Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Состав, строение и свойства мерзлых гидратонасыщенных отложений

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Состав, строение и свойства мерзлых гидратонасыщенных отложений"

МОСКОВСКЖ ОРДЕНОВ ЛЕНИНА, ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И - ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ . , .. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет Кафедра геокриологии

...............На • правах- рукописи-

ЯКУШЕВ ВЛАДИМИР СТАНИСЛАВОВИЧ

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГИДРАТОНАСЫЩЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, -----------мерзлотоведение и, грунтоведение...........

—---- -Авто р-е ф-е р а - т——

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1991

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНОВ ЛЕНИНА, ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ-------------------------

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет Кафедра геокриологии

На правах рукописи ЯКУШЕВ ВЛАДИМИР СТАНИСЛАВОВИЧ

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГИДРАТОНАСЫЩЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат , диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1991

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

профессор, доктор геолого-минералогических наук Ершов Э.Д. доктор геолого-минералогических наук Савельев Б.А. кандидат технических наук Плющев Д.В.

Всесоюзный научно-исследовательский институт геологии океанов (ЕНИИОкеан-Геология) Мингео СССР.

Защита состоится ••¿Г " ИМйЯ 1991 г. в часов на заседании специализированного совета по инженерной геологии и мерзлотоведению (К.053.05.06) при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: П9899, Москва, Ленинские Горы, МГУ, геологический факультет, аудитория №

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (6 этаж).

Автореферат разослан " ,5"" „^¿^У 1991 г.

Научный руководитель Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

Ученый секретарь специализированно го совета К.053.05.06, _

доктор геолого-минералогических наук, ст. научный сотрудник

В.Н.Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ___________________

Актуальность темы. Выход добывающих предприятий нефтяной и газовой промышленности-в область распространения многолетне-мерзлых пород (ММП) поставил новую проблему - изучение природных гидратосодержащих пород (ГСП), как в интервале ¡#11, так и под ним. Но если подмерзлотные ГСП уже прошли определенную стадию изучения, то внутримерзлотные ГСП практически являются "белым пятном" на картах геокриологических исследований. Вопросы их формирования, залегания и развития еще не освещались в мировой литературе. Лишь в последнее время, в связи с опасными осложнениями, возникающими при проходке скважинами мерзлых гид-ратосодержащих пород, были сделаны первые попытки лабораторного изучения свойств этих пород.

Следует отметить также, что газовые гидраты, формируясь в породах, заметно влияют на их состав, строение и свойства и, следовательно, становятся одной из основных компонент как мерзлых, ^так и талых пород.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является комплексное исследование механизма формирования состава, строения и свойств мерзлых гидратосодержащих пород»

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи.

1. Разработать методы и методику изучения газогидратов и мерзлых гидратосодержащих пород.

2. Изучить механизм формирования и накопления газогидратов в различных условиях, включая грунтовые.

3. Исследовать закономерности развития газогидратов и гидратосодержащих льдов в условиях, близких к естественным.

4. Выявить закономерности формирования состава, строения

и свойств мерзлых гидратосодержащих отложений различного гранулометрического состава.

Научная новизна и защищаемые положения работы состоят в следующем:

- разработана кошлексная методика подготовки и исследования газогвдратов и гидратосодержащих сред при отрицательных температурах;

- обнаружен эффект самоконсервации газогидратов при отри-

цательных температурах, позволяющий им существовать при низких давлениях;

- вскрыт механизм формирования газогидратов в различных условиях;

- изучена динамика разштия газогидратов и гидратосодер-жащих пород при отрицательных температурах;

- вскрыты особенности микростроения газогадратов, гидратосодержащих льдов и мерзлых гидратосодержащих отлодений;

- исследованы закономерности формирования состава, строения и свойств мерзлых гидратосодержащих отложений.

Достоверность полученных результатов обосновывается большим количеством лабораторных и полевых исследований, а также сопоставлением с известными результатами работ других исследователей. В ходе опытов получено и исследовано более 40 образцов газогидратов и гидратосодержащих сред, сделано более 300 фотографий микростроения различных образцов, более 200 определений состава газогидратов и гидратосодержащих пород.

Практическая значимость; работы состоит в том, что результаты проведенных исследований позволяют выработать новые способы сооружения и эксплуатации подземных выработок (скважин, шахт и пр.) в области распространения гидратосодержащих пород, внести дополнения в проведение инженерно-геокриологические изыскания под различные виды строительства.

Результаты работы вошли в 5 научно-технических отчетов, которые выполнены с участием автора во ВНИИГАЗе, а также в нормативные инструкции и рекомендации, выпущенные в концерне "Газпром". Часть результатов используется в учебном процессе на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ.

Апробация работы имела место на ряде научных конференций молодых ученых различных институтов (Москва, 1985-86 гг.);. на Научно-практических, конференциях по инженерно-геологическим изысканиям в области вечной мерзлоты (Благовещенск, 1986) (Магадан, 1989); на советско-канадской рабочей встрече по программе освоения Севера (Москва, 1986); на Всесоюзной конференции по лабораторному моделированию комет (Душанбе, 1988); на Совете по.криологии Земли АН СССР (Москва, 1988); на научном семинаре секции "Криолитогенез" Междуведомственного Литологи-ческого комитета (Ухта, 1988); на 1-ом Всесоюзном съезде ин-

женеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); ' -на 1-ой Всесоюзной конференции по нетрадиционным источникам углеводородов (Ленинград, 1988); на 8-ой Советско-Американской рабочей встрече по планетологии (Москва, 1988); на Международном симпозиуме по геокриологии (Тюмень, 1989); на 3-ем Международном симпозиуме по химии нестехиометрических соединений "Явления включения" (Новосибирск, 1989); на Международной конференций по разработке газоконденсатных месторождений (Краснодар, 1990).-

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 132 страниц машинописного текста, который сопровождается 32 рисунками и 18 таблицами. Список использованной литературы включает 52 работ отечественных и зарубежных авторов.

Диссертационная работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте природных газов Государственного концерна "Газпром" (до 1989г. - Министерство газовой промышленности) и в процессе обучения в заочной аспирантуре МГУ на кафедре геокриологии Геологического факультета под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Э.Д.Ершова, которому автор выражает особую признательность.

Автор приносит также искреннюю благодарность кандидатам наук В.А.Истомину, Е.М.Чувилину, Н.Р.Колушеву и доктору геолого-минералогических наук Ю.П.Лебеденко за помощь, оказанную в ходе исследований и при написании работ.

Автор признателен докторам наук Ю.Ф.Макогону,' В.П.Цареву, кандидатам наук В.А.Соловьеву, Д.А.Дубровскому, а также докторам Т.Коллетту и К.Квенволдену (Геологическая служба США) за консультации, оказанные в ходе работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены современные представления о природных газовых гидратах и их взаимосвязи с криолитозонои, а также дана характеристика исследованных пород и методика их подготовки к экспериментам.

Газовые гидраты, представляющие собой кристаллические соединения газа и воды, известны давно - с 1811 г., когда Гэмфри

Дэви получил гидрат хлора, пропуская газ через холодную воду. До 1934 г. изучение газовых гидратов имело, в основном, чисто научный интерес и велось разрозненными группами исследователей в различных лабораториях. Развитие газовой промышленности в первой половине XX века поставило задачу борьбы с осложнениями вызванными образованием газовых гидратов в добывающем и транспортном оборудовании. Был создан ряд методов, использование которых на газовых промыслах предотвращало или способствовало удалению ухе накопившихся гидратов углеводородных газов.

Новый импульс изучению газовых гидратов придало установление факта возможности существования условий для гидратообразования в природе - на Земле и в космосе. Возможность образования газовых гидратов в космосе была доказана экспериментальными работами С.Л. Миллера, А.А.Дельзема и др. в 50-х - начале 60-х годов. В 1968 г. Стенли Миллер обнаружил гидраты воздуха в антарктическом льду, поднятом с глубины более 1 км. Наконец, в 1969 году было зарегестрировано открытие советских ученых В.Г.Васильева, Ю.Ф.Макогона, Ф. Г. Требина, А. А. Трофимука и Н.В.Черского о возможности залегания природных газов в земной коре в,гидратном состоянии и образования ими газогидратных'залежей. Хотя мысли об этом высказывались и ранее С Д.И. Менделеев, И.Н.Стрижов, М. П.Мохнаткин и др.), экспериментально гидратбобразование в поровом пространстве дисперсных пород было подтверждено только в середине 60-х годов.

В процессе изучения реальных природных газогидратов было установлено, что доминирующими газами гидратообразователями в осадочных отложениях являются метан и его гомологи. Гидраты углеводородных газов могут образовываться в определенном интервале земной коры, термобарические и геохимические условия которого соответствуют условиям гидратообразования газа- данного состава. Этот интервал был назван зоной гидратообразования (ЗГО). Однако, по-видимому, более точно его следовало бы назвать зоной стабильности газогидратов (ЗСГ), т.к. вовсе не обязательно чтобы в нем постоянно происходило гидратообразование. ЗСГ приурочена на суше к области распространения многолетнемерзлых пород, а в морях и океанах - к глубинам более 200 м в полярных широтах и более 600м -в других С рис.1).

Исследования гидратосодержащих пород на суше является наиболее сложной задачей, т.к. выделение газовых гидратов в разрезе консолидированных пород требует комплекса скважинных исследований.

б

s Разработка такого ко-

5 "> и t."c мплекса началась в

СССР с конца 60-х го-{г«> — /— юга— дов,позже им занялись

^_^ геофизики США и Кана-

=—ды. Работы в этом на—— ■*- правлении велись А. Э. fwo \ \ Беньяминовичем, М. X.

Сапиром, С. М. Лендой,

f'ooo _ \ А.В.Бубновым, С.Е.

Игл ЕЕЕЬ_Е=3<1 Агалаковым, В. П. Царевым, Т. С. Коллетом и др.

Рис.1. Выделение зоны стабильности газо- Однако до сих

гидратов на суше Ca) и в море Сб). пор не разработано

простого геофизическо-

1-кривая равновесных условий гад- го метода выделения

ратообразования метана газовых гидратов в

2-распределение температур по разрезе мкоголетне-разрезу мерзлых пород вследс-

3-граница ЭСГ виэ близости свойств

4-вода гидратосодерхацих и

5-граница криолитозоны мерзльи пород.

Большое внимание уделяется перспективам гидратоносности различных территорий мира. Как правило, эта проблема рассматривается исходя из двух предпосылок:наличия в исследуемом регионе 3CI углеводородных газов и потенциальной газоносности недр. Этому направлению посвящено большое количество работ таких авторов ' как Е. С. Баркан, Г. Д. Гинсбург, А. II. Воронов, С. П. Никитин, Ю. Ф. Макогон.

С. Е. Агалаков, В.П.Царев, В. А. Ненахов, Н. К. Тиыонина, А. А. Трофимук, Н.В.Черский, В.А.Соловьев, М.В.Толкачев, А. П. Головань, К. А. Квен-вояден и др.

Как уже отмечалось выше, целенапр-^леляого изучения состава, строения и свойств мерзлых гидратосодержацих пород до сих пор не проводилось. Следует, однако, отметить, что к настоящему времени проведено достаточно много работ с породами, искусственно насыщенными гидратами при положительных температурах. В ходе этих исследований изучались многие параметры полученных грунтовых систем (гидратосодержание, теплофизические, электрические, акустические,

фильтрационные и др.). Было создано довольно большое количество экспериментальных установок и разработано несколько методик получения и исследования гидратосодержащих пород в этих установках.

Кроме того, существует (хотя и очень скудный) полевой материал, свидетельствующий о наличии газовых гидратов в многолетнемерз-лых толщах (Джадж А.,1988; Коллетт Т., 1983; Порохняк A. M., 1988). Данные, полученные с помощью каротажных исследований скважин указывают на возможность скопления больших количеств газовых гидратов в широком интервале ММП. Необходимо также сказать о том,• что многие исследователи поднимали вопрос о возможности залегания газовых гидратов в толщах ММП в теоретическом плане (Ю.Ф. Макогон, В.П.Царев, Н.Н.Романовский, В.В.Баулин и др.).

Таким, образом, к настоящему времени сформировалось 3 направления изучения мерзлых гидратосодержащих пород: 1.Экспериментальное моделирование геологических процессов, имеющих место при образовании и разложении газовых гидратов в недрах; 2.Полевые исследования внутримерзлотных гидратосодержащих пород; 3. Математическое и логическое моделирование процессов формирования и разложения гидратов в порах.

Несмотря на сходство физических свойств гидратосодержащих и мерзлых пород, присутствие в породах гидратной компоненты влияет прежде всего на газосодержание. Оттаивание гидратосодержащих отложений приводит к интенсивному выделению газа из порового пространства. При оттаивании гидратонасыщенных образцов наблюдается их разуплотнение и нарушение сплошности. Резко меняются практически все свойства породы. Операции на скважинах, проходящих мерзлые гидратосодержащие породы, сопровождаются газовыми выбросами и газопроявлениями.

Часто газопроявления из интервалов ММП при бурении, цемен-таже и эксплуатации отмечались на различных скважинах Ямбургского газоконденсатного месторождения,, на котором были поставлены основные полевые работы по подъему и исследованию мерзлого керна. Керн был извлечен из параметрической скважины, пробуренной методом затирки всухую.

Скважина расположена в верховьях р. Яра-яха, в пределах верхнечетвертичной Сказанцевской) прибрежно-морской равнины с абсолютными отметками поверхности 37-38 м. В геологическом строении участка исследований в соответствии с общепринятой стратиграфической схемой антропогена Западной Сибири СГ.И. Лазуков,

-1370). принимают, участие верхнечетвертичные отложения казанцевской свиты морского и прибрежно-морского генезиса мощностью около 30 м, представленные разнозернистыми кварцевыми песками серого цвета с включениями древесных остатков и темноцветных минералов. Верхняя часть разреза (до глубины 3-4 м) представляет собой переслаивающуюся пачку, супесей и тонкозернистых песков. Слоистость отложений горизонтальная.

Под отложениями казанцевской свиты залегают породы салехардской свиты, представленные переслаиванием суглинистых и песчаных грунтов. Мощность свиты составляет 33-40 и.

Ниже по разрезу идут морские отложения нижне-среднечетвертич-ного возраста, относящиеся по-видимому к тильтимской и обской свитам. Мощность интервала составляет около 50 м.

С глубины 130 м встречены однородные тяжелые суглинки палеогенового возраста, которые продолжались до забоя скважины на глубине 145 м.

Опыты по определению состава, строения и свойств пород проводились с образцами, поднятыми на этой скважине. Изучались свойсва

как грунтов ненарушенного сложения, так и специально подготовленных образцов.

Песчаные грунты нарушенного сложения приготавливались путем пропускания через сита с заданным размером ячеек и таким образом были получены образцы средне-, мелко-, и тонкозернистых кварцевых песков. Образцы крупнозернистых песков получались из кварц-полевошпатовых разнозернистых песков московской морены СдОцр. Все эти образцы отмывались в дистиллированной воде и высушивались перед опытами. Влажность грунтов в ходе экспериментов задавалась путем добавления необходимого количества снега или воды.

Легкие и тяжелые супеси получались при смешивании необходимых пропорций мелкозернистых песков и глинистых частиц, а тяжелые глины получались путем высушивания минеральной взвеси, образовавшейся при растворении естественных глинистых грунтов в воде. В составе тяжелых глин преобладали гидрослюда (иллит) - до 50% и монтмориллонит - более 30%. Содержание каолинита не превышало 20%.

Во второй главе приведена комплексная методика искусственного формирования и исследования гидратосодержащих образцов. Методика включает в себя разработку и изготовление специальных экспериментальных установок для получения и исследования газогидратов и гидратосодержащих сред, а также разработку последовательности опе-

раций по получение и исследованию гидратов и гидратосодержащих сред как внутри экспериментальных установок, так и вне их.

В ходе лабораторных работ по искусственному получению газогидратов и гидратосодержащих грунтов использовались 3 различные экспериментальные установки. Каждая из них имела свои конструктивные особенности.

Первоначально опыты по получению газовых гидратов производились в установке типа "Батискаф", описанной Ю. Ф. Макогоном С1974). Она представляет собой герметичную барокамеру кубической формы объемом 1000 см3 с 5-ю смотровыми окнами толщиной по 42 мм и диаметром 100 мм, выполненные из оргстекла. Окна расположены на 5 гранях куба. На 6-ой грани с помощью болтов крепилась круглая металлическая насадка толадной 30 мм, в которой были предусмотрены входы для ввода газа, подсоединения манометра и термопар.

Вторая установка, которая представляет собой миниатюрный аналог первой, позволяет производить исследования образовавшихся гидратов под микроскопом с сохранением давления.' Она состоит из 3-х прямоугольных фланцев из нерхавеадей стали шириной по 30 мм, на соединениях которых расположен^ прокладки из плотной резины. Средний фланец - полый. Его внутренний объем равен 20 см3. Два боковых фланца имеют смотровые окна комической 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.

Обе камеры выдерживали давление до 20 МПа. В них получали только чистый газогидрат и агломерат лед-гидрат.

Для того, чтобы иметь возможность получать гидратосодержащие грунты, была спроектирована и изготовлена третья экспериментальная установка х рабочим объемом 220 см3 (рис. 2). Главной ее конструктивной особенностью является внутренний съемный металлический стакан -держатель грунта, который крепился внутри установки с помощью системы прокладок, обеспечивавшей необходимую продувку породы газом перед гидратообразованием, а также быстрое извлечение грунта из установки после окончания гидратонакопления.

Стакан-держатель грунта 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

-НА

Рис,2. Разрез установки N 3 в снаряженном состоянии.

1-микровольтметр; 2-влажный песок; 3-глина; 4-термопара; 5,15-рези-новые прокладки; 6-тефлоновая прокладка; 7-манометр образцовый; 8-крышка-фланец; 9-выпускной кран; 10-смотровое окно; 11-цилиндр из оргстекла; 12-стакан-держатель грунта; 13-корпус; 14-баллон с газом; 16-впускной кран; 17-поршень для выдавливания образца.

вдоль стенок. Кроме того, боковой слой пластичной глины облегчал извлечение образца грунта из стакана после замораживания. Сверху образец перекрывался металлической сеткой для предотвращения выдувания песчаных частиц. В качестве газов-14 гидратообразователей в опытах использовались метан ССН4) и пропан (СдНд), которые содержались в баллонах под давлением ~ 15 МПа Сметан) и 0,5 МПа (пропан) .

Методика получения газогидратов и гидрато-насыщенных сред была по-возможности приближена к реальным природным процессам образования газогидратов в континентальных осадочных толщах. Как предполагается, газогидраты могут образовываться либо при дли-разрезов, либо при подъеме

тельном охлаждении газонасыщенных давления в уже охлажденном разрезе.

В проведенных экспериментах моделировались обе возможные ситуации. Соответственно; в опытах реализовывались 2 общие схемы последовательности лабораторных операций С в зависимости -от того, что первично - охлаждение или подъем давления). Одну схему можно представить в виде: подготовка грунта Своды) - загрузка в установку - продувка газом - охлаждение до +2 - +6°С - подъем давления газа до 8-12 МПа - охлаждение до -1 - -18°С (заморозка образца) -

/

/

сброс давления и извлечение образца из установки. Другая схема выглядит аналогично: подготовка грунта Своды) - 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 проводились в морозильной камере кафедры геокриологии МГУ, а также в холодильной камере НКР-1 на Опытном заводе ВНШГАЭа. Благодаря обнаруженной экспериментально метас-табильности газогидратов при атмосферном давлении и отрицательных температурах появилась возможность применить в ходе исследований состава и водно-физических свойств газогидратов и гидратосодержащих сред методы, разработанные для льдов и мерзлых пород, внося в них необходимые коррективы.

В ходе изучения состава гидратов и гидратосодержащего льда применялись методы расчета количества составляющих компонент по разнице их плотностей в одном образце. Состав гидратосодержащих грунтов определялся по методикам, разработанным для определения состава мерзлых пород, за исключением величины весового гидратосодержания.

Следует отметить, что величина весового гидратосодержания, аналогичная весовой влажности, 'введена в рассмотрение впервые. До настоящего времени в научной литературе основным параметром гидратосодержания пористых образцов Св основном - пород) являлся коэффициент гидратонасыщенности ¡^ или средняя степень заполнения по-рового пространства гидратами. Весовое гидратосодержание кажется более приемлимым параметром, так как позволяет быстро определить, какую часть грунта занимают газогидраты, какую - вода, лед и др.

Влажность искусственно приготовленных образцов, как правило, задавалась заранее. После насыщения грунта гидратами и проведения с ним необходимых экспериментов, его влажность определялась путем взвешивания предварительно оттаявшего образца до и после прокаливания в сушильном шкафу.

Плотность (объемный вес) полученных образцов определялась методом гидростатического взвешивания в нейтральной жидкости Скеросине). Керосин был выбран потому, что он практически не растворяет воду и, таким образом, не влияет на лед и газогидраты.Плотность образцов газогидратов и гидратосодержащих льдов определялась также путем подбора жидкости одинаковой плотности. При этом использовались ¡серосин Ср=0,833 г/см^), октан Ср=0,704 г/см^) и дизельное топливо Ср=0,953 г/см^).

Еще один параметр - газосодержание грунтов, образцов-газогид--------

ратов и гидратосодержащего льда - определялся параллельно с определением плотности. В основу определения газосодержания был положен метод, описанный Б.А.Савельевым (1985), в котором газосодержание мерзлой породы предложено изучать путем оттаивания образцов мерзлой породы в теплой воде и вытеснения выделяющимся газом определенного объема воды. Благодаря большому удельному газосодержанию

*э

гидратов Сдо 180 см /г), точность определения по этому методу была достаточно высокой.

Для исследований строения газогидратов и агломерата лед-гидрат метана использовались методы оптической микроскопии. Строение гидратосодержащих грунтов исследовалось методом съемки в отраженном свете под оптическим микроскопом.

Образцы газогидрата поступали для микроскопических исследований в виде тонких сколов, образцы гидратосодержащего льда - в виде тонких сколов и шлифов, образцы гидратосодержащих грунтов - в виде мелких кусочков со свежими сколами поверхности.

В ходе оптических микроструктурных исследований газогидратов и гидратосодержащего льда 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.

С некоторых образцов были сняты реплики с использованием раствора оргстекла в дихлорэтане. Опыты эти проводились по обычной методике, применяемой при исследованиях мерзлых пород и льдов. Однако, вследствие слабого взаимодействия газогидратов и этого раствора, приемлимые для исследований реплики удалось получить лишь с образцов агломерата лед-гидрат, где содержание гидратов было весьма незначительно.

В третьей главе рассмотрены механизм формирования и динамика развития газогидратов.

В настоящее время наблюдались три возможных случая з'ародыше-обраэования и роста кристаллов газогидратов: на поверхности раздела жидкая вода (лед) - газ; в объеме свободного газа, насыщенного парами воды и в объеме газонасыщенной жидкой воды. Есть некоторые основания полагать, что механизм зародышеобразования газогидратов в каждом из этих случаев имеют свои характерные особенности. В проведенных опытах наблюдались все 3 перечисленные ситуации и при реализации каждой из них имели место определенные

формы развития газогидратов.

Механизм формирования газогидратных образований практически неизучен. Проведенный анализ имеющихся сведений о механизме формирования и развития газогидратов, а такие сопоставление результатов этого анализа с' результатами проведенных опытов позволяют предположить, что механизм гидратонакопления различается в зависимости от условий, в которых это гидратонакопление происходит.

В системе "вода (с растворенным газом) + лед" гидраты получались при промерзании воды в условиях гидратообразования. Известно, что растворимость газа во льду при одном давлении и температурах вблизи 0°С на порядок ниже, чем в воде. Условия проведения эксперимента способствовали тому, что вначале вода оказалась изолированной от свободного газа вследствие образования на ее поверхности гидратной пленки. После этого началось промерзание воды со стороны стенок установки и в меньшей степени - сверху. Образовалось замкнутое пространство, заполненное газонасыщенной водой и окруженное со всех сторон льдом. По мере дальнейшего промерзания, в это пространство отжимался газ, давление в воде росло (это отмечалось по-прорывам воды сквозь верхний слой льда) и внутри образовывались гидраты. В итоге получался образец агломерата лед-гидрат метана с различной гидратонасыщенностью по разрезу. Такой механизм формирования газогидратов можно назвать концентрационным.

Наиболее многочисленные иразвитые формы газогидратов получились при гидратообразовании в системе "вода + свободный газ" Здесь сразу после достижения системой равновесных термобарических условий гидратообразования начиналось формирование тонкой пленки газогидрата на всей поверхности контакта вода-газ. Формирование этой пленки связано с высокой концентрацией газовых молекул в при-контактном слое воды. При определенных условиях газовые молекулы преобразуют льдоподобную структуру воды в клатратную решетку. Механизм формирования гидратной пленки назван пленочно-контактным.

На внутренних стенках установок росли различные вытянутые формы гидратных кристаллов - игольчатые, нитевидные и др. Рост их начинался с "выстреливания" тонкого (0,2-0,3 мм) игольчатого крис- . талла длиной до 3 мм. Дальнейшая скорость роста таких кристаллов была довольно медленной. Кристаллы часто слипались, образуя колонии. Наращивание кристаллов происходило у основания на контакте со стенкой установки. Толщина кристаллов увеличивалась незна-

чителыго. Если внутри-установки имелась свободная вода, то кристаллы росли до тех пор, пока вся вода не связывалась "в" гидраты:----------------------

Это свидетельствует о том, что пленка газогидрата на поверхности контакта газ-вода не является непреодолимой преградой для воды. Вода может передвигаться в пленочном виде по поверхности стенок установки и по поверхности газогидратов.

Косвенным подтверждением наличия пленочной миграции влаги по внутренней поверхности стенок установок могут являться нарост-ные формы газогидратов, образовывавшиеся выше контакта газ-вода. Характер их роста (в основном это было утолщение гидратной пленки, облегающей какой-нибудь центр кристаллизации) свидетельствует о послойном формировании газогидратов из пленки квазижидкой воды, мигрирующей по их поверхности. Механизм формирования этих гидрат-ных форм был назван пленочно-миграционным.

Наконец, на внутренних поверхностях экспериментальных установок фиксировались гидратные образования, сформированные в системе "водяной пар + газ" по аблимационному механизму. Обычно это были мелкокристаллические формы в виде инееобразных налетов на стенках барокамер, растущие медленнее, чем остальные гидратные формы.

После связывания в гидрат всей свободной влаги внутри установки, процесс гидратообраэования приостанавливался и при поддерживании давления газа выше давления гидратообраэования полученные гидратные формы не претерпевали заметных изменений.

Интересные данные были получены при изучении процесса разложения газогидратов. Изучению подвергались относительно крупные монолитные образцы гидрата метана и образцы гидратонасыщенных песков. Исследовалась в' основном кинетика разложения газогидратов. Эти исследования включали в себя температурные измерения, измерения массы образцов со временем и измерение их газосодержания со временем.

Температурные исследования состояли в измерении температуры , полученных образцов газогидратов и гидратонасыщенного песка как во время сбрасывания давления внутри установки, так и непосредственно после ее разгерметизации. Полученные термограммы имели приблизительно одинаковый характер. Вначале шло резкое понижение температуры образцов. Затем, через 3-5 мин, следовал экстремум падения температуры, после чего ее значения начинали возрастать, стремясь к величине температуры внутри климокамеры, в которой находилась установка.

В результате • проведенных измерений было выявлено, что определяющим фактором в кинетике диссоциации крупных образцов газогидратов является отношение площади поверхности частицы к ее массе. Чем больше это отношение, тем заметнее пик падения температуры образца, тем круче кривая стабилизации температуры.

Однако, как показали проведенные параллельно с температурными измерениями определения газосодержания испытуемых образцов, разложение газогидратов как в чистом,виде, так и в поровом пространстве песков было далеко не полным. Например, газосодержание образцов монолитного ненерушенного гидрата метана на момент окончательной стабилизации температуры составляло 140-160 см3/г. Этот факт можно объяснить только появлением корки льда на поверхности газогидрата из воды, оставшейся от первичного поверхностного разложения газогидрата. Благодаря тому, что газогидраты являются соединениями пе-_ ременного состава, со временем химические потенциалы гидрата и окутывающего его льда уравниваются, что предотвращает дальнейшее разложение гидрата. Это явление было названо эффектом самоконсервации газогидратов при отрицательных температурах.

В дальнейшем кинетика диссоциации "законсервировавшихся" га- . зогидратов зависела от ряда факторов. Для их выявления и сравнения их действия на гидрат и на лед часть монолитных образцов помещалась в климокамеру совместно с кусочками льда, после чего задавались различные условия их хранения. 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) развитость поверхности газогидрата; в) температура окружающей среды; г) наличие светового воздействия; д) наличие механического воздействия.

В мерзлых гидратосодержащих грунтах, где отсутствуют световое и механическое воздействия,отсутствует возможность сублимации влаги в порах, можно предполагать длительную сохранность газогидратов, даже если условия их стабильности в разрезе уже отсутствуют. Это подтверждают и опыты по хранению в керосине при отрицательной температуре образцов мерзлого гидратонасыщенного мелкозернистого песка. Так, через 10 минут после извлечения из барокамеры, газосо-держа'ние песка составляло 3,1 см^/г, а через 2 месяца - 4,5 см^/г, т.е. газосодержание уменьшилось всего на 12%.

Наиболее длительные опыты по хранению мерзлых гидратонасыщен-

ных_сред были^поставлены с образцами агломерата лед-гидрат метана. Образцы агломерата практически не изменили-свое газосодержание в течение 2 лет при 1=-6°С. Эта величина составляла 1-3 см^/г.

В четвертой главе приведены результаты исследований состава, строения и водно-физических свойств газогидратов и гидратосодержа-ших льдов, сформированных в лабораторных условиях.

В ходе опытов были получены следующие типы образцов: монолитный газогидрат; нитевидный гидрат; массивный мелкопористый гидрат; агломерат лед-гидрат метана. Их визуальные характеристики приведены в таблице:'

Название ! Внешние характеристики

Монолитный Наросты-корки на внутренних стенках установки гидрат толщиной 3-8 мм, имеющие сероватый цвет и хорошую

прозрачность

Нитевидный Иголки, сростки, колонии, ветви, растущие от мине-гидрат рального или металлического субстрата. На концах

часто наблюдались гроздевидные утолщения диаметром 3-5 мм. Длина кристаллов и колоний достигала 40мм, диаметр отдельных кристаллов 0,1-0,5 мм, угол отхода ветвей от основного ствола 22-24°. Цвет белесый, утолщения на концах - сероватые. Прозрачность слабая С пропускают свет).

Массивный Скопления мелких кристалликов газогидрата, образу-

мелкопористый ющиеся на минеральной подложке, напоминающие пемзу гидрат белого цвета. Прозрачность слабая.

Агломерат лед- Монолиты, состоящие из внешней ледяной оболочки гидрат метана толщиной 3-10 мм и внутреннего гидратосодержащего ядра диаметром 20-30 мм, а также из перекрывающей газогидратной корки толщиной 1-1,5 мм. Ледяная оболочка бесцветная, ядро слегка белесое, корка гидрата сероватая. Прозрачность хорошая.

Проведенные исследования строения газогидратов под микроскопом позволяют сделать вывод о том, что внутреннее строение газо-

гидрата практически не меняется во время процесса самоконсервации. Происходят лить поверхностные изменения, приводящие к формированию изолирующей корки льда. Монолитные образцы представлены мелкокристаллической зернистой массой, в которой встречаются скопления микропузырьков газа и хорошо выраженных микрокристаллов газогидрата. Пористые (белые и белесые по цвету) образцы состоят из колоний стебельковых (нитевидных) кристаллов, которые. могут расти как в одном направлении, так и в разных направлениях, образуя белую плотную массу внешне похожую на слежавшийся снег.

Исследования на стабильность при хранении в климокамере с отрицательной температурой показали, что пористые образцы довольно быстро теряют свое газосодержание благодаря высокой удельной поверхности контакта гидрат-воздух. Как правило, через 2 недели (300320 часов) гидраты в этих образцах полностью разлагались при атмосферном давлении несмотря на благоприятные для их сохранения условия (закрытая система, темнота и др.).

Состав полученных образцов изучался путем сопоставления плотности и удельного газосодержания. Так как удельное газосодержание гидрата метана известно, то при подобном сопоставлении можно вычислить количество гидрата и льда в полученном образце, а также определить его пористость. Результаты этого определения показали, что состав монолитных образцов газогидрата был близок к составу чистого газогидрата, а пористость составляла доли процента.

Образцы белесого газогидрата имели начальную пористость порядка первых десятков процентов и довольно быстро ее увеличивали за счет диссоциации газогидратов.

Исследования состава, строения и свойств агломерата лед-гид -рат метана показали довольно резкое их отличие от состава, строения и свойств чистого льда. Характерными признаками наличия газогидратов во льду являются: а) повышенное газосодержание (1-3 см3/г при плотности 0,90-0,91 г/см3); б) наличие сети микроканальцев диаметром 0,001-0,003 мм; в) характерная динамика разложения как тонких сколов и шлифов, так и крупных образцов; г) характерные дих-лорэтановые реплики поверхности образцов.

Таким образом, состав и строение полученных образцов свидетельствует о разнообразии форм образования газогидратов в природе. Это могут быть как хаотичные или упорядоченные скопления микрокристаллов, обладающие заметной пористостью, так и пленочные или монолитные образования, практически не имеющие свободных пор. Иссле-

дованйя~соотава- образцов, - кроме того,- еще- раз _ показали, что в ходе экспериментов были получены реальные газогадраты, прошедшие стадию самоконсервации.

Пятая глава посвещена формированию состава, строения и свойств исследованных гидратосодержащих пород.

При образовании гаэогидратов, как и при формировании льда, вода приобретает кристаллическую структуру, поэтому воздействие этих двух процессов на породу, в которой они происходят, весьма схоже. Влажные дисперсные породы в ходе промерзания или гидратооб-разования цементируются, приобретает дополнительную прочность, претерпевают ряд криолитогенетических преобразований, причем в случае гидратообразования спектр этих преобразований заметно шире, чем в случае льдообразования.

Были поставлены специальные эксперименты по гидратообразова-нию в глинистых породах, которые показали, что прочносвязанная вода Свода 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 на поверхности сухих глинистых минералов вызывает разложение газогидратов, находящихся в контакте с этими минералами. Участие слабосвязанной воды С вторично ориентированная вода полислоев, осмотическая и капиллярная вода), по-видимому находится в зависимости от степени превышения равновесных условий гидратообразования в системе порода-газ-вода.

Опыты по гидратонасыщению песчаных пород выявили еще одну особенность гидратообразования в грунтовых системах - массоперенос. Опыты проводились в песках различной зернистости и во всех случаях наблюдалась одинаковая картина: на открытых для свободного контакта газ-порода торцах образцов скапливались гидратные шапки, а в приповерхностных частях образцов происходило увлажнение. Это показали измерения влажности различных частей образцов Срис.З).

Механизм миграции влаги при гидратообразовании в грунтовой системе пока не исследован. Однако, результаты опытов показывают, что в результате роста кристаллов гидрата в образце песка устанавливается постоянный поток влаги из центральной части образца к его краям. Миграция происходит по всей видимости в пленочном виде с обоих сторон гидратной корки, покрывающей минеральные частицы. Одновременно устанавливается градиент концентрации газа между цент-

М%)100т=д

15

юн

5

О_

—-,--

о 5 длина образца Е(см)

Рис.3. Водный баланс в образце тонкозернистого песка после гидра-тообразования распределение влажности по образцу перед гидратонасыщением).

ральными и приповерхностными участками образца. Возникает фильтрация газа во внутренние части образца.

Так как гидратообраэование в системе продолжается, то фильтрующийся газ попутно переходит в газогидрат и лишь относительно небольшное его количество доходит до центральных внутренних участков образца. Поэтому гидратонакопление здесь наименее интенсивно, а обезвоживание - наиболее заметно.

В глинистых грунтах массоперенос зафиксирован не был.

Таким образом, 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 гидратообра-зованием, в дисперсных грунтах возникают различные гидратные формы, внешне похожие на криотекстуры в мерзлых породах. Гидратные текстуры формировались в песчаных породах в виде сферических включений небольшого (3-5 мм) диаметра, линзочек, прослойков и др. Были выделены: массивная, корковая, порфировидная, линзовидная и слоистая типы гидратных текстур (рис.4). Существенное отличие гид-ратных текстур от криотекстур в мерзлых породах состояло в том, что наибольшее разнообразие гидратных текстур наблюдалось в крупнозернистых песках, а в тонкозернистых песках отмечалась лишь массивная криотекстура. (Для криотекстур наибольшее разнообразие типов отмечается в наиболее высокодисперсных грунтах: тяжелых супесях, суглинках, глинах).

а 5 6 2

* -г ♦ * « 0

* * с ^ } « *

* * г ~ > 4 Я » Я

Рис.4. Типы гидратных текстур, выделенные в ходе экспериментов по гидратонасыщению песков: а) массивная; б) корковая; в) пор-фировидная; г) линзовидная; д) слоистая.

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.

Микроструктура гидратных образований, которые наблюдались в грунтах, похожа на микроструктуру льда-цемента в мерзлых песчаных породах. Можно выделить манжетный (контактный), пленочный, поро-вый, базальный и игольчатый типы микроформ гидрата. Однако механизм их образования может существенно отличаться от механизма образования льда-цемента.

Для изучения компонентного состава и водно-физических свойств мерзлых гидратосодержащих дисперсных пород были также поставлены специальные эксперименты. У уплотненных дисперсных грунтов величина максимального гидратосодержания возрастает в ряду: крупнозернистый песок - среднезернистый песок - мелкозернистый песок - тонкозернистый песок. После этого, с дальнейшим увеличением дисперсности, величина максимально возможного гидратосодержания падает и у тяжелой супеси практически равна 0.

Для того, чтобы сравнить водно-физические свойства искусственно полученных и естественных гидратосодержащих пород были поставлены эксперименты с образцами многолетнемерзлых пород, поднятыми на Ямбургском газоконденсатном месторождении. Отобранные образцы были опробованы по методике, списанной в главе 2. Некоторые из них при оттаивании в керосине продуцировали газовыделения в объемах, значительно превышавших объем свободного порового пространства. Поэтому газопроявляющие образцы были отнесены к гидрато-содержащим.

Таким образом, проведенные лабораторные опыты показывают, что гидратообразование может начаться в дисперсных породах только при наличии следующих условий: 1) нахождение породы в интервале зоны стабильности гидратов СЗСГ) газа определенного состава; 23 наличие в породе воды и газа в достаточных для начала г'идратообразования количествах; 3) наличие в породе контакта "газ-вода". Динамика дальнейшего развития гидратов и гидратосодержащих пород зависит от объема контактирующих газа и воды, гранулометрического, минералогического составов и пористости (трещиноватости) пород.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика комплексного исследования состава, строения и свойств газогидратов и мерзлых гидратонасыщенных пород (ГСП), которая включает в себя следующие стадии: а) разработку и конструирование экспериментальных установок для получения газогидратов и гидратосодержащих сред; б) отработку методики проведения экспериментов по получению мерзлых ГСП; в) разработку методов идентификации газовых гидратов в мерзлых породах и определение весового гидратосодержания; г) модификацию методов исследования состава, строения и свойств мерзлых пород применительно к ГСП.

2. Выделены несколько механизмов формирования газогидратов в различных термодинамических системах, а именно: а) концентрационный, реализующийся при промерзании замкнутых пространств, заполненных газонасыщенной водой: б). пленочно-контактный, имеющий место при гидратообразовании на контакте жидкая вода-свободный газ; в) пленочно-миграционный, реализующийся при движении пленочной влаги по твердой поверхности в среде свободного газа; г) аблимационный, когда гидраты осаждаются на твердой поверхности, образуясь из водяного пара, которым насыщен свободный газ.

3. Обнаружен и исследован эффект самоконсервации газовых гидратов при понижении давления ниже равновесного в области отрицательных температур, заключающийся в том, что понижение давления газа вызывает поверхностное разложение гидрата, а выделяющаяся при этом вода замерзает, образуя непроницаемую для газа корку льда, что останавливает дальнейшее разложение гидрата и приводит к его стабилизации. Определено, что стабильность "законсервировавшихся" гидратов зависит о? температуры хранения, возможности сублимации влаги с поверхности гидратов, наличия светового и механического воздействий.

/

4. Форма иГ строение гидратных образований - во - многом _ зависят от условий, в которых происходит гидратонакопление и его механизма. Выделены 4 основных типа гидратных образований: монолитные, нитевидные, массивные мелкопористые гидратные образования и агломерат лед-гидрат.

3. Опыты по гидратонакопление в дисперсных породах показали, что у песчаных пород при гидратообразовании практически вся поро-вая влага переходит в гидратное состояние (при избытке газа), при этом происходит массоперенос к местам активного гидратонакопления. Механизм массопереноса пленочный и.аблимационный. В глинистых породах гидратосодержание зависит от категории поровой влаги. Проч-носвязанная вода в гидратообразовании практически не участвует. Массоперенос в глинистых породах при гидратообразовании зафиксирован не был.

6. Перераспределение влаги в ходе гидратонакопления в песках приводит к формированию гидратных текстур. Были выделены: массивная, корковая, линзовидная, порфировидная и слоистая текстуры. Выполнены они, как правило, мелкими, хаотично переплетенными кристалликами газогидратов.

7. Величина максимального весового гидратосодержания у уплотненных мерзлых грунтов увеличивалась при увеличении дисперсности песчаных пород до тонкозернистых песков, после чего, с дальнейшим повышением дисперсности гидратосодержание резко падало и у образцов тяжелой супеси была практически нулевой. Следовательно, наиболее благоприятные для гидратонакопления условия имеются в тонкозернистых песках.

8. В природных условиях развитие гидратосодержащих пород может идти в двух системах: открытой и закрытой, каждая из которых имеет свои специфические черты. В случае открытой системы, характеризующейся возможностью привноса и уноса газа и воды из определенного геологического тела, гидратосодержание его будет повышенным по сравнению с геологическим телом, где газогидраты развивались по закрытой системе -т.е. за счет внутренних ресурсов газа и воды. Гидратосодержание по разрезу будет более неравномерным в случае закрытой системы. При разложении гидратов в закрытой системе могут формироваться зоны аномально-высоких давлений.

Основные положения работы отражены в следующих публикациях:

1. Некоторые особенности залегания гидратов природных газов в осадочном чехле земной коры, методы поиска и разведки

газогидратных залежей./ В сб. "Материалы 12-й научной конференции аспирантов и молодых ученых МГУ. Мерзлотоведение. Москва. 12 марта 1985 г. " (Рукопись депонирована ВИНИТИ 19.06.85 N 4353- 85 Деп.).

2. Влияние динамики зон гидратообразования на температурный режим в области распространения многолетнемерзлых пород. //Геология и геофизика", 1986, N 11,(совместно с Трофимуком A.A. и Макогоном В.Ф. ).

3. Экспериментальное изучение кинетики диссоциации гидрата метана при отрицательных температурах// Экспресс-информация ВНМИЭГазПром, сер. "Геология, разведка и разработка газовых и газо-конденсатных месторождений", 1988, вып.4.

4. Одна из возможных причин газовых выбросов в толщах многолетнемерзлых пород. //Геология нефти и газа, 1989, N 4.

5. Проблемы гидратообразования в криолитозоне. / В сб. "Геокри-ологичесие исследования", М., изд-во МГУ, 1989 (совместно с Е. Д. Ершовым, Ю, П. Лебеденко, Е.М.Чувилиным, В.А.Истоминым).

6. Газовые гидраты в криолитозоне.// Геология и геофизика, 1989, N И.

7. Экспериментальные исследования микростроения агломерата лед-гидрат метана.// Инженерная геология, 1990, N3, (совместно с Е.Д.Ершовым, Ю. П. Лебеденко, Е. М. Чувилиным).

8. Методические рекомендации по особенностям сооружения и эксплуатации скважин в талых и мерзлых породах, содержащих газовые гидраты. М. , ВНИИГАЗ, 1989 (совместно с В.А.Истомиными Н. Р. Колу-шевым).

9. Особенности существования газовых гидратов в породах при отрицательных температурах.// Геохимия, 1990, N 6.(совместно с В. А. Истоминым).

10.Особенности массообмена в дисперсных породах при гидрато-образовани./ В сб."Природные и техногенные газовые гидраты", М.,

ВНИИГАЗ, 1990.