Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Закономерности изменения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при различных термобарических условиях

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности изменения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при различных термобарических условиях"

На правах рукописи

005059197

БУХАНОВ БОРИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗО- И ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 б т ¿013

Москва-2013

005059197

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Чувплин Евгений Михайлович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Попов Юрий Анатольевич

доктор геолого-минералогических наук, Якушев Владимир Станиславович

Ведущая организация: ООО Газпром ВНИИГАЗ

Защита состоится 4 июня 2013 года в 16 часов 30 минут на заседании совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, корпус «А», геологический факультет, аудитория 415.

Автореферат размещён на интернет-сайтах Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова www.geo.web.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru. С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале отдела диссертаций Фундаментальной библиотеки (Ломоносовский проспект, 27, сектор А, 8 этаж, к. 812)

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные печатями организации, просим направлять по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.001.30, профессору В.Н. Соколову.

Автореферат разослан 27 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.г.-м.н., профессор

' Соколов В.Н.

Основные положения

Актуальность исследований. Одной из возможных форм нахождения газовой составляющей в мерзлых породах являются газовые гидраты, которые представляют собой льдоподобные соединения воды и газа. К настоящему времени в природе выявлено достаточно много газогидратных скоплений, в том числе и в областях распространения многолетнемерзлых пород. Наличие газовых гидратов в мерзлых толщах оказывает существенное влияние на их свойства, строение, а также поведение и условия существования. Кроме того, крупные скопления газовых гидратов в толще мерзлых пород и в подмерзлотных горизонтах могут рассматриваться как нетрадиционные источники энергии.

Несмотря на большой практический интерес к проблеме газовых гидратов в криолитозоне, их выделение и картирование в мерзлых толщах затруднительно традиционными геофизическими методами. В основном это связано со схожестью большинства физических характеристик для гидратных и ледяных образований в горных породах. Поэтому в настоящее время наличие природных газовых гидратов в многолетнемерзлом разрезе устанавливают в основном в лабораторных условиях по комплексу специальных методов исследования кернов (рентгеноструктурный, спектральный анализы), либо по ряду косвенных признаков (интенсивное газовыделение при высокой льдонасыгцешгости, шипение и растрескивание при нагревании, тепловые аномалии и др.).

Исходя из этого, проведение экспериментальных исследований, направленных на изучение параметров и характеристик, имеющих резкие отличия для льда и гидрата, в частности теплопроводности, являются актуальными.

Цель работы заключается в экспериментальном изучении закономерностей изменения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при различных фазовых переходах поровой влаги.

Основные задачи исследования:

1. Разработать методику изучения теплопроводности газо- и гидратонасыщенных пород при различных термобарических условиях;

2. Выявить закономерности изменения теплопроводности газонасыщенных дисперсных пород при различных условиях гидратонакопления;

3. Оценить влияние процессов промерзания и протаивания на теплопроводность гидратонасыщенных пород при давлениях выше равновесного;

4. Установить закономерности изменения теплопроводности мерзлых гидратосодержаших пород в неравновесном состоянии;

5. Выявить особенности изменения теплопроводности газосодержащих охлажденных и мерзлых пород в субаквальных условиях.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положены результаты экспериментальных исследований, проведённых автором в составе экспериментальной группы на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с 2006 по 2012 гг., а также фактические материалы, полученные в ходе двух международных научных экспедиций по изучению метанового потенциала морей Восточной Арктики, организованных ТОЙ ДВО РАН в 2011 -2012 гг.

При непосредственном участии автора в лаборатории кафедры геокриологии было проведено, обработано и проанализировано более 40 длительных экспериментов (продолжительность отдельных опытов достигала 3 и более месяцев). Было выполнено более 500 определений газо- и гидратосодержания и более 1000 измерений теплопроводности в дисперсных породах.

Методика исследования.

Основным методом исследования в работе являлось физическое моделирование гидратосодержащих грунтов и определение их теплопроводности методами цилиндрического зонда постоянной мощности и стационарного теплового режима. Для оценки параметров гидратосодержания образцов в барокамере использовался РУТ метод. Гидратосодержание мерзлых грунтов в условиях самоконсервации при атмосферном давлении определялось методом измерения удельного газосодержания при оттаивании грунта в насыщенном растворе №С1.

Основные физические свойства пород (влажность, плотность, пористость и др.) определялись по стандартным методикам, принятым в грунтоведении.

Научная новизна исследования: 1. Разработана методика изучения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при гидратонасыщении, замораживании, оттаивании, а также при условии проявления самоконсервации поровых газовых гидратов.

2. Выявлены закономерности изменения теплопроводности пород при гидратонакоплении в условиях отрицательных и положительных температур, в процессе замерзания и оттаивания, а также в условиях проявления эффекта самоконсервации.

3. Предложены модели структурно-текстурных преобразований газопасыщенных пород для объяснения закономерностей изменения теплопроводности при различных условиях гидратопакопления.

4. Получены данные по теплопроводности охлажденной толщи донных отложений арктического шельфа в пределах моря Лаптевых.

Практическая значимость исследования:

Полученные данные могут быть использованы для моделирования процессов гидратообразования в криолитозоне, а также для количественной оценке процессов диссоциации газогидратных скоплений в толщах мерзлых пород при техногенном воздействии. Помимо этого экспериментальные данные по теплопроводности газо- и гидратопасыще1шых пород необходимы для расчета ореолов оттаивания при тепловом воздействии, вызвагагам бурением и эксплуатацией скважин.

Полученные экспериментальные данные создают предпосылки для разработки нового метода диагностики и выявления газогидратных скоплений в разрезе мерзлых пород, основанного на различии теплопроводности гидрата и льда.

Защищаемые положения:

1. Разработанная комплексная методика, позволяющая исследовать теплопроводность газо- и гидратосодержащих пород в широком диапазоне положительных и отрицательных температур при различных давлениях.

2. Основными факторами, оказывающими принципиальное влияние на направленность изменений теплопроводности гидратосодержащих пород, являются температурные условия гидратонакопления, промораживание, оттаивание.

3. При проявлении самоконсервации газовых гидратов теплопроводность мерзлых гидратосодержащих пород определяется кинетикой диссоциации порового гидрата, гидрато- и льдонасыщенностью, а также структурно-текстурными изменениями.

4. Измеренная теплопроводность охлажденной толщи пород арктического шельфа (на примере моря Лаптевых) контролируется дисперсностью, степенью литификации и фазовым составом поровой влаги.

Апробация результатов исследования.

Результаты и основные положения работы представлялись па международных и российских конференциях: Международная конференция по газовым гидратам (Иркутск, 2007); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2007, 2008, 2009); Девятая и Десятая Международная конференция по мерзлотоведению (Фербенкс, 2008 и Салехард, 2012); Конференция «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения» (Москва, 2010), Седьмая международная конференция по газовым гидратам (Эдинбург, 2011); Международная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений» (Москва, 2009); Четвёртая конференция геокриологов России (Москва, 2011); Международная конференция Американского геофизического союза (Сан-Франциско, 2011); Восьмой международный семинар по исследованиям газогидратов метана и их дальнейшему развитию (Саппоро, 2012).

Публикации Основные положения работы изложены в 15 тезисах докладов, представленных на Российских и Международных конференциях, а также в 3-х статьях в журналах, включённых в «Перечень российских рецензируемых научных журналов» ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа содержит 163 страницы текста, состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа содержит 64 рисунка и 15 таблиц. Список использованной литературы включает 83 отечественных и 70 зарубежных наименований.

Благодарность. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доценту Е.М. Чувилину за помощь и всестороннюю поддержку в процессе подготовки и написания данной работы. Автор признателен всем преподавателям и сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за полученные знания в процессе обучения. Особую благодарность автор выражает Мотенко Р.Г., Комарову И.А. и Чеверёву В.Г. за ценные советы и замечания относительно представленной работы. Автор благодарен сотрудникам Московского научно-исследовательского центра Шлюмберже за помощь и советы при подготовке

диссертационной работы. Так же автор выражает признательность коллегам из Института природопользования HAH Белоруссии, особенно Бровке Г.П., за помощь при подготовке и наладке экспериментального оборудования. Кроме того автор благодарен коллегам из ТОЙ ДВО РАН Семелетову И.П. и Дудареву О.В. за помощь и поддержку во время полевых исследований.

Содержание работы Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, представлены защищаемые положения, охарактеризована новизна и практическая значимость работы, а также показан личный вклад автора. Глава 1. Тепловые свойства гаю- и гидратосодержащих горных пород В главе приведён обзор основных теплофизических параметров горных пород. Их величины зависят от состава, строения и состояния грунтов, их генетических особенностей и термодинамических условий существования (В.Т. Балобаев, Г.П. Бровка, Р.И. Гаврильев, Э.Д. Ершов, Н.С. Иванов, И.А. Комаров, Р.Г. Мотенко, A.B. Павлов, Г.З. Перльштейн, Ю.А. Попов, В.Г. Чеверёв, А.Ф. Чудновский, D. Blackvvell, С. Clauser, Е. Huenges, R. Von-Herzen, и т.д.). В целом, по тепловым свойствам горных пород имеются многочисленные данные, которые показывают влияние минерального состава, дисперсности и строения на их теплофизические параметры. Также тепловые свойства дисперсных пород очень сильно зависят от состава порового заполнителя (вода, лёд, газ, нефть, солевой раствор и т.д.). Влияние ряда из них показано в работах Э.Д. Ершова, Р.Г. Мотенко и др. Однако есть поровые заполнители, влияние которых на тепловые свойства пород изучено слабо. Одними из таких веществ являются газовые гидраты.

По физическим свойствам природные газовые гидраты очень похожи на лёд (теплоемкость, плотность, акустические свойства). Однако есть параметры, которые существенно различаются для гидрата и льда, в частности теплопроводность. Изучению теплопроводности газовых гидратов, в том числе гидрата метана, посвящены работы (R. Stall, G. Bryan, А.Г. Гройсман, J. Cook, D. Leaist, R. Ross, P. Anderson, A. Krivchikov, D. Huang, S. Fan, R. Warzinski, E. Rosenbaum, W. Waite, N. English, J. Tse и др.). Так, по современным данным коэффициент теплопроводности гидрата метана составляет 0,5-0,7 Вт/(м-К), что в 4 раза меньше, чем льда - 2,23 Вт/(м-К).

Теплопроводность гидратосодержащих пород изучена слабо, особенно находящихся в мерзлом состоянии. Отдельные данные по теплопроводности искусственно гидратонасыщенных пород приведены в работах А.Г. Гройсмана (1985), G.B. Asher (1987), S. Fan et al. (2004, 2005), W. F. Waite et al. (2007) и А.Д. Дучкова и др. (2009, 2012). Экспериментальная оценка теплопроводности природных гидратосодержащих грунтов выполнена в процессе исследования на скважине Малик 5L-38 (дельта р. Маккензи, Канада) (Wright et al., 2005). В целом на сегодняшний день установлено, что теплопроводность мерзлых пород значительно выше, чем мерзлых гидратосодержащих. Отмечено, что теплопроводность гидратосодержащих пород в мерзлом состоянии чаще всего выше, чем в немерзлых.

Однако остается неисследованным влияние гидратонасыщешюсти и степени перехода поровой влаги в гидрат на теплопроводность дисперсных пород. Практически не изучено влияние условий формирования гидратосодержащих грунтов на их теплофизические параметры. Не рассмотрено влияние на теплопроводность процессов промерзания и протаивания гидратонасыщенных пород. Мало изученным остается влияние структ-урно-текстурных особенностей на формирование теплопроводности гидратосодержащих пород. Также не рассмотрены теплофизические свойства мерзлых гидратосодержащих пород при давлении ниже равновесного, в условиях проявления эффекта самоконсервации гидрата.

Решению этих задач посвящена настоящая работа.

Глава 2. Характеристика районов отбора грунтовых образцов для экспериментальных исследований

Для выполнения экспериментальных исследований были отобраны грунтовые образцы из газовыделяющих горизонтов мерзлых пород на севере Западной Сибири (территории Ямбургского ГКМ и Заполярного НГКМ), из криолитозоны арктического шельфа моря Лаптевых, а также из доганлх отложений оз. Байкал.

Территория севера Западной Сибири характеризуется газопроявляющими толщами мерзлых пород, где по косвенным признакам возможно существование метастабильных газогидратных образований (Chuvilin et al., 1998; Yakushev, Chuvilin 2000; Якушев и др., 2003), вызванное геологическим проявлением эффекта самоконсервации газовых гидратов при отрицательных температурах (Ершов и др., 1991; Dallimore et al., 1996).

Одним из районов, где предполагается существование газовых гидратов в мерзлых толщах, является Ямбургское ГКМ. В этом районе в интервалах глубин 10 -150 м были зафиксированы многочисленные газопроявления, приуроченные в основном к песчаным отложениям среднего плейстоцена (Мельников и др., 1989). По ряду косвенных признаков одной из причин таких газовых выделений из верхних интервалов мерзлых пород считают внутрипластовые реликтовые газогидратные скопления (Якушев и др., 2003).

Из анализа ряда работ мерзлые породы Заполярного НГКМ могут содержать природные газогидратные скопления. Эти скопления могут находиться в стабильном состоянии на глубине ниже 200-250 м. По ряду косвенных признаков на глубинах до 200 м возможно присутствие реликтовых газогидратных образований, приуроченных к супесчаным отложениям верхнего плейстоцена (Якушев и др., 2003; Махонина и др., 2008).

Криолитозона шельфа морей Восточной Арктики на сегодняшний день является наиболее перспективной на наличие природных газогидратных образований. В литературе отмечается, что этот район характеризуется массированными выделениями метана из донных отложений. По косвенпым признакам данные газовыделения связаны с разложением поровых газовых гидратов, которое вызвано деградацией мерзлой толщи. По результатам моделирования и из анализа полевых данных для территории моря Лаптевых весьма вероятно нахождение в шельфовой мерзлоте реликтовых газогидратных скоплений (Романовский и др., 2006; Шахова и др., 2009; Сергиенко и др., 2012).

Одним из районов, где природные газогидратные скопления были непосредственно отобраны и исследованы, является оз. Байкал (Дучков и др., 2003, Клерке и др., 2003). Для данной территории газогидратные образования приурочены к донным отложениям в местах разгрузки глубинного метана. Одним из них является грязевой вулкан Маленький, расположенный на глубине 1380 м от поверхности воды. На его склонах в донных илах на глубине до 130 см были обнаружены природные скопления гидрата метана.

Глава 3. Методика экспериментальных исследований

Методика экспериментальных исследований теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород, находящихся при различных термобарических условиях,

основана на физическом моделировании гидратосодержащих грунтов и изучении их теплопроводности непосредственно в барокамере под газовым давлением в процессе гидрато- и льдообразования при температурах ниже и выше О °С, а также вне барокамеры при отрицательных температурах и атмосферном давлении. В первом случае изучение образцов происходило при давлении выше фазового равновесия вода (лед) - газ - газогидрат, во втором — ниже.

Методика экспериментальных исследований включала: 1) накопление газовых гидратов в газонасыщешюй грунтовой среде при различных термобарических условиях; 2) определение основных параметров (включая теплопроводность) гидратонасыщениых образцов при равновесном и неравновесном состояниях; 3) изучение кинетики диссоциации поровых газогидратных образовапий в мерзлых грунтах и оценка их теплопроводности при отрицательной температуре и атмосферном давлении.

Объектами исследования являлись модельные грунты с хорошо известными свойствами. В качестве таких грунтов использовались мелкозернистый кварцевый песок (т13) (песок-1) и песчано-глинистая смесь, которая была приготовлена путём добавления к песку-1 14% каолина (еР2). Также эксперименты проводились на природных грунтах песчаного и супесчаного состава. Эти грунты отбирались в областях распространения многолетнемерзлых пород (Север Западной Сибири) и криолитозоны восточной части арктического шельфа (море Лаптевых) из газовыделяющих горизонтов. Песок тонко-мелкозернистый (гг^т Он2"4) был отобран с глубины 63 м на территории Ямбургского ГКМ (песок-2), песок пылеватый тонкомелкозернистый (арц) - с глубины 43-45 м на шельфе моря Лаптевых (песок-3), супесь тяжелая пылеватая ^тСЬ2"4) - в карьере вблизи г. Воркуты (супесь-1), супесь тяжёлая (т,трОш) - с территории Заполярного НГКМ с глубины 199 м (супесь-2).

Кроме того, исследования проводились на замороженных (до -9...-11 °С) природных гидратосодержащих образцах, отобранных из донных отложений оз. Байкал с глубины 1364 метров, которые содержали линзы гидрата метана.

В работе приведена полная характеристика всех использованных грунтов.

Также были проведены определения теплопроводности газонасыщенных пород донных отложений арктического шельфа. Эти исследования были выполнены

непосредственно в полевых условиях на керне, получешюм при бурении на шельфе моря Лаптевых.

При физическом моделировании в качестве гидратообразующего газа использовался метан, т.к. газогидраты метана наиболее часто встречаются в природе, а гидраты С02 использовались для сравнения.

Экспериментальное изучение теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при равновесных условиях осуществлялось на оригинальной газогидратной установке. Эта установка состояла из холодильного шкафа и специальной барокамеры со встроенной в неё системой измерения теплопроводности. Барокамера была разработана совместно с коллегами из Института Природопользования НАН Белоруссии (г. Минск). Определение теплопроводности пород основано на методе стационарного теплового режима. Полная погрешность определения теплопроводности по данным тарировки составила 5-7% (при доверительной вероятности 0,95). Для контроля метрологических характеристик использовались пасты, имеющие теплопроводности в диапазоне от 0,76 до 1,38 Вт/(мК), а также лёд, теплопроводность которого составляла 2,23 Вт/(м-К). Значения теплопроводности паст определялись методом стационарного режима с точностью 5% (Бровка, Романенко, 2010).

Изучение теплопроводности мерзлых гидратосодержащих пород при неравновесных условиях, а также газонасыщенных кернов донных отложений арктического шельфа осуществлялось анализатором теплопроводности КО-2. Этот прибор представляет собой цилиндрический зонд, оснащенный 16-битным микропроцессором, который автоматически производит вычисление коэффициента теплопроводности (Вт/(м-К)) и контролирует температуру грунта с точностью 0,1 °С.

Для оценки погрешности прибора ЫЭ-2 и возможности его применения для изучения грунтовых сред были проведены серии измерений теплопроводности веществ с известными тепловыми свойствами, которые подробно описаны в работе. Расчёт погрешности осуществлялся по стандартной методике (Новицкий, Зограф, 1985) с доверительной вероятностью 0,95. Для улучшения контакта зонда со стенками скальных и мерзлых пород была использована термопаста с теплопроводностью около 0,8 Вт/(мК).

По результатам методических исследований полная погрешность измерений теплопроводности талых и охлаждённых дисперсных пород составляет до 10%. При применении KD-2 для определения теплопроводности мерзлых пород (температура ниже - 5 °С) была выявлена систематическая погрешность, которая составляет +20%. Это позволило учесть её при измерениях и существенно повысить точность. В итоге полная погрешность измерения теплопроводности не превышает 10%.

Эксперименты по изучению теплопроводпости грунтов под давлением метана выше равновесного проводились при положительных и отрицательных температурах.

Методика ведения экспериментов при положительной температуре и замораживании включала следующие этапы: насыщение метаном (до 5 МПа) барокамеры с грунтом при комнатной температуре (t ~ 21±1 °С) и её охлаждение до низкой положительной температуры (+2±1 °С). Затем проходил этап гвдратонасыщения при t=2±l °С и давлении не ниже 4,0 МПа. По завершению гидратообразования проводилось замораживание гидратосодержащего образца (t — 5...-8 °С). При этом остаточная поровая влага, не перешедшая в гидрат, вымерзала, что активировало дополнительное гидратообразование (Чувилин, Козлова, 2005; Чувилин, Гурьева, 2009).

Во втором случае изучение теплопроводности проводилось при постоянной ■отрицательной температуре -5±1 °С и последующем оттаивании до низкой положительной температуры. Процесс гидратообразования при отрицательных температурах (-5±1 °С) начинался сразу после насыщения барокамеры с мерзлым образцом охлажденным метаном до 5 МПа. В этом случае образование гидрата происходило из порового льда. После завершения гидратообразования при заданной отрицательной температуре, барокамера с образцом нагревалась до положительной температуры (t=+2±l °С), при этом давление поддерживалось выше равновесного, в результате чего при нагревании и оттаивании образца фиксировалось дополнительное гидратообразование (Чувилин, Гурьева, 2009).

Измерение теплопроводности образца грунта, а также регистрация температуры и давления в установке осуществлялись на каждом этапе охлаждения и нагревания. Для сравнения образец грунта в барокамере подвергался замораживанию и оттаиванию без условий гидратообразования.

По изменению термобарических условий в ходе экспериментов с использованием РУТ метода с учётом сжимаемости проводился расчёт перехода метана в падратную форму (Чувилин, Козлова, 2005). При этом рассчитывались основные параметры гидратонакопления: объёмное гидратосодержание (Н„ %), гидратонасыщенность (Эь, %) и коэффициент гидратности (Кь, д. е.) - доля поровой воды, перешедшей в гидрат, от общего количества воды в образце.

Методика изучения теплопроводности мерзлых гидратонасыщенных пород при неравновесных условиях включала искусственное насыщение исследуемого грунтового образца газогидратами метана или С02. Впачале гидратонасыщение грунтовых образцов проводилось при отрицательных температурах -4...-б °С, при этом газогидрат возникал непосредственно на поверхности порового льда, что подавляло процессы миграции влаги и позволяло получить грунтовый образец с равномерным распределением газогидрата (Чувилин, Козлова, 2005). После гидратонасыщения при отрицательных температурах (1= -6±1 °С) давление в барокамере сбрасывалось до атмосферного и образец извлекался наружу. В результате получались мерзлые гидратосодержащие грунты с равномерным распределением газогидратов. Размер грунтовых образцов составлял от 3,2 см до 4,5 см в диаметре, и около 9 см по высоте.

Поровые газогидратные образования в мерзлых грунтовых образцах имели хорошую сохранность достаточно длительное время, благодаря эффекту самоконсервации при атмосферпом давлении и температуре -6±1 °С.

Это позволило получить для мерзлых гидратосодержащих образцов ряд характеристик (теплопроводность, влажность, плотность, удельное газосодержание). Определение удельного газосодержания исследуемых образцов проводилось методом измерения объема газа, который выделяется при оттаивании предварительно взвешенной пробы гидратосодержащего грунта в насыщенном водном растворе №С1. Расчет основных параметров гидратонакопления (Ну, Бь, Кь) проводился с использованием гидратных чисел 5,9 (для гидрата СЫ,) и 6,1 (для гидрата С02).

Глава 4. Закономерности изменения теплопроводности газонасыщсниых пород при гидратообразовании и замораживании-оттаивании

Изучение изменения теплопроводности газонасыщенных пород проводилось при различных условиях гидратонакопления:

1) при низких положительных температурах 0 ~ +2±1 °С), когда гидратообразование в грунте происходило из поровой влаги;

2) при отрицательной температуре (I =-5±1 °С), когда формирование гидрата в газонасыщенном мерзлом грунте происходило из порового льда;

3) при замораживании, когда вымерзала остаточная (не перешедшая в газогидрат при положительных температурах) поровая влага, которая активировала дополнительное гидратообразование в грунте. Понижение температуры при замораживании происходило от +2±1 °С до -5...—8 °С;

4) при оттаивании, когда поровый лёд, не перешедший в гидрат, переходил в жидкую фазу, что вызывало дополнительное гидратообразование. Повышение температуры при оттаивании происходило от -5±1 °С до +2±1 °С.

Все эксперименты по изучению влияния условий гидратонакопления на теплофизический параметр проводились на грунтах песчано-супесчаного состава с неполной степенью заполнения пор водой (льдом).

Анализ теплопроводности газонасыщенных грунтовых образцов при I = +2±1 °С показал, что при малом содержании газогидрата в поровом пространстве (Кь до 0,4 д. е.) теплопроводность исследуемых образцов меняется незначительно не более 3% (рис. 1).

2,2

1,0

Н! 1 лс 3 '

1 ♦ ♦

Л1 42 аз

1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

_Кь,Д- е____

2,2

о 1,4

1.0

) .....А. 2 о

к к

04 Л5

0,0 0,1 0,2

0,3 0,4

К Д- е.

0,5 0,6

Рис. 1. Зависимость теплопроводности грунтов от коэффициента гидратности при 1= +2±1 °С. 1- песок-1, \У=16%; 2- песок-1, '№=10%; 3- песок-2, №=15%; 4-песок+14% каолина, \У=15%; 5- супесь, \У=18%.

При этом заметное изменение теплопроводности газонасыщенных грунтов наблюдается при большом значении коэффициента гидратности (Кь более 0,4 д. е.)

(рис. 1). Так, в образце супеси-1 С\У=18%) при увеличении Кь от 0 до 0,46 д. е. коэффициент теплопроводности повысился от 1,77 Вт/(мК) до 2,01 Вт/(мК), что составило около 14%. Это можно объяснить тем, что при переходе более 40% процентов поровой влаги в гидрат происходят структурные изменения в породе, связанные с локальной миграцией и перераспределением влаги в поровом пространстве грунта. Это приводит к уплотнению скелета грунта и увеличению степени заполнения пор, что оказывает влияние на тепловые контакты в грунте.

Из экспериментальных данных видно, что в процессе гидратонакопления при отрицательных температурах теплопроводность мерзлых газонасыщенных пород понижается (рис 2).

>: „ж

к -

i

ОЗ о4

1

i

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

К д- е.

Рис. 2. Зависимость теплопроводности грунтов от коэффициента гидратности при t= -5±1 °С. 1- песок-1, W=19%; 2- песок-1, W=22%; 3- песок -2, W=15%; 4- супесь-1, W=24%.

Так для песка-1 (W=19%) при увеличении Kh от 0 до 0,5 д. е. его теплопроводность понизилась с 2,32 Вт/(м К) до 1,80 Вт/(мК), что составило около 22%.

Такая тенденция снижения теплопроводности метанонасыщеиных мерзлых пород при гидратонакоплении прежде всего связана с изменением соотношения поровый лед - поровый гидрат, т.е. с уменьшением доли льда, который имеет высокую теплопроводность (2,23 Вт/(мК)), и увеличением доли газогидрата, теплопроводность которого в 4 раза меньше- 0,6 Вт/(м К).

Полученные экспериментальные данные показывают, что замораживание гидратонасыщенных пород (до -5...-8 °С), в отличие от контрольных образцов,

приводит к аномальному уменьшению теплопроводности. В работе показано, что при замораживании для песчаных грунтовых образцах уменьшение теплопроводности составляло около 10%, а для супесчаных - до 50%. Так, при замерзании гидратосодержащего песка-1 (№=16%) его теплопроводность уменьшилась от 1,96 до 1,77 Вт/(м-К), а при замораживании гидратонасыщенной супеси С\У=16%) снижение было от 2,01 Вт/(м К) до 0,96 Вт/(мК).

Отмеченное аномальное снижение теплопроводности гидратонасыщенных пород при замораживании вызвано дополнительным гидратообразованием на контактах частиц и агрегатов при охлаждении, а также возможными структурно-текстурными преобразованиями, связанными с образованием микротрещин.

В работе показано, что оттаивание (до +2±1 °С) мерзлых песков, насыщенных гидратами при К 0 °С, также сопровождается понижением их теплопроводности. Это связано с различием теплопроводности порового льда и воды, а также с активизацией процесса дополнительного гидратонакопления (до 10%). Так, при оттаивании песка-2 (№=15%), его теплопроводность понизилась на 8% от 1,86 до 1,72 Вт/(м-К).

На основе анализа экспериментальных данных предложены модели структурно-текстурных преобразований в газонасыщенных породах при гидратонакоплении в области положительных и отрицательных температур, а также при замораживании и оттаивании.

Глава 5. Закономерности изменения теплопроводности мерзлых гидратосодержащих пород при неравновесном давлении

Полученные в барокамере мерзлые гидратонасыщенные грунтовые образцы, благодаря эффекту самоконсервации газовых гидратов при отрицательных температурах, при снижении равновесного давления до атмосферного имели хорошую сохранность. Активная диссоциация поровых газогидратных образований в мерзлых породах фиксировалась в первые минуты после сброса давления, в дальнейшем процесс диссоциации имел затухающий характер вплоть до полного прекращения. Так, через 30 минут после сброса газового давления в образце песка-2 (№=17%) содержание порового газогидрата снизилось на 29%, в дальнейшем его содержание в течение 3-4 дней составляло не менее 20% от первоначального.

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что мерзлые гидратосодержащие образцы при неравновесных условиях имели более низкие

значения коэффициента теплопроводности, чем мерзлые контрольные образцы (таб.1).

Таблица 1. Различия теплопроводности мерзлых грунтовых образцов, содержащих (Хг) и не содержащих ().ы) поровые гидраты метана ( 1= -6±1 "С, Р=0,1 МПа).

Тип грунта W,% р, г/см3 Кь д. е. Я,.,Вт/(м-К) Л„,Вт/(мК)

песок-1 14 1,43 0,23 1,26 2,00

песок-1 16 1,53 0,28 1,33 2,48

песок -2 10 1,68 0,42 1,28 2,09

песок-2 21 1,68 0,60 0,53 2,78

супесь -1 15 1,77 0,29 1,25 1,93

супесь-1 23 1,94 0,19 2,23 2,58

супесь-2 21 1,80 0,29 2,14 2,54

Эти различия увеличивались при переходе от супесчаных к песчаным породам, а также с увеличением гидратосодержания (рис. 3).

3,0

?

■р 2,5

Й 2,0

О

1,5

ш

а. 1,0

о

с 0.5

У-

0,0

0,6

Кь, д. е.

0,8

Рис. 3. Влияние доли поровой влаги, перешедшей в гидрат (Кь), на теплопроводность мерзлых гидратосодержащих образцов песка-2 (\У=19%) при 1= -6±1 °С и Р= 0,1 МПа, гидрат СН4.

Максимальная разница (более чем в 5 раз) была зафиксирована для песка-2 с высокой долей влаги, перешедшей в гидрат (Кь=0,6 д. е.), и высокой гидратонасьпценностью (5Ь=63%).

Такое существенное различие в значениях теплопроводности обусловлено с одной стороны высоким содержанием газогидрата, теплопроводность которого ниже теплопроводности льда, с другой стороны - со структурными изменениями, связанными с формированием газогидратных образований на контактах песчаных частиц. Для песчаного грунта было отмечено некоторое критическое значение Кь (около 0,4 д. е.), выше которого теплопроводность практически не меняется и становится близкой к теплопроводности чистого гидрата. Это может быть связано с тем, что при небольшой доле влаги, перешедшей в гидрат (Кь до 0,4 д. е.), газогидрат преобладает на контактах грунтовых частиц, а при большем Кь уже преобладает поровый гидрат. Также можно предположить, что при высокой доле влаги, находящейся в газогидратной форме, при сбросе давления в образце образуются микротрещины, которые были описаны ранее в ходе микроструктурных исследований (Ершова и др., 1990)

Было установлено, что теплопроводность гидратосодержащих образцов после сброса давления увеличивается во времени, что связано с медленной диссоциацией порового гидрата и увеличением при этом содержания морового льда.. Так в образце гидратосодержащего песка-2 (^/=17%) за 55 часов при -6±1 °С теплопроводность увеличилась от 0,5 Вт/(м-К) до 1,74 Вт/(м-К). При этом доля влаги, находящаяся в газогидратаом состоянии, уменьшилась от 0,43 до 0,13 д. е.

В ходе исследований было выявлено, что для образцов, содержащих видимые льдогидратные прослои, характерна анизотропия теплопроводности, обусловленная особенностями криогидратного строения. Так, теплопроводность в пределах образца изменялась от 0,77 Вт/(м-К) до 1,37 Вт/(м-К) в зависимости от места измерения и расположения льдогидратной линзы.

Глава 6. Особепности теплопроводности доппых отложений губы Буор-Хая (шельф моря Лаптевых)

В ходе полевых работ были получены данные по влажности, плотности и теплопроводности донных отложений в губе Буор-Хая на шельфе моря Лаптевых до глубины 52,3 м (рис. 4). На всю глубину опробования толща была представлена

охлажденными породами. В верхней части разреза, представленной до глубины 6 м Илами, теплопроводность с глубиной повышается от 0,8 до 1,1 Вт/(м К). Весовая влажность пород при этом закономерно уменьшается от 90% до 45%. Для нижележащей толщи песчаных пород значение коэффициента теплопроводности отложений меняется от 1,4 Вт/(м-К) для горизонта с повышенным содержанием пылевато-глинистого материала до 2,1 Вт/(м-К) для песчаных горизонтов с высокой плотностью. По данным И.П. Семилетова газонасыщенпость песчаных отложений в среднем составляла 750-1500 миллимоль/л. В целом для песчаной толщи характерны величины теплопроводности порядка 1,7-2,0 Вт/(м-К), влажности - 15-18% и плотности скелета - 1,5-1,8 г/см3. Выявлешше в песчаной толще горизонты с пониженными значениями теплопроводности соответствуют присутствию в разрезе прослоев с повышенным содержанием глинисто-пылеватого материала.

Влажность, % О 20 АО

Плотность скелета, г/см3 0.8 1,2 1,6 2,0

Теплопроводность, Вт/(м К) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

10

ш

>»

с 30

1 1 —1— 1 м

ч

* ♦!

» > У 1 ^>1 _____

1 1 ...1.........

Рис. 4. Изменение теплопроводности, влажности и плотности скелета пород по глубине.

Частое колебание величины теплопроводности песчаной толщи по глубине, возможно, связано со структурно-текстурными неоднородностями, которые обусловлены микрослоистостыо за счет тонкодисперсного материала, а также неравномерной газонасьнцешюстью донных отложений.

19

В работе показано, что содержание глинистых и пылеватых частиц в изученном разрезе является очень важным фактором, влияющим на их теплопроводность. Установлено, что теплопроводность изучаемых отложений имеет линейную зависимость от содержания глинистых и пылеватых частиц.

В работе отмечено закономерное понижение теплопроводности донных отложений с увеличением их пористости. Также показано, что влажность и плотность песчаных отложений оказывают слабое влияние на теплопроводность и не являются значимыми факторами, влияющими на её изменчивость с глубиной.

Сравнение теплопроводности образцов в охлажденном и мерзлом состояниях показало, что замораживание приводит к возрастанию теплопроводности примерно на 45-60 %. Для образца песка, отобранного с глубины 45 м, коэффициент теплопроводности в охлаждённом состоянии составил 1,78 Вт/(м-К), а в мерзлом 2,78 Вт/(м-К). При этом разница в значениях составляет 56%.

Заключение

Выполненные экспериментальные исследования закономерностей формирования теплопроводности газо- и гидратосодержащих дисперсных пород в области цизких положительных и отрицательных температур позволяют сделать следующие выводы:

I. В ходе экспериментальных исследований была разработана комплексная методика изучения теплопроводности газо- и гидратонасыщенных пород при различных термобарических условиях. Она включала: изучение теплопроводности газонасыщенных пород при гидратонакоплении в условии низких положительных и отрицательных температур, оценку изменения теплопроводности при промерзании и протаивании гидратонасыщенных пород при давлении выше равновесного, а также исследование теплопроводности мерзлых гидратосодержащих грунтов при проявлении эффекта самоконсервации порового газогидрата.

II. Выявлены основные закономерности изменения теплопроводности газонасыщенных пород при различных условиях гидратонакопления:

1. В процессе гидратонакопления при £> О °С, когда более 40% поровой влаги перешло в гидрат (Кь более 0,4 д.е.), повышение теплопроводности составило до 14%.

2. В процессе гидратообразования при I <0 °С, выявлено, что понижение теплопроводность исследуемых мерзлых пород составило до 22%.

III. Проведена оценка влияния процессов промерзания и протаивания на теплопроводность гидратонасыщенных пород при давлениях выше равновесного:

1. При замораживании пород, насыщенных газовыми гидратами при положительных температурах, зафиксировано аномальное понижение теплопроводности. Так, для песчаных пород понижение составило ~ 10 %, а для супесчаных -50%.

2. При опаивании под давлением выше равновесного мерзлых гидратосодержащих пород, насыщенных гидратами при I <0 °С, выявлено, что понижение их теплопроводности составило до 8%.

3. На основе полученшлх экспериментальных данных теплопроводности предложены модели структурно-текстурных преобразований в газонасыщенных породах при гидратонакоплении в области положительных и отрицательных температур, а также при замораживании и оттаивании.

IV. Получены закономерности изменения теплопроводности мерзлых гидратосодержащих пород при давлении ниже равновесного.

1. Экспериментально показано, что теплопроводность мерзлых гидратосодержащих образцов при неравновесном давлении может значительно отличаться от теплопроводности мерзлых грунтовых образцов, не содержащих гидрат. Это различие в зависимости от состава и строения образцов может достигать десятков и сотен процентов.

2. Получены данные, которые показывают, что с увеличением доли влаги, находящейся в гидратной форме, и гидратонасыщенности теплопроводность мерзлых образцов уменьшается. При этом снижение теплопроводности может составить до 70%.

3. Установлено, что теплопроводность гидратосодержащих образцов после сброса давления во времени увеличивается, что связано с медленной диссоциацией порового гидрата, при которой происходит уменьшение содержания порового гидрата и увеличение содержания льда. Так, в мерзлом гидратосодержащем песчаном образце за 55 часов теплопроводность увеличилась в 3,5 раза.

4. Выявлено, что для образцов, содержащих видимые льдогидратные прослои, характерна анизотропия теплопроводности, обусловленная криогидратным строением. Так, в пределах образца теплопроводность может изменяться в 1,5-2 раза.

V. Выявлены особенности изменения теплопроводности газосодержащих охлаждешплх и мерзлых пород в субаквальных условиях.

1. Получены данные по влажности, плотности и теплопроводности донных отложений в губе Буор-Хая па шельфе моря Лаптевых до глубины 52,3 м

2. В верхней части разреза, представленной до глубины 6 м илами, теплопроводность с глубиной повышается от 0,8 до 1,1 Вт/(м-К). Для нижележащей толщи песчапых пород характерны величины теплопроводности порядка 1,7-2,0 Вт/(мК).

3. Содержание глинистых и пылеватых фракций в отложениях является основным фактором, влияющим на теплопроводность исследованных донных отложений.

4. Показано, что теплопроводность одних и тех же образцов в мерзлом состоянии на 45-60 % больше, чем в охлажденном состоянии.

Список публикаций автора по теме диссертационной работы

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1) Сергиенко В.И., Лобковский ЛИ., Семилетов И.П., Дударев О.В., Дмитревский H.H., Шахова Н.Е., Романовский H.H., Космач ДА., Никольский Д.Н., Никифоров С.Л., Саломатин A.C., Ананьев P.A., Росляков А.Г., Салюк А.Н., Карнаух В.В., Черных Д.Б., Тумской В.Е., Юсупов В.И., Куриленко A.B., Чувилин Е.М., Буханов Б.А. Деградация подводной мерзлоты и разрушение гидратов шельфа морей Восточной Арктики, как возможная причина "метановой катастрофы": некоторые результаты комплексных исследований 2011 года // Доклады Академии Наук. 2012. Т. 446. № 3. с. 330-335.

2) Чувилин Е.М., Буханов Б.А. Экспериментальное изучение теплопроводности мерзлых гидратосодержащих грунтов при атмосферном давлении // Криосфера Земли. 2013. № I.e. 69-79.

3) Чувилин Е.М., Буханов Б.А., Тумской В.Е., Шахова Н.Е., Дударев О.В., Семилетов И.П. Теплопроводность донных отложений в районе губи Буор-Хая (шельф моря Лаптевых) // Криосфера Земли. 2013. № 2. с. 24-36.

Статьи и тезисы на российских и международных конференциях:

1) Буханов Б.А., Котов П.И. Экспериментальное изучение газовой эмиссии при диссоциации газогидратов в мерзлых породах и их экологическое значение /

Материалы Восьмой межвузовской молодёжной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользованья». Спб. 2007. с 214-216.

2) Буханов Б.А., Лупачик М.В. Экспериментальная оценка теплопроводности гидратонасыщенных пород в мерзлом состоянии / Сборник тезисов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Москва. 2008.

3) Буханов Б.А., Котов П.И. Экспериментальное изучение теплопроводности пород под давлением при гидратообразовании и замораживании / Сборник тезисов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Москва. 2009.

4) Котов П.И, Гурьева О.М, Буханов Б.А. Экспериментальное изучение разложения порового гидрата метана при нагревании / Сборник тезисов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Москва. 2008.

5) Петракова С.Ю., Гурьева О.М., Буханов Б.А., Котов П.И. Экспериментальное изучение эффекта самоконсервации при диссоциации порового гидрата метана в мерзлых образцах / Сборник тезисов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Москва. 2007.

6) Чувилин Е.М., Буханов Б.А., Гурьева О.М.. Экспериментальная оценка эффекта самоконсервации газовых гидратов в мерзлых породах / Международная конференцій «Перспективы освоения газогидратных месторождений». Москва. 2009.

7) Чувилин Е.М., Буханов Б.А., Котов П.И., Сафонов С.С. Изменение тепловых и фильтрационных свойств газонасыщенных пород при гидратообразовании и замораживании / Международная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений». Москва. 2009.

8) Чувилин Е.М., Буханов Б.А., Буйда Т.А., Попова О.В. Экспериментальное изучение газопроницаемости образцов пород при гидр ато насы ще 11 ии и замораживании / Тезисы докладов конференции «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения». Москва. 2010. с. 102.

9) Чувилин Е.М., Буханов Б.А. Измеиепие теплопроводности газонасыщенных пород при гидратообразовании и замораживании / Материалы 4-ой конференции

геокрилогов России. Москва. 2011. Том№1. с.358-364.

23

10) Чувилин Е.М., Буханов Б.А. Изменение теплопроводности газонасыщенных пород в процессе гидратонакопления при отрицательных и положительных температурах / Сборник тезисов Десятой международной конференции по мерзлотоведению. Салехард. Россия. 2012. Том 5. с. 44-45.

11) Bukhanov В.A., Chuvilin Е.М., Guryeva О.М., Kotov P. I. Experimental Study of the Thermal conductivity of the frozen sediments containing gas hydrate / Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost. Fairbanks. USA. 2008. p. 205-209.

12) Chuvilin E.M., Bukhanov B.A., Gureva O.M. Experimental estimation of thermal properties of frozen gas hydrate saturated sediments / Proceeding of the Conference on the "Gas hydrates". Irkutsk. 2007. p. 14-15.

13) Chuvilin E.M., Buhanov B.A. Change of thermal conductivity of gas-saturated sediments during hydrate formation and freezing / Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates. Edinburgh. United Kingdom. 2011. http://www.pet.hw.ac.uk/icgh7/papers/icgh201 lFinal00221 .pdf

14) Chuvilin, E.M., Bukhanov B.A. Experimental study of the thermal conductivity of frozen hydrate saturated sediments in equilibrium and nonequilbrium conditions / 8th International Workshop on Methane Hydrate Research & Development. 2012 Fiery Ice. Sapporo. Japan. 2012. p. 38.

15) Semiletov I., Shakhova N., Dudarev O. Kosmach D., Tumskoy V., Charkin A., Samarkin V., Kholodov A., Grigoriev M., Nicolsky D., Bukhanov В., Krukhmalev A. First drilling in the Ust' Lensky Rift Zone, Laptev Sea: accomplishment and preliminary results / EOS. AGU Fall Meeting. San-Francisco. USA. 2011. GC511-07.

Подписано в печать:

25.04.2013

Заказ № 843 7 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Буханов, Борис Александрович, Москва

являются температурные условия гидратонакопления, промораживание, оттаивание.

3) При проявлении самоконсервации газовых гидратов теплопроводность мерзлых гидратосодержащих пород определяется кинетикой диссоциации порового гидрата, гидрато- и льдонасыщенностью, а также структурно-текстурными изменениями.

4) Измеренная теплопроводность охлажденной толщи пород арктического шельфа (на примере моря Лаптевых) контролируется дисперсностью, степенью литификации и фазовым составом поровой влаги.

Апробация результатов исследования.

Результаты и основные положения работы представлялись на международных и российских конференциях: Международная конференция по газовым гидратам (Иркутск, 2007); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2007, 2008, 2009); Девятая и Десятая Международные конференция по мерзлотоведению (Фербенкс, 2008 и Салехард, 2012); Конференция «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения» (Москва, 2010), Седьмая международная конференция по газовым гидратам (Эдинбург, 2011); Международная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений» (Москва, 2009); Четвёртая конференция геокриологов России (Москва, 2011); Международная конференция Американского геофизического союза (Сан-Франциско, 2011); Восьмой международный семинар по исследованиям газогидратов метана и их дальнейшему развитию (Саппоро, 2012).

Публикации

Основные положения работы изложены в 15 тезисах докладов, представленных на Российских и Международных конференциях, а так же в 3-х статьях журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа содержит 163 страницы текста, состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа содержит 64 рисунка и 15 таблиц. Список использованной литературы включает 83 отечественных и 70 зарубежных наименований.

Благодарность.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доценту Е.М. Чувилину за помощь и всестороннюю поддержку в процессе подготовки и написания данной работы. Автор признателен всем преподавателям и сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за полученные знания в процессе обучения. Особую благодарность автор выражает Мотенко Р.Г., Комарову И.А. и Чеверёву В.Г. за ценные советы и замечания относительно представленной работы. Автор благодарен сотрудникам Московского научно-исследовательского центра Шлюмберже за помощь и советы при подготовке диссертационной работы. Так же автор выражает признательность коллегам из Института природопользования HAH Белоруссии, особенно Бровке Г.П., за помощь при подготовке и наладке экспериментального оборудования. Кроме того автор благодарен коллегам из Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, особенно Семелетову И.П. и Дудареву О.В., за помощь и поддержку во время полевых исследований.

Таблица 1.1. Тепловые свойства горных пород (Ершов и др., 1996).

Наименование Теплопроводность Л,, Вт/(м*К) Объёмная теплоёмкость Ср, кДж/(м3,К)

Вода (при +4 °С) 0,54 4180

Лёд 2,22-2,35 1930

Воздух (при 0 °С) 0,024 1,26

Снег

рыхлый од 210

плотный 0,3-0,4 420-630

Граниты 2,3-4,1 1680-1810

Габбро 1,74-2,91 2120-2240

Базальты 1,74-2,91 2270-2770

Кварциты 2,9-6,4 1780-1990

Сланцы 1,74-2,33 1850-1920

Песчаники 0,7-5,8 1130-2250

Известняки 0,8-4,1 1010-2010

Доломиты 1,1-5,2 1810-2840

Крупнообломочные породы

воздушно-сухие 0,23-0,35 1000-1900

влагонасыщенные талые 1,1-2,1 2300-3200

влагонасыщенные мерзлые 1,4-3,1 1800-2300

Пески

воздушно-сухие 0,3-0,35 1200-1300

влагонасыщенные талые 1,7-2,6 1800-3200

влагонасыщенные мерзлые 1,5-3,0 1700-2200

Суглинки лёссовидные

воздушно-сухие 0,19-0,22 1200-1500

влагонасыщенные талые 0,6-1,0 300-3500

влагонасыщенные мерзлые 1,2-1,4 200-2200

Глины

воздушно-сухие 0,8-1,0 1400-2200

влагонасыщенные талые 1,2-1,4 2800-3300

влагонасыщенные мерзлые 1,4-1,8 2000-2500

Торфа

воздушно-сухие 0,012-0,14 100-150

влагонасыщенные талые 0,7-0,9 2400-3600

влагонасыщенные мерзлые 1,1-1,2 1600-2700

Теплоемкость горной породы вне области интенсивных фазовых переходов представляет собой аддитивную величину, и её значение можно рассчитать как сумму произведений удельных теплоёмкостей компонентов грунта на их весовую долю. В области фазовых переходов теплоемкость является эффективной величиной, и при расчетах надо учитывать тепло, необходимое для подплавления льда в результате изменения фазового состава влаги при изменении температуры. Исходя из этого, теплоемкость породы есть сумма теплоемкостей: минеральной компоненты (твердых частиц), органической составляющей, воды (для влажных грунтов) или водного раствора соли (для засоленных грунтов), нефти (для нефтесодержащих пород), льда (для мерзлых грунтов) и газовой составляющей породы. Из данных, представленных в табл. 1.1, видно, что удельная теплоемкость минералов изменяется от 0,7 до 0,9 кДж/(кг*К), а сухих горных пород от 0,6 до 1,0 кДж/(кг«К)). Удельная теплоемкость воды, льда, воздуха, нефти, соли равны соответственно: С^ = 4,19; С} = 2,09; Св= 1,005; Сн = 1,9-2,2; Сс = 0,65-0,89 кДж/(кг«К). Видно, что с увеличением влажности теплоёмкость дисперсного грунта повышается. Также у мерзлого грунта теплоемкость ниже, чем у талого (Методы..., 2004; Чеверёв, 2004).

Что касается теплопроводности, то для большинства породообразующих минералов этот параметр изменяется от 0,7 до 7 Вт/(м*К). Хотя для некоторых минералов значение теплопроводности может превышать этот диапазон: например, для пирита (монокристалла) оно равно 38,9 Вт/(м*К).

Значение коэффициента теплопроводности магматических пород изменяется от 1,75 до 4,1 Вт/(м*К), диапазон изменения теплопроводности пород метаморфической группы значительно шире - от 1,74 для сланцев до 6,4 Вт/(м*К) у кварцита. Для интрузивных горных пород теплопроводность увеличивается в ряду от основных к кислым. У щелочных пород средняя теплопроводность самая низкая. Теплопроводность эффузивных скальных пород ниже, чем интрузивных. Осадочные породы чрезвычайно различаются по

минералогическому и химическому составу, и их теплофизические характеристики зависят от возраста осадков, степени литификации, различных условий их залегания и преобразования и т.д. (Теплофизические свойства..., 1984; Ершов и др., 1987).

Дисперсные породы являются многофазной и многокомпонентной системой, поэтому их теплопроводность очень сильно зависит от взаимного расположения, размера и количества контактирующих частиц, а так же от количества свободной и связанной воды в грунте, и соотношения твердой и жидкой фаз при отрицательной температуре. Наличие в горных породах порового пространства, заполненного воздухом, водой, льдом, нефтью, солевым раствором, резко осложняет процесс переноса тепла (значения коэффициентов теплопроводности компонентов пород равны соответственно Х.в=0,024; А^=0,54; ¿4=2,22; А,н=0,14; ^с=0,59 Вт/(м«К)) (Мотенко, 1997; Ершов и др., 2007; Нефедьева и др., 2008). Теплопроводные свойства горных пород определяются не только теплопроводностью различных компонентов и их количественным соотношением, но и структурой и текстурой породы. Влияние этих факторов может приводить к проявлению анизотропии тепловых свойств (Ершов и др., 1987, 1996; Чеверёв, 2004). Такая анизотропия теплопроводности наиболее отчётливо будет выражена в толщах грунтов со шлировой криогенной текстурой. В таких грунтах значение теплопроводности вдоль ледяных шлиров будет на 20-30% выше, чем в перпендикулярном направлении. Также стоит отметить, что тип льда-цемента будет влиять на тепловые характеристики. Так в мерзлых грунтах с базальным типом льда цемента теплопроводность будет выше, чем в грунтах с контактовым типом льда-цемента (Ершов и др., 1996).

Теплопроводность грунтов разного гранулометрического и

минерального состава зависят от влажности, плотности, температуры,

строения, генезиса, возраста, засоления, загрязнения и пр. Значение

теплопроводности выше у плотных грунтов, так как уплотнение сопровождается

улучшением качества контактов между частицами. В мерзлом состоянии

влияние плотности менее выражено ввиду близости теплопроводности льда и

13

скелета грунта. Теплопроводности сухих грунтов различного состава мало зависят от свойств материала скелета и лежат в пределах 0,2—0,5 Вт/(м*К). С повышением влажности теплопроводность дисперсных пород повышается. Это связано с заменой воздуха на поровые флюиды с большей теплопроводностью, такие как вода и лед. В области положительных температур при степенях заполнения пор больше 0,7, теплопроводность может оставаться неизменной или даже немного уменьшаться. При отрицательных температурах теплопроводность монотонно возрастает с увеличением степени заполнения пор (Ершов и др., 1987, 1996; Методы..., 2004).

Теплопроводность пород в мерзлом состоянии обычно выше, чем в талом. Это связано с различием теплопроводности льда и воды. Однако, при неполной степени заполнения пор влагой в некоторых грунтах возможно сближение и даже превышение теплопроводности для талого состояния в сравнении с мерзлым состоянием (Чеверёв, 2004).

Теплопроводность грунтов в области интенсивных фазовых переходов изменяется в соответствии с фазовым составом влаги. В дисперсных породах минеральный состав оказывает как прямое влияние на теплопроводность, так и опосредованное, через гидрофильность и соответственно фазовый состав воды. Увеличение концентрации порового раствора и степени заторфованности ведет к снижению теплопроводящей способности пород (Ершов и др., 1987, 1996).

Теплофизические характеристики горных пород формируются под влиянием геолого-географических антропогенных факторов. В наибольшей степени влияние внешних условий на теплопроводность отражают такие параметры, как температура пород, а также направление и скорость ее изменения (промерзание-оттаивание, темп охлаждения—нагревания). Понижение температуры приводит к линейному увеличению теплопроводности в кристаллических породах и аналогичному

уменьшению в аморфных, что связано с различными механизмами переноса тепла.

Исследование влияния гранулометрического состава дисперсных пород показало рост величины теплопроводности в ряду глина — суглинок — лёсс — супесь — песок — крупнообломочные породы. Теплопроводность пород уменьшается при увеличении дисперсности, например, у песка от крупных к мелким и пылеватым (Ершов и др., 1996; Методы..., 2004).

Что касается изученности газогидратной компоненты и её влияния на тепловые свойства грунта, то на сегодняшний день это вопрос изучен слабо.

Газовые гидраты представляют собой льдоподобные кристаллические соединения, состоящие из молекул воды и природного газа с низкой молекулярной массой. Кристаллическая структура газогидрата - это трехмерный ажурный каркас, построенный из молекул воды таким образом, что в нем образуется большое количество полостей, частично или полностью занятых молекулами газов. Газ удерживается в каркасе за счет относительно слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия. Гидраты природных газов образуются при взаимодействии воды и газа в условиях низкой температуры и повышенного давления (Макогон, 1974, 2003; Бык и др., 1980; Истомин, Якушев, 1992; Sloan, 1998, 2003).

По физическим свойствам газовые гидраты во многом схожи со льдом (теплоемкость, плотность, коэффициент Пуассона, а также акустические свойства) (Истомин, Якушев, 1992; Макогон, 1974). Однако есть и существенные различия, а некоторые свойства вообще являются уникальными. Например, один объем воды связывает в газогидратное состояние около 205 объемов гидратообразующего газа. При этом удельный объем может возрастать на 26% (при замерзании воды - на 9%) (Макогон, 2003). Большинство свойств газовых гидратов не зависят от типа гостевой молекулы (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Сравнение свойств льда и гидратных структур I и II (по

данным Sloan, 1998; Мах, 2000)

Свойство Лед Структура I Структура II

Спектроскопические свойства

Кристаллографическая элементарная ячейка

Число молекул Н20 4 46 136

Параметры решетки при 273 К а=4.52, с-7.36 12.0 17.3

Диэлектрическая постоянная при 273 К 94 58 58

ИК-спектр Широкая полоса поглощения при 229 см"1 Полоса при 229 см"1 (с дополнительными по сравнению со льдом особенностями)

Время реориентации Н20 при 273 К (реек) 21 «10 «10

Время первого диффузионного скачка(реек) 2.7 >200 >200

Механические свойства

Изотермический модуль Юнга при 268К(109 Па) 9.5 8.4-103 8.4-103

Коэффициент Пуассона 0.33 -0.33 0.33

Адиабатический модуль Юнга, ГПа 9,17-9,94 9,17 -

Модуль объемного сжатия (272 К) 8.8 5.6 -

Модуль сдвига (272 К) 3.9 2.4 -

Отношение скоростей Vp/Vs: 272 К 1.88 1.95 -

Статическая диэлектрическая проницаемость при 273,15 К 94 (вода -80) -58 «58

Таблица 1.2. Сравнение свойств льда и гидратных структур I и II (Sloan, 1998; Мах, 2000) Продолжение

Адиабатическое объемное сжатие: 273 К (км/сек) 12 14est 14est

Скорость звука (продольная): 273 К (км/сек) 3.8 3.3 3.6

Плотность, г/см3 0.917 0.91-1.15

Тепловые свойства

Теплота фазового перехода, кДж/кг 334 450 —

Теплоемкость каркаса, 270 К (кДж/(кг*К)) 2,7 2,7 2,6

Теплопроводность, (Вт/(м*К)) 2,23 0,55-0,6*

*По данным Huang, Fan, 200^

Плотность гидрата определяется плотностью каркаса и плотностью заполняющих молекул газа, поэтому она может быть как меньше, так и

о

больше плотности льда. Плотность гидрата СН4 составляет 0,91 г/см (t=-10 °С), а гидрата С02 - 1,054-1,15г/см3 (Мах, 2000).

Как видно из таблицы 1.2, наиболее сильно для газогидрата и льда отличаются тепловые (теплопроводность) и диэлектрические (диэлектрическая проницаемость) свойства.

Газовые гидраты, как и лед, относятся к немагнитным диэлектрикам, слабо проводящим электрический ток. Диэлектрическая проницаемость гидрата довольно велика (58 при 273 К) и практически не зависит от природы гостевых молекул, однако она почти в 2 раза ниже, чем у льда (табл. 1.2.).Это различие связано, прежде всего, с различием кристаллических структур гидрата и льда. Многочисленные исследования диэлектрических свойств различных газовых гидратов KC-I и КС-И в широком диапазоне температур выполнены под руководством Д. Дэвидсона (Davidson, Ripmeester, 1983; Sloan, 1998).

Деформационные свойства гидратов (адиабатический модуль Юнга и коэффициент Пуассона) можно оценить используя значения продольной и поперечной скорости звука. Такие измерения и расчеты показывают, что эти свойства для гидрата и льда близки (табл. 1.2).

Коэффициенты линейного термического расширения гидратных структур I, II и льда в 80-х годах были определены дилатометрическим способом Р. Робертсом с коллегами и рентгеновской порошковой дифрактометрией (Sloan, 1998).

Тепловое расширение и коэффициент Пуассона в гидратах близки к таковым во льду. Скорость продольных звуковых волн в гидратах составляет 3,3-3,5 км/с, а во льду около 3,8 км/с (табл. 1.2).

Прочность на одноосное сжатие гидратов метана и смеси метан-этан достигает ЮОМПа. Для льда прочность составляет только первые десятки МПа (t=-5 °С). Прочность на трехосное сжатие гидратов метана и смеси метан-этан в 20-100 раз больше, чем прочность льда. При температуре 263К прочность льда составляет 1,5 МПа, гидрата С02-10 МПа, гидрата метана - 38 МПа, а смеси метан-этан около ЮОМПа. Прочность образцов гидратонасыщенного песка (50% песка+50% гидрата С02) примерно в 2 раза больше, чем чистого гидрата (Durham et al, 2005). Прочность гидрата метана может быть почти в 30 раз больше, чем льда, и с понижением температуры она увеличивается.

В. Винтере с коллегами (Winters et al., 2000), изучая акустические свойства гидратосдержащих отложений дельты р. Маккензи, отмечали, что по продольным скоростям (Vp) они ведут себя, как рассеянные в породах флюиды, а не как порода, содержащая гидратный цемент между зёрнами. Однако в ряде работ (Tohidi et al., 2001; Dvorkin, Nur, 1993) фиксировалась цементирующая роль газогидратных включений, что подтверждалось возрастанием скоростей поперечных и продольных волн даже при малом содержании порового гидрата. В работах В. Винтерса с коллегами (Winters et al., 2000, 2007) описывалось экспериментальное изучение акустических

свойств мерзлых и гидратосодержащих образцов. По их данным, при образовании мерзлых пород акустические свойства изменяются значительнее, чем при гидратообразовании, что, по их мнению, даёт возможность разделять эти образования в подмерзлотных горизонтах криолитозоны.

При гидратонасыщении природных дисперсных пород их проницаемость снижается (Чувилин и др., 2010). Причём важно не только количество гидрата, но и его распределение в поровом пространстве (Lee, Collett, 2002). Электрическое сопротивление газогидратных образований намного выше с поровой водой, поэтому ряд исследователей предлагают измерять этот параметр для выделения газогидратных отложений (Мах, 2000)

К тепловым свойствам газогидратов относятся теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и теплота гидратообразования (энтальпия). Практическая необходимость определения этих свойств возникает при моделировании процессов образования-разложения газовых гидратов, а также при описании фазовых равновесий (Истомин, Якушев, 1992).

Теплота фазового перехода Q - это количество тепла, которое требуется дл