CC BY
0УДК 351.345
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД ПРИ ЛЬДО- И ГИДРАТООБРАЗОВАНИИ
И Гребенкин С. И., И Чувилин Е. М., Жмаев М. В., Малик А. А.
Центр науки и технологий добычи углеводородов Сколтех, Москва, Россия E-mail: [email protected], [email protected]
В докладе представлены результаты измерений удельного электрического сопротивления и скоростей упругих волн песчаных образцов, насыщенных метаном в условиях замораживания, оттаивания, образования и диссоциации порового гидрата. Данные исследования актуальны для интерпретации полевых геофизических данных в областях криолитозоны с возможным распространением газовых гидратов. Результаты экспериментов позволяют проследить влияние жидкой фазы воды, гидрато- и льдосодержания, а также засоленности на геофизические характеристики газонасыщенных песчаных пород.
Ключевые слова: криолитозона, газонасыщенные породы, газовые гидраты, лед, скорости упругих волн, удельное электрическое сопротивление, экспериментальное моделирование.
EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF CHANGES IN GEOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF GAS-SATURATED SAND ROCKS DURING ICE AND HYDRATE FORMATION
И Grebenkin S. I., И Chuvilin E. M., Zhmaev M. V., Malik A. A.
Skolkovo Institute of Science and Technology, Skoltech, Moscow, Russia
The article presents the results of measurements of electrical resistivity and elastic wave velocities of sand samples saturated with methane under conditions of freezing, thawing, formation and dissociation of pore hydrate. These studies are relevant for the interpretation of field geophysical data in areas of the permafrost zone with the possible spread of gas hydrates. The experimental results allow us to trace the influence of the liquid phase of water, hydrate and ice content, as well as salinity on the geophysical characteristics of gas-saturated sandy rocks.
Key words: cryolithozone, gas-saturated rocks, gas hydrates, ice, elastic wave velocities, electrical resistivity, experimental modeling.
Введение. Геофизические характеристики гидратосодержащих пород на сегодняшний день являются одними из наиболее изученных, так как широко применяются при полевых исследованиях с целью обнаружения в разрезе горных пород потенциальных скоплений газовых гидратов. Этому способствовало проведение значительного количества экспериментальных работ, выявивших эмпирические зависимости основных геофизических характеристик от газо-, влаго- и гидратосодержания для различных типов грунтов [1, 5]. Для проведения комплексных геофизических исследований гидратосодержащих пород в ряде стран (США, Германия, Япония, Китай) были разработаны специальные экспериментальные комплексы, которые
позволяли одновременно проводить измерения скоростей акустических волн, электрического сопротивления и даже некоторых механических характеристик исследуемых образцов с возможностью визуализации процессов, протекающих в поровом пространстве [3-5]. Однако данные исследования проводились только при положительных температурах и были направлены в первую очередь на моделирование морских газогидратных коллекторов. Что касается изучения электрических и акустических характеристик гидратосодержащих пород при отрицательных температурах, характерных для внутримерзлотных гидратов, то такие исследования крайне ограничены из-за близких свойств порового льда и гидрата. В этом направлении имеются лишь отдельные данные, указывающие на существенное увеличение (в несколько раз) скоростей продольных и поперечных вол при замораживании газонасыщенных грунтовых образцов, содержавших газовые гидраты [1, 2]. Учитывая недостаточную изученность льдо-и гидратосодержащих пород в криолитозоне, экспериментальные исследования акустических и электрических свойств газонасыщенных пород в условиях образования порового гидрата и льда являются весьма актуальными и важными.
Методика. Исследования геофизических характеристик гидрато- и льдосодержащих дисперсных пород проводились на основе экспериментального моделирования процессов гидрато-и льдообразования в поровом пространстве песчаных образцов в специальной барокамере,
внутрь которой были установлены комбинированные V , V акустические датчики производ-
р 8
ства ООО «ЭкогеосПром» для измерения скоростей продольных (V ) и поперечных (V ) волн.
р 8
В песчаные образцы также вставлялись четыре латунных электрода для определения удельного электрического сопротивления (УЭС) (р) методом Веннера на постоянном токе. Измерения проводились на цилиндрических образцах диаметром 3,8 см и высотой 8 см, приготовленных из мелкозернистого кварцевого песка, с заданной влажностью (10-12%). Температурные условия в барокамере задавались с помощью жидкостного термостата Julabo FP40 с точностью ±0,2 °С. На первом этапе эксперимента определялись УЭС и скорости упругих волн при положительной температуре и после заморозки грунтового образца. Затем образец оттаивался, насыщался метаном до давления 4-5 МПа и охлаждался до температуры +1 °С, далее проводились измерения параметров в процессе гидратообразования в течение не менее 24 ч. На следующем этапе проводилась заморозка гидратонасыщенного образца до температуры -5 °. После стабилизации отрицательной температуры (-5 °С) в образце давление газа в барокамере снижалось до атмосферного с последующим измерением геофизических параметров в процессе диссоциации и самоконсервации порового гидрата. После затухания процесса диссоциации порового гидрата песчаный образец нагревался до +5 ° для разложения остаточного порового гидрата и льда.
Результаты. Исследование влияния фазовых переходов поровой влаги на УЭС проводилось на двух образцах с влажностью 10-12% и пористостью 37-38% (табл.). В талом состоянии УЭС образцов составило 0,83 и 0,04 кОм-м для незасоленного образца S1 (весовое содержание водорастворимых солей ^а1) менее 0,01%) и засоленного №С1 с Dsal = 0,08% образца S2 соответственно (см. табл.). УЭС образцов в замороженном состоянии увеличилось более чем на 2 порядка и составило 80,74 и 0,34 кОм-м соответственно (см. табл.).
Характеристики исследуемых образцов
Таблица
№ опыта W, % р„, г/см3 П, д. е. в,, % рт, кОм-м р , кОм-м V , м/с р'
S1 10 1,64 0,37 <0,01 0,83 80,74 3550
S2 12 1,60 0,38 0,08 0,04 0,34 2740
Изменения УЭС образцов в ходе гидратообразования как в незасоленном образце (рис. 1, а), так и в засоленном (рис. 1, б) в целом имели схожий характер. УЭС образцов при переходе 0,4 д. е. поровой воды в гидрат (Кь) увеличилось почти в 5 раз.
юоо
100
о
с£
10
м • г.
•
г •* > /
• .И-*
0
0,1
0,2 0,3 К Д.е.
0,4 0,5 • Заморозка
0,2 0,4
К Д.е.
• Диссоциация
Нагревание
б
• Гидратонасыщение а
Рис. 1. Изменения УЭС незасоленного S1 (а) и засоленного S2 (б) песчаных образцов на различных стадиях эксперимента
При последующей стадии замораживания образцов наблюдались значительные различия. Для незасоленного образца S1 (см. рис. 1, а) было отмечено скачкообразное повышение УЭС более чем на порядок при переходе остаточной поровой воды в лед, при этом практически не фиксировалось дополнительное гидратообразование (см. рис. 1, а). При промерзании в засоленном образце отмечено повышение Кь на 0,15 д. е. (см. рис. 1, б), при этом наблюдался более плавный рост УЭС во времени, что связано с вымерзанием остаточной воды в спектре отрицательных температур. После замерзания засоленного образца S2 УЭС сначала повысилось до 5,94 кОм-м, а затем снизилось до 4,95 кОм-м, что, по-видимому, объясняется процессами перераспределения солей в поровом пространстве образца. При этом УЭС мерзлого гидратонасыщенного образца было в 5 раз выше, чем УЭС мерзлого образца, не содержащего поровый гидрат.
На следующем этапе проводились измерения УЭС образцов в процессе диссоциации порового гидрата при температуре -5 °С. Главным отличием в кинетике диссоциации незасоленных и засоленных пород является проявление эффекта самоконсервации, который характерен лишь для незасоленных пород. Так, в незасоленном образце S1 в процессе диссоциации порового гидрата УЭС практически не менялось и было в 2,5 раза выше, чем УЭС мерзлого образца без гидрата при снижении коэффициента гидратности с 0,42 до 0,16 д. е. Процесс диссоциации
порового гидрата в образце S1 практически остановился при Кь, равном 0,16 д. е. При дальнейшем нагревании образца S1 (см. рис. 1, а) и достижении температуры -2 °С было зафиксировано снижение УЭС на порядок при снижении коэффициента гидратности с 0,16 до 0,10 д. е. (см. рис. 1, а). Схожим снижением УЭС сопровождалось и последующее оттаивание образца. В процессе диссоциации порового гидрата в засоленном образце эффект самоконсервации не проявлялся, поровый гидрат на этой стадии полностью разложился. При этом можно выделить два участка изменения УЭС от гидратосодержания. За первые 3 ч К снизился с 0,55 до 0,13 д. е., а УЭС уменьшилось лишь в 2,3 раза. При разложении остаточного гидрата в течение следующих 18 ч произошло снижение УЭС на порядок (см. рис. 1, б). В процессе нагревания образца S2 после полного разложения порового гидрата УЭС образца снизилось менее чем в 2 раза, что значительно отличается от незасоленного образца на данной стадии. Такой эффект можно объяснить засоленностью образца и повышением концентрации остаточного порового раствора в процессе гидрато- и льдообразования (см. рис. 1, б). Для оценки влияния содержания жидкой фазы воды (№ж) на УЭС в исследуемых образцах на стадии гидратонакопления был проведен анализ зависимости УЭС от ее содержания (рис. 2, а). Полученные данные показали высокую корреляцию (более 90%) между УЭС и Wж, особенно для незасоленного образца, где коэффициент корреляции достигает 97%.
В процессе экспериментов, кроме УЭС, на образцах проводилось также измерение Vp. Однако из-за неполной степени заполнения пор песчаных образцов экспериментальные данные были получены только для образцов в мерзлом состоянии (рис. 2, б). Для незасоленного образца S1 максимальное значение скорости продольных волн было зафиксировано в мерзлом состоянии без гидратов — 3550 м/с. После гидратонасыщения в талом состоянии и последующей заморозки скорость продольных волн составила 3100 м/с, а после диссоциации при фиксированной отрицательной температуре (-5 °С), когда К снизился от 0,4 до 0,2 д. е. Vp незначительно уменьшилась до 2990 м/с. Скорости продольных волн в засоленном образце S2 были ниже, чем в образце S1. Vp в образце S2 в мерзлом состоянии без гидратов составила 2740 м/с, после гидратонасыщения и заморозки V в нем выросла и составила 2950 м/с. В процессе диссоци-
10
0,1
0,01
г
= 0,9758
•
Н2 = 0,9104 Б1
• Б2
12
8 4
\ЛЛ,„ %
о
>
4000
3500
3000
2500
2000
мерзлый без гидратов мерзлый с гидратами при Р>Ред мерзлый с гидратами Р<Ред
б
Рис. 2. Зависимость УЭС песчаных образцов (81 и 82) от содержания жидкой фазы воды при гидратообразова-нии (а) и скорости упругих волн (б) образцов 81 (1) и 82 (2) на разных стадиях эксперимента
а
ации порового гидрата при снижении газового давления в мерзлом образце S2 было отмечено значительное снижение Vp на 620 м/с. Измерения скоростей поперечных волн в исследуемых образцах не зафиксировали значительных изменений Vs в ходе эксперимента, их изменения были в пределах 20 м/с.
Выводы. На основе экспериментального моделирования проведена оценка изменения УЭС и скоростей упругих волн метанонасыщенных песчаных пород в условиях гидратообразования и замерзания, а также при диссоциации поровых гидратов при отрицательной температуре и оттаивании. Показана динамика изменения геофизических характеристик песчаных образцов в условиях фазовых переходов вода — гидрат — лед, а также зависимость этих параметров от содержания поровой воды, гидрата и льда.
Анализ геофизических характеристик гидрато- и льдосодержащих пород в лабораторных условиях позволит повысить достоверность интерпретации полевых геофизических данных в кри-олитозоне и прогнозных оценок распространения там природных газогидратных образований.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 22-17-00112.
Список литературы
1. Дучков А. Д., Дучков А. А., ПермяковМ. Е., Манаков А. Ю., Голиков Н. А., Дробчик А. Н. Лабораторные измерения акустических свойств гидратосодержащих песчаных образцов (аппаратура, методика и результаты) // Геология и геофизика. 2017. Т. 58, № 6. С. 900-914.
2. Пермяков М. Е., Манченко Н. А., Дучков А. Д., Манаков А. Ю., Дробчик А. Н., Манштейн А. К. Моделирование и измерение электросопротивления гидратосодержащих песчаных образцов в лабораторных условиях // Геология и геофизика. 2017. Т. 58, № 5. С. 792-800.
3. PriegnitzM., Thaler J., Spangenberg E., Schicks J., Schrotter J., Abendroth S. Characterizing electrical properties and permeability changes of hydrate bearing sediments using ERT data // Geophysical Journal International. 2015. Vol. 202, N 3. P. 1599-1612.
4. Uchida T., Takeya S., Wilson L. D., Tulk C. A., Ripmeester J. A., Nagao J., Narita H. Measurements of physical properties of gas hydrates and in situ observations of formation and decomposition processes via Raman spectroscopy and X-ray diffraction // Can. J. Phys. 2003. Vol. 81, N 1/2. P. 351-357.
5. Winters W. J., Dillon W. P., Pecher I. A., Mason D. H. GHASTLI — Determining Physical Properties of Sediment Containing Natural and Laboratory-Formed Gas Hydrate. In: Max M. D. (ed.). Natural Gas Hydrate. Coastal Systems and Continental Margins. 2000. Vol. 5. Springer, Dordrecht.
References
1. Duchkov A. D., Duchkov A. A., Permyakov M. E., Manakov A. Y., Golikov N. A., Drobchik A. N. Laboratornye izmereniya akusticheskih svojstv gidratosoderzhashchih peschanyh obrazcov (apparatura, metodika i rezul'taty) // Geologiya i geofizika. 2017. Vol. 58, N 6. S. 900-914.
2. Permyakov M. E., Manchenko N. A., Duchkov A. D., Manakov A. Y., Drobchik A. N., Manshtejn A. K. Modelirovanie i izmerenie elektrosoprotivleniya gidratosoderzhashchih peschanyh obrazcov v laboratornyh usloviyah // Geologiya i geofizika. 2017. Vol. 58, N 5. S. 792-800.
3. PriegnitzM., Thaler J., Spangenberg E., Schicks J., Schrotter J., Abendroth S. Characterizing electrical properties and permeability changes of hydrate bearing sediments using ERT data // Geophysical Journal International. 2015. Vol. 202, N 3. P. 1599-1612.
4. Uchida T., Takeya S., Wilson L. D., Tulk C. A., Ripmeester J. A., Nagao J., Narita H. Measurements of physical properties of gas hydrates and in situ observations of formation and decomposition processes via Raman spectroscopy and X-ray diffraction // Can. J. Phys. 2003. Vol. 81, N 1/2. P. 351-357.
5. Winters W. J., Dillon W. P., Pecher I. A., Mason D. H. GHASTLI — Determining Physical Properties of Sediment Containing Natural and Laboratory-Formed Gas Hydrate. In: Max M. D. (ed.). Natural Gas Hydrate. Coastal Systems and Continental Margins. 2000. Vol. 5. Springer, Dordrecht.
