаб) [Пермяков, 2006-а; Пермяков, 2006-б]. Такое представление данных является наиболее удобным для обработки (рис. 4.1).

В том случае, когда единственным источником тепла в среде является нагреватель игольчатого зонда (т.е. отсутствуют источники и стоки тепла, вызванные процессом фазового перехода), на графике выделяются три стадии нагрева образца: быстрый нелинейный рост температуры, обусловленный прогревом самого игольчатого зонда, линейный рост температуры (в полулогарифмическом масштабе) и следующее за ним заметное снижение темпа роста температуры вследствие влияния термостатированной стенки камеры высокого давления. При разложении в среде гидрата происходит отбор тепла, и третья стадия может отсутствовать. Границы между стадиями (моменты времени ti и t2 на рис. 4.1) при обработке экспериментальных данных определяются эмпирически, на основании визуального анализа, что оправдано простотой такого подхода и тем, что погрешность при этом не превышает таковую при более формализованном подходе (описан ниже).

Продолжительность первой стадии определяется мощностью нагревателя, теплопроводностью среды, с которой контактирует зонд, начальной температурой среды и составляет в большинстве экспериментов 20-30 секунд. Вторая стадия продолжается 100-200 секунд, в зависимости от теплопроводности среды. Данные, относящиеся именно к этой стадии, используются при расчете коэффициента теплопроводности. На третьей стадии нагрева тепловой сигнал достигает стенки камеры, которая поддерживается термостатом при постоянной температуре. Здесь, если продолжать измерение, будет наблюдаться стабилизация температуры на одном значении. Наступит стационарный режим нагрева.

Температурное поле, создаваемое в среде игольчатым зондом, описывается решением уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах [Карслоу, Егер, 1964]:

T(r,t) = T0 О

4 кХ

Ei 2 Л Г v4 at j

4.1) здесь Q - удельная тепловая мощность источника, г — расстояние от оси источника тепла, t - время, X - коэффициент теплопроводности, а -коэффициент температуропроводности, Ei - интегральная показательная

00 -и г€

Ei(s)= —du и функция. s (4.2)

Рис. 4.1. Термограмма, полученная при измерении теплопроводности гидратосодержащей среды, находящейся при Р-Т-условиях стабильности гидрата метана. Цифрами обозначены стадии нагрева: стадия 1 соответствует временному интервалу от начала измерения до момента ti; стадия 2 - от момента ti до момента t2; стадия 3 - от момента t2 до окончания измерения. Красная линия над термограммой - «опорная прямая». Пояснения в тексте.

Приведенные соотношения справедливы для бесконечно тонкого и длинного источника тепла постоянной мощности, помещенного в однородную изотропную среду. Реальный же зонд имеет конечные размеры, поэтому для применения математического аппарата, разработанного для идеального зонда, необходимо чтобы длина зонда превосходила его диаметр в 25-30 раз [Blackwell, 1953, Blackwell, 1956]. В нашем случае это отношение равно 60 (длина 120 мм, диаметр 2 мм).

При t»r /а выражение (4.1) асимптотически стремится к

0 f 4 Шл

4 тгЛ V

Br' у

4.3) где В=1.7811.- постоянная Эйлера [Von Herzen and Maxwell, 1959].

В нашем случае это асимптотическое соотношение начинает работать с t= 10 сек (г=10"3 м, а>10"7 м2/с). В полулогарифмическом масштабе этой зависимости соответствует прямая линия, наклон которой к оси времени обратно пропорционален искомой теплопроводности, т.е. чем круче линейная часть термограммы, тем меньше А,, и наоборот: Q fa 0,4,/О ~ (Тм -Т,) ^ где - расчетная теплопроводность на временном интервале [tj,tj+i], Q -удельная мощность нагревателя, Tj и Tj+i - температуры в соответствующие моменты времени.

Для расчета теплопроводности прямолинейный участок термограммы (стадия 2 на рис. 4.1) аппроксимируется прямой линией по методу наименьших квадратов, после чего, зная удельную мощность нагревателя Q и наклон прямой

Т -Т

1п(/. It.} ' можно п0 соотношению (4.4) рассчитать значение коэффициента теплопроводности [Von Herzen and Maxwell, 1959].

Для выделения рабочего участка термограммы (стадия 2) можно использовать два подхода. Причем в обоих случаях задача состоит в разграничении второй и третьей стадии нагрева (момент времени t2 на рисунке 4.1), поскольку, основываясь на многочисленных экспериментах, начало отсчета второй стадии можно принять за 30 секунд.

Первый подход, формальный, строится по принципу рекурсии и заключается в сравнении значения теплопроводности, посчитанного по начальному набору из п точек (Хп) со значением теплопроводности, посчитанным по набору из n+i точек (A^+j). На каждом последующем шаге сравнения значение i увеличивается до тех пор, пока не перестанет выполняться условие

А,. К n+i ----(4.5), где s - заданная погрешность счета, равная 0.02 Вт/(м-К) (как показывает опыт, погрешность измерения температуры не приводит к большей погрешности расчета, а возрастание погрешности счета свыше указанного значения связано именно с переходом от второй стадии нагрева к третьей).

Верхняя граница линейного участка термограммы при этом соответствует координате по оси времени (п+к)-й точки, где к - максимальное из всех значений i, удовлетворяющих условию (4.5).

Следует отметить, что выбор начального набора из п точек, тем не менее, основывается на визуальном анализе.

Второй, эмпирический подход, основывается на визуальном определении прямолинейного участка на кривой температура-время в полулогарифмических координатах. Для этого на графике с помощью стандартных графических средств проводится опорная прямая (красная прямая на рис. 4.1), с которой визуально сравнивается прямолинейный участок экспериментальной кривой.

Практика применения обоих подходов одновременно показала, что коэффициент теплопроводности, рассчитанный при формальном подходе, отличается от коэффициента теплопроводности, посчитанного при эмпирическом подходе, не более, чем на 3-5%, тогда как разброс расчетных значений теплопроводности, обусловленный неконтролируемыми нами процессами (неоднородность среды, распределение гидрата метана, а также воды и газовых пузырей после таяния льда и т.д.), может составлять до 10% и более (при измерении вблизи фазовой границы гидрата метана). При этом формализованный подход сложнее и требует существенных затрат времени, поэтому для расчета теплопроводности чаще используется эмпирический подход.

В целом, описанная методика позволяет не ограничиваться использованием прямолинейного участка термограммы, а получать расчетное значение коэффициента теплопроводности по любому набору экспериментальных данных, предварительно аппроксимировав его прямой линией. Однако в этом случае следует понимать, что рассчитанное значение не может рассматриваться как истинная тепловая характеристика среды, а является неким эффективным параметром, поскольку отклонение от линейного (в полулогарифмических координатах) роста температуры со временем означает, что изменение температуры определяется не только теплопроводностью среды, но и другими факторами, влияющими на перенос тепла.

4.2. Калибровочные эксперименты

В ходе калибровочных экспериментов было проведено тестирование измерительной аппаратуры и верификация методики измерения теплопроводности, адаптированной к нашим экспериментам. Для этого измерялась теплопроводность компонентов, используемых в дальнейшем при моделировании гидратосодержащих донных осадков, а именно: льда, сухого и водонасыщенного кварцевого песка.

Для экспериментов был выбран песок месторождения «Арал», состоящий преимущественно из кварца (98.39 %) с незначительными примесями оксида железа (0.13% Fe203) и других компонентов. Из исходного песка была выделена фракция 0.1 -0.2 мм. Зерна кварца хорошо окатанны и имеют округлую форму. В полученном песке содержание кварца составило 98.75%.

Значение минеральной плотности песка, использованного автором в экспериментах, было получено в результате следующей процедуры. В мерный цилиндр заливалась дистиллированная вода, и засыпалось некоторое количество песка, предварительно взвешенного. Изменение уровня воды в цилиндре соответствовало объему засыпанного песка. Измеренное таким образом значение плотности минерального скелета составило 2.55 г/см"3. Кроме того, с помощью мерного цилиндра была оценена насыпная плотность песка, т.е. масса единицы объема насыпанного без уплотнения песка. Ее значение составило 1.59 г/см"'.

4.2.1 Лед

Для получения образцов чистого монолитного льда использовалась следующая методика. Небольшой (по сравнению с камерой высокого давления) объем дистиллированной воды охлаждался до +5 °С и подвергался дегазации путем барботирования через него гелия. Далее вода заливалась в камеру высокого давления, предварительно охлажденную до -15 °С. После замерзания воды процедура повторялась до полного заполнения камеры. Всего, таким образом, загружалось 5-10 порций воды. В результате применения такой методики послойной загрузки удавалось избежать растрескивания образца вследствие резкого изменения объема при замерзании воды. После завершения формирования образца температура поднималась до -10 °С и проводились измерения теплопроводности.

Всего выполнено 4 разделенных по времени измерения теплопроводности на одном образце. При этом получены практически одинаковые термограммы (рис. 4.2). Среднее значение коэффициента теплопроводности (КТП) льда по 4 измерениям составляет 2.27±0.12 Вт/(м К) [Дучков и др., 2009]. Весьма близкие значения (2.20-2.23 Вт/(м-К)) приводятся для льда и другими исследователями [Ashworth, Johnson, Lai, 1985; Waite et al., 2002-a; Истомин, Якушев, 1992].

-10.0

10 40 100 время, сек

Рис. 4.2. Термограммы, полученные при измерениях на намороженных в установке образцах монолитного льда. Вертикальные линии ограничивают прямолинейные участки кривых, использованных при расчете коэффициентов теплопроводности.

ГО

Q. I

ГО

CL Ф С

CD I—

-8.8-1 -9.0-9.2-9.4-9.6 -9.8

4.2.2 Сухой кварцевый песок

В этом эксперименте кварцевый песок засыпался в камеру высокого давления до полного ее заполнения без дополнительной утрамбовки, после чего объем камеры охлаждался до +2 °С (что также равно начальной температуре во всех экспериментах с гидратосодержащими средами).

Измерения проводились при трех различных значениях давления метана внутри камеры: ~0.1 МПа (атмосферное давление), 2 МПа и 5 МПа. Всего при давлении 0.1 МПа было выполнено 6 измерений, разнесенных по времени, при давлении 2 МПа - 4 измерения, при давлении 5 МПа - 5 измерений.

Термограммы, полученные при одном и том же давлении, практически не различаются (рис. 4.3). Результаты для удобства представления сведены в таблицу 4.1.

1 10 100 время, сек

Рис. 4.3. Термограммы, полученные при измерении теплопроводности сухого песка. Вертикальные линии ограничивают участки кривых, использованных при расчете коэффициентов теплопроводности. Верхний «пучок» термограмм соответствует давлению 0.1 МПа, средний - давлению 2 МПа, нижний - давлению 5 МПа.

Как и ожидалось, теплопроводность среды незначительно увеличивается, поскольку с давлением увеличивается теплопроводность метана [Варгафтик, 1972]. На структуру образца рост давления газа в данном случае не оказывает влияния ввиду того, что пористость открытая.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Природные газовые гидраты содержат значительные запасы метана - от 2-1014 м3 до —1.5-1016 м3. Большая часть газогидратов (98%) приходится на осадки акваторий Мирового океана. На сегодняшний день не существует надежных геофизических методов поисков и оконтуривания поддонных залежей гидратов. В настоящей работе рассмотрены поисковые возможности геотермических исследований, заключающихся в измерении температуры (Т) и теплопроводности (А,) донных осадков in situ.

В результате выполненных исследований при непосредственном участии автора спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая моделировать образцы содержащих гидраты метана донных осадков. Установка включает в себя камеру высокого давления, измеритель теплопроводности (игольчатый зонд с измерительным блоком), термостат, манометр и компьютер. Конструкция установки позволяет формировать гидратосодержащие образцы непосредственно в камере высокого давления и производить в ходе всего эксперимента практически непрерывную регистрацию температуры посредством изготовленного автором игольчатого зонда. Для исследования влияния локального нагрева игольчатым зондом гидратосодержащей среды на температуру и эффективную теплопроводность этой среды разработаны и применены оригинальные методики изготовления гидратосодержащих образцов.

На установке выполнена серия экспериментов, объясняющих реально наблюдающиеся аномалии теплопроводности при ее измерении in situ. Впервые проводились измерения температуры в ходе нагрева среды, в которой происходит разложение газогидрата. Исследования показали, что метод игольчатого зонда постоянной мощности, широко применяемый в геотермических исследованиях для измерения теплопроводности, может давать корректные результаты, когда температурное поле измеряемой среды не нарушается дополнительными источниками или стоками тепла. В то же время фиксирование аномальных значений теплопроводности фактически позволяет выявить наличие процессов теплопереноса в изучаемых осадках. Полевые наблюдения подтверждают выводы о возможности использования аномальных термограмм в качестве индикаторов присутствия газовых гидратов в осадках. Тщательный анализ температурных записей во время измерений in-situ температуры и теплопроводности дает важную информацию о природе геотермических параметров.

Проведенными исследованиями установлено, что нагревание гидратосодержащего вещества приводит к фиксируемым тепловым сигналам, параметры которых определяются наличием и количеством гидратов, мощностью нагревающего устройства и Р-Т условиями в месте его установки. Выявленные усложнения термограмм и аномальный рост расчетных значений теплопроводности являются несомненными признаками (индикаторами) наличия заметного количества гидратов в осадках. Если ранее обсуждался вопрос о возможности рассмотрения в поисковых целях локальных аномалий на термограммах [Голубев, 1998; Kutas et al., 2005], то наши наблюдения значительно расширяют поисковый арсенал. Открываются новые возможности использования геотермического метода и, в первую очередь, измерений теплопроводности in-situ при поисках поддонных скоплений газовых гидратов.

Продолжение исследований в этом направлении позволит развить технологию геотермического метода поисков и картирования поддонных скоплений газовых гидратов. Необходимо в первую очередь разработать методику количественных оценок содержания гидратов метана в осадке по измерениям теплопроводности в лабораторных условиях и in situ.

На сегодняшний день можно предложить следующую схему поисков поддонных скоплений гидратов метана при помощи геотермического метода.

1. Организация морской (озерной) экспедиции.

2. Измерение теплопроводности осадков in-situ с источниками разной мощности.

3. Выявление в термограммах аномальных особенностей (снижение Т, рост А,), которые указывают на наличие в осадках гидратов метана.

4. Оконтуривание участка дна, в осадках которого по геотермическим данным может содержаться гидрат метана.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пермяков, Михаил Евгеньевич, Новосибирск

1. Афанасьева Л.Д., Гройсман А.Г. Теплофизические характеристики гидрата метана. // Исследования и рекомендации по совершенствованию разработки полезных ископаемых северных и восточных районов СССР. -4.1.-Якутск, 1973.-С. 103-104.

2. Балобаев В.Т., Володько Б.В., Девяткин В.Н., Левченко А.И., Русаков В.Г. Руководство по применению полупроводниковых терморезисторов для геотермических измерений. Якутск : Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1985.-48 с.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

4. Васильев В.Г., Макогон Ю.Ф., Требин Ф.Г. и др. Свойство природных газов находиться в земной коре в твердом состоянии и образовывать залежи. // Сборник открытий СССР, 1968. М. : ЦНИИПИ, 1970.

5. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. СПб. : ВНИИОкеангеология, 1994. 192 с.

6. Голубев В.А. Свидетельства присутствия газогидратов в верхнем слое донных осадков озера Байкал : результаты измерений теплопроводности in situ. // Доклады РАН, 1998. Т. 358. - № 3. - С. 384-388.

7. Гольмшток А.Я., Дучков А.Д., Рощина Н.А. О возможности обнаружения донных скоплений газовых гидратов геотермическим методом // Вопросы геофизики. Вып. 38. СПб. : изд-во С.-Петерб. ун-та. 2005. - С. 130-147. (Ученые записки СПбГУ; № 438).

8. Гройсман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. -Новосибирск: Наука, 1985.

9. Дмитриевский А.Н., Баланюк И.Е. Газогидраты морей и океанов -источник углеводородов будущего. М. : ООО «ИРЦ Газпром», 2009. -416 с.

10. Дучков А.Д. Газогидраты метана в осадках оз. Байкал // Российский химический журнал, 2003. Т. XLVII(3). - С. 91-100.

11. Дучков А.Д., Казанцев С.А., Дучков А.А. Экспериментальное изучение вариаций температуры дна глубоководной части Южно-Байкальской впадины // Докл. РАН, 2005. Т. 403. - № 5. - С. 682-684.

12. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Огиенко А.Г. Экспериментальное моделирование и измерение теплопроводности пород, содержащих гидраты метана // ДАН. 2006. - Т. 408. - №5. - С. 656-659.

13. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Огиенко А.Г. Измерение теплопроводности синтетических образцов донных осадков, содержащих гидраты метана // Физика Земли, 2009. №8. - С. 42-50.

14. Дядин Ю.А., Гущин A.JI. Газовые гидраты // Соросовский образовательный журнал, 1998. №3. - С. 55-64.

15. Истомин В.А., Якушев B.C. Газовые гидраты в природных условиях. М. : Недра, 1992.-С. 5, 236.

16. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М. : Наука, 1964. -488 с.

17. В.Н. Кобранова. Петрофизика. М. : Недра, 1986. - С. 196-227.

18. Кутас Р.И., Кравчук О.П., Бевзюк М.И. Диагностика газогидратоносности придонного слоя осадков Черного моря по результатам измерения их теплопроводности in situ // Геофизический журнал. 2005. Т. 27. - № 2. -С. 238-244.

19. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М. : Недра, 1974.

20. Макогон Ю.Ф. Природные газогидраты : открытие и перспективы. Газовая промышленность, 2001. №5. - С. 10-16.

21. Матвеев В.Г., Рот А.А. Новые разработки аппаратуры для автоматизации морских геотермических исследований на шельфе. Геотермические исследования на дне акваторий. М. :Наука, 1988. - С. 98-107.

22. Матвеева Т.В., Соловьев В.А. Газовые гидраты Охотского моря : закономерности формирования и распространения // Российский химический журнал, 2003. т.ХЬУП(З). - С. 101-111.

23. Пермяков М.Е. К вопросу об измерении теплопроводности гидрата метана в лабораторных условиях // Материалы XLI MHCK : Геология. -Новосибирск : НГУ, 2003. С. 9-10.

24. Пермяков М.Е. Анализ температурных аномалий, полученных при измерении теплопроводности донных осадков оз. Байкал // Материалы XLII МНСК : Геология. Новосибирск : НГУ, 2004. - С. 180.

25. Пермяков М.Е. Первые эксперименты по измерению теплопроводности гидратсодержащих пород // Тезисы докладов II Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле. Новосибирск : НГУ, 2004. С. 138-139.

26. Пермяков М.Е. Установка для измерения теплопроводности гидратсодержащих пород // Материалы XLIII МНСК : Геология. Н-ск : НГУ, 2005.-С. 61-62.

27. Пермяков М.Е. Моделирование гидратсодержащих пород и измерение их теплопроводности // Материалы XLIV МНСК : Геология. Н-ск : НГУ, 2006-а. - С. 59.

28. Соловьев В.А. Глобальная оценка количества газа в субмаринных скоплениях газовых гидратов // Геология и геофизика. Т.43. - N7. - 2002. -С. 648-661.

29. Соловьев В.А. Природные газовые гидраты как потенциальное полезное ископаемое // Российский химический журнал. Т. 48. - №3. - 2003. - С. 59-69.

30. Ступак П.М., Айзен A.M., Ямпольский Н.Г. К вопросу определения теплопроводности методом коаксиальных цилиндров // Инженерно-физический журнал. Т. 19. - №1. - 1970. - С. 74-78.

31. Чувилин Е.М., Козлова Е.В. Исследования формирования мерзлых гидратосодержащих пород // Криосфера Земли, 2005. Т. IX. - №1. - С.73-80.

32. Якушев B.C. Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. М. : ВНИИГАЗ. - 2009. - 192 с.

33. Ashworth, Т., Johnson, L.R., Lai, L-P. Thermal conductivity of pure ice and tetrahydrofuran clathrate hydrates // High temperatures high pressures. — 1985. -Vol. 17. -P. 413-419.

34. Bagirov, E. and Lerche, I. Hydrates represent gas source, drilling hazard // Oil and Gas Journal. 1997. - Vol. 95(48). - P. 99-104.

35. J.H. Blackwell. Radial-axial heat flow in regions bounded internally by circular cylinders. // Canadian Journal of Physics. Vol. 31. - 1953. - P. 472^179.

36. J.H. Blackwell. The axial-flow error in the thermal-conductivity probe. // Canadian Journal of Physics. Vol. 34. - 1956. - P. 412-^17.

37. Chaouch, A. and Briaud, J.L. Post melting behavior of gas hydrate in soft ocean sediments // Offshore Technology Conference 1 (OTC 8298). 1997. - P. 217224.

38. Cicerone, R.G. and Oremland, R.S. Biogeochemical aspects of atmospheric methane // Global Biochemical Cycles. Vol. 2 (4). - 1988. - P. 299-327.

39. Cook, J.G. & Laubitz, M.J. The thermal conductivity of two clathrate hydrates // Proc. 17th Int. Thermal Conductivity Conf. 1981. - P. 13.

40. Cook, J.G., and Leaist, D.G. An exploratory study of the thermal conductivity of methane hydrate // Geophysical Research Letters. 1983. - Vol. 10 (5). - P. 397-399.

41. G.D. Ginsburg, A.V. Milkov, V.A. Soloviev, A.V. Egorov, G.A. Cherkashev, P.R. Vogt, K. Crane, N.D. Lorenson, M.D. Khutorskoy. Gas hydrate accumulation at the Hakon Mosby Mud Volcano // Geo-Marine Letters. 1999. -Vol. 19.-P. 57-67.

42. Gustafsson, S.E. Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials // Review of Scientific Instruments, Volume 62, Issue 3, March 1991. P. 797-804.

43. Henry, P., Thomas, M, Clennell, M.B. Formation of natural gas hydrates in marine sediments. 2- Thermodynamic calculations of stability conditions in porous sediments // Journal of Geophysical Research. 1999. - Vol. 104 (B10). - P. 23002-23005.

44. Duzi Huang and Shuanshi Fan. Measuring and modeling thermal conductivity of gas hydrate-bearing sand // Journal of Geophysical Research. Vol. 110. -B013011,2005.

45. Kumar, P., Turner, D. and Sloan, E.D. Thermal diffusivity measurements of porous methane hydrate and hydrate-sediment mixtures // Journal of Geophysical Research. 2004. - Vol. 109. - B01207, P. 1-8.

46. Kutas R., Poort J., Klerkx J., Kravchuk O., Bevzyuk M. Geothermal condition in zones of gas escape and mud volcanism in northern Black Sea // Geophys. Journal.-2005.-Vol. 27.-№ 1. P. 128-135.

47. Kvenvolden K.A. Gas hydrates geological perspectives and global change. // Reviews of Geophysics. - 1993. - Vol. 31. - P. 173-187.

48. Kvenvolden, K.A. Potential effects of gas hydrates on human welfare // Proceedings of the National Academy of Science, U.S.A, 96. 1999. - P. 34203426.

49. Kvenvolden, K. A. and Lorenson, T. D. Global Occurrences of Gas Hydrate // Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference. -2001.-P. 462^467.

50. MacDonald, G.T. Role of methane clathrates in past and future climates // Climatic Change. 1990. - Vol. 16. - P. 247-281.

51. I.R. MacDonald, L.C. Bender, M. Vardaro, B. Bernard, J.M. Brooks. Thermal and visual time-series at a seafloor gas hydrate deposit on the Gulf of Mexico slope // Earth and Planetary Science Letters. 2005. - Vol. 233. - P. 45-59.

52. Measurement, instrumentation and sensors handbook. / J.G. Webster. CRC Press, 1999.

53. R.A. Perkins, R. McAllister, E.D. Sloan and M.S. Graboski. A new transient hot wire thermal conductivity instrument for use with both step power and ramp power forcing. Thermal Conductivity 18, Plenum Press, New York. 1985. - P. 273-282.

54. Ross, R.G., Andersson, P., Backstrom, G. (1981). Unusual PT dependence of thermal conductivity for a clathrate hydrate // Nature. Vol. 290. - P. 322-323.

55. Sloan, E.D. Gas hydrates: Review of Physical/Chemical properties // Energy and Fuels. 1998-a. - Vol. 12. - P. 191-196.

56. Sloan, E.D. Clathrate Hydrates of Natural Gas, 2nd Edition, Marcel Dekker. -New York. 1998-6.

57. Stoll, R.D., Bryan, G.M. Physical properties of sediments containing gas hydrates // Journal of Geophysical Research. Vol. 84. - 1979. - P. 1629-1634.

58. Tse, J. S. and White, M. A. Origin of glassy crystalline behavior in the thermal properties of clathrate hydrates: a thermal conductivity study of tetrahydrofuran hydrate // Journal of Physical Chemistry. 1988. - Vol. 92. - P. 5006-5011.

59. Von Herzen, R. and Maxwell A.E. The measurement of thermal conductivity of deep sea sediments by a needle probe method // Journal of Geophysical Research 1959. V. 64, No. 10. - P. 1557-1563.

60. Waite W.F., B.J. deMartin, Kirbi S.H., Pinkston J., and Ruppel C.D. Thermal Conductivity Measurements in Porous Mixtures of Methane Hydrate and Quartz Sand // Geophysical Research Letters. 2002-6. - Vol. 29 - No. 24.

61. Waite W.F., Gilbert L.Y., Winters W.J. & Mason D.H. Estimating thermal diffiisivity and specific heat from needle probe thermal conductivity data // Review of Scientific Instruments. 2006. - Vol. 77. - P. 044904.

62. Waite W.F., Stern L.A., Kirby S.H., Winters W.J. and Mason D.H. Simultaneous determination of thermal conductivity, thermal diffiisivity and specific heat in si methane hydrate // Geophys. Journal International, 2007. — Vol. 169.-P. 767-774.

63. Willoughby, E. C., Latichev, K., Edwards, R.N. and Mihajlovic, G. Resource evaluation of marine gas hydrate deposits using seafloor compliance methods / Annals of the New York Academy of Sciences, Ed., G.D. Holder and P.R.

64. Bishnoi. The New York Academy of Sciences, New York. - New York, 912. — 2000.-P. 146-151.

65. Winters W.J., Waite W.F., Mason D.H., Dillon W.P. and Pecher I.A. Sediment Properties Associated With Gas Hydrate Formation // Proceeding of the Fourth International conference on gas hydrates. Yokohama, May 19-23, 2002. - P. 722-727.

66. Yakushev, V.S. and Collett, T.S. Gas hydrates in Artie regions: risk to drilling and production // Proceedings 2nd International Offshore and Polar Engineering Conference. 1992. - Vol. 1. - P. 669-673.

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