CC BY
2УДК 347.736.5
КАРТИРОВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОДОМ МЗСБ В АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНАХ ГАЗОГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ
И Мисюркеева Н. В.1, 2, Буддо И. В.1, 2, Шелохов И. А.1, 2, Смирнов А. С.2, Нежданов А. А.3
1 Институт земной коры СО РАН, Иркутск, Россия 2 Государственное автономное учреждение Ямало-Ненецкого автономного округа «Научный центр
изучения Арктики», Салехард, Россия 3 Западно-Сибирский научно-исследовательский институт геологии и геофизики, Тюмень, Россия
E-mail: [email protected]
В статье приведены результаты электроразведочных исследований, проведенных на территории нефтегазоконденсатного месторождения севера полуострова Ямал. Длительное охлаждение разреза Арктических регионов с образованием многолетнемерзлых пород вкупе с другими факторами способствовало формированию необходимых условий для гидратообразования. Изучение многолетнемерзлых пород (их мощности, внутреннего строения и др.) является одним из важных факторов в сложной системе газогидратообразования. По результатам электроразведочных исследований изучено геоэлектрическое строение криолитозоны до глубины 500 м. Закартирован контакт между льдонасыщенными и нельдистыми породами в толще засоленных грунтов, определена глубина положения подошвы яруса мерзлых пород криогенной толщи.
Ключевые слова: криолитозона, многолетнемерзлые породы, электроразведка, газовые гидраты, разлом.
MAPPING OF PERMAFROST ROCKS BY THE SHALLOW TRANSIENT ELECTROMAGNETIC (STEM) SURVEY IN THE ARCTIC REGIONS
OF GAS HYDRATE FORMATION
И Misyurkeeva N. V.1, 2, Buddo I. V.1, 2, Shelokhov I. A.1, 2, Smirnov A. S.2, Nezdanov A. A.3
1 Institute of the Earth's Crust, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russia 2 Arctic Research Center of the Yamal-Nenets Autonomous District, Salehard, Russia 3 West Siberian Research Institute of Geology and Geophysics, Tumen, Russia
The article presents the results of electromagnetic exploration conducted on the territory of the oil and gas condensate field in the north of the Yamal Peninsula. Prolonged cooling of the section of the Arctic regions with the formation of permafrost rocks, together with other factors, contributed to the formation of the necessary conditions for hydrate formation. The study of permafrost rocks (their thickness, internal structure, etc.) is one of the important factors in a complex system of gas hydrate formation. According to the results of electrical exploration, the geoelectric structure of the cryolithozone has been studied to a depth of 500 m. The contact between ice-saturated and non-glacial rocks in the thickness of saline soils is mapped, that is, the depth of the position of the sole of the layer of frozen rocks of cryogenic thickness is determined.
Key words: cryolithozone, permafrost, electrical exploration, gas hydrates, fault.
Введение. На севере Западной Сибири при бурении верхней части разреза отмечаются газопроявления из мерзлой толщи пород. Выбросы газа зачастую отличаются высокой интенсивностью и большими дебитами, близкими к промышленным. Подобные явления связываются с природными газовыми гидратами.
Длительное охлаждение разреза Арктических регионов с образованием многолетнемерзлых пород (ММП) способствовало формированию необходимых условий для гидратообразования. По данным В. А. Друшиц и соавт. [1], для крупных скоплений клатратов газа наличие ММП — необходимое, но недостаточное условие. Там, где нет определенных термобарических условий, достаточного количества газа, воды, отложений с хорошими коллекторскими свойствами, активной системы тектонических нарушений, — клатраты газа не образуются.
Эпохи промерзания, свойства и температура ММП, термобарические, геохимические и геологические условия в пределах формирующейся криолитозоны способствовали многообразию условий залегания газовых гидратов. Они могут находиться как под мерзлыми толщами при низких положительных температурах (подмерзлотные газогидраты), так и внутри мерзлых толщ при отрицательных температурах (внутримерзлотные газогидраты) [2].
Предполагается, что существующие газовые залежи на момент промерзания могли оказаться в зоне стабильности газовых гидратов и тем самым частично перейти в газогидратное состояние. Кроме того, при промерзании могло происходить отжатие газа и его накопление в ограниченных локальных линзах («карманах») с хорошими коллекторскими свойствами. При последующем промерзании, за счет избыточного давления, газ мог преобразовываться в газовые гидраты. Промерзание насыщенных газом подозерных таликовых зон в криолитозоне в условиях закрытой системы также может привести к образованию газогидратного скопления [2].
По данным А. Е. Воробьева и соавт. [3], мощность газогидратных залежей определяется общей газогенерационной обстановкой, мощностью ММП и мощностью газовой залежи до промерзания.
Также существует мнение о существовании метастабильных («реликтовых») газогидратов в толщах мерзлых пород выше современной кровли ЗСГ на глубинах 150-200 м. Предполагается, что они могли возникнуть в зонах стабильности газовых гидратов, существовавших в прошлом, а их сохранность на сегодняшний день обусловлена геологическим проявлением эффекта самоконсервации газогидратов в мерзлых породах [2].
Таким образом, многолетнемерзлые породы Западной Сибири являются одним из ключевых факторов существования газогидратов. Во-первых, они вкупе с другими факторами создают необходимые условия для гидратообразования, во-вторых, представляют собой покрышку, которая не позволяет углеводородам рассеиваться в атмосфере и обеспечивает условия для формирования зон стабильности газогидратов (ЗСГ).
Очевидно, что изучение многолетнемерзлых пород является одним из важных факторов в сложной системе газогидратообразования для понимания не только генезиса формирования, но и условий и форм залегания, а также освоения газовых гидратов.
Авторам представляется, что геофизические исследования методом малоглубинного зондирования становлением поля в ближней зоне (мЗСБ) при совместном анализе с особенностями гидрогеологического и криогенного строения, результатами бурения, лабораторных экспериментов помогут внести значительный вклад в изучение мерзлоты и газогидратообразования.
Методика. При переходе температуры через 0 °С в горных породах происходит не только фазовый переход воды, но и качественное преобразование их состава, строения и свойств. При этом существенно меняются и геофизические свойства.
Предпосылки применения электроразведки для исследования многолетнемерзлых пород вытекают из физических особенностей самой мерзлоты [5]. При отрицательных температурах свободная вода переходит в лед, и прохождение тока через мерзлую породу осуществляется по пленкам незамерзшей, главным образом связанной, воды, окружающим зерна минерального скелета и льда. Присутствие льда как породообразующего минерала уже само по себе меняет электрические свойства пород, присущие им в талом состоянии, а многообразие взаимодействия незамерзшей воды с минеральным скелетом и льдом расширяет диапазон изменения электрических свойств в зависимости от состава, структуры и типа криогенной текстуры.
Для изучения строения верхней части разреза полуострова Ямал до глубины 500 м проведены исследования методом зондирований становлением поля в ближней зоне (малоглубинная модификация) мЗСБ по высокоплотной сети наблюдений.
Результаты. Данные о строении и распространении многолетнемерзлых пород полуострова Ямал, особенно его северной части, до последнего времени остаются малоизученными. Наибольший пик исследований криолитозоны полуострова Ямал приходится на 70-80-е годы пошлого столетия. Единого взгляда на мощность мерзлой толщи полуострова Ямал также не существует.
Исследования, направленные на изучение мерзлоты, проводятся чаще всего на небольшие глубины — от первых метров до 10-50 м; большинство термометрических скважин не достигают глубины 100 м; стратиграфия до глубины 500 м в материалах глубоких скважин также часто отсутствует.
Как известно, общие принципы формирования криолитосистемы обусловлены внешними факторами накопления осадков и промерзания [4]. Однако в районе газовых залежей особенно заметно влияние внутренних факторов (неотектонических движений и нарушений в осадочном чехле, теплового влияния газовой залежи, эмиссии и миграции газов). В недрах геологических структур Ямала криогенная толща над газовыми залежами характеризуется рядом особенностей строения, состава, состояния и свойств [6].
По данным электроразведочных работ мЗСБ, на геоэлектрических разрезах до глубины в среднем около 250 м отмечается слой пород с сопротивлением, изменяющимся в диапазоне от 20 до 800 Ом. Данная толща пород связывается здесь с областью развития многолетнемерзлых пород с включениями льда в отложениях четвертичной и палеогеновой систем.
Мерзлые породы характеризуются резким увеличением величины удельного электрического сопротивления по сравнению с вмещающими толщами. Ниже по разрезу сопротивление понижается вплоть до 3 Ом-м и ассоциируется здесь с развитием морозных пород криолитозоны.
Внутри мерзлой толщи, отличающейся высоким сопротивлением, на различных глубинах как по латерали, так и по вертикали картируются низкоомные аномалии (5-20 Ом-м) разнообразной формы и размеров, ассоциирующиеся с развитием таликов различного типа. Помимо низ-коомных, встречаются и зоны с аномально высоким сопротивлением (200-800 Ом-м) — это участки повышенной льдистости. Предполагаемая подошва многолетнемерзлых пород также характеризуется высокой изменчивостью: мощность ММП изменяется от 50 до 250 м.
Изменения геоэлектрических характеристик внутри толщи ММП напрямую связаны с неоднородным внутренним строением, которое, в свою очередь, обусловлено температурой, мощностью, криогенным строением, сплошностью по разрезу, льдистостью, наличием таликов и криопэгов, карманов газовых гидратов и т. д.
При составлении физико-геологической модели участка исследования был проанализирован каротаж сопротивлений, проведенный в скважинах на территории исследования. По данным каротажа, в интервале от 0 до 150-200 м отмечается высокое сопротивление пород, составляющее 100-250 Ом-м. В этом интервале залегают четвертичные отложения представленные многолетнемерзлыми терригенными породами. Ствол скважины в данном интервале разбит глубокими кавернами (>700 мм), которые формируются в зонах ММП за счет вытаивания льда.
Данные каротажа и литологии в скважинах подтверждают распространение в интервале до 250 м многолетнемерзлых пород.
Геоэлектрические разрезы через скважины. Условные обозначения: 1 — пункты мЗСБ; 2 — геоэлектрические горизонты и их сопротивление, Ом-м; 3 — предполагаемая граница льдистой ММП; 4 — тектонические нарушения; 5 — каротаж сопротивления, Ом-м; 6 — скважины глубокого бурения; 7 — стратиграфические границы
Ниже по разрезу сопротивление пород, по данным каротажа, понижается до 5-10 Ом-м. По данным литологии, в скважине на данной глубине залегают палеогеновые отложения тибейса-линской свиты литологически представленные чередованием глин и алевролитов, ко-
торые, в свою очередь, подстилаются терригенными отложениями ганькинской свиты (K2gn), представленными чередованием глин, песчаников и алевролитов.
Что характерно, в интервале залегания тибейсалинской свиты отмечаются локальные участки повышения сопротивления, по данным как мЗСБ, так и каротажа. Авторы полагают, что подобные аномалии могут быть связаны с газовыми гидратами.
По данным А. В. Ильина, одним из основных петрофизических признаков коллекторов, содержащих природные скопления газовых гидратов, являются повышенные удельные электрические сопротивления [7].
В песчанистых отложениях тибейсалинской свиты возможно наличие как скоплений свободного газа, так и стабильных газовых гидратов. На территории Западной Сибири предположительные залежи газовых гидратов в интервале тибейсалинской свиты обнаружены на территории Бованенковского, Ямбургского, Заполярного и Мессояхского месторождений. Газопроявления из зоны стабильности газовых гидратов на территории Ямбургского НГКМ сосредоточены в интервале глубин 400-550 м и приурочены к континентальной подсвите тибейсалинской свиты.
Выводы. Высокоточные электроразведочные исследования позволяют картировать следующие объекты в такой сложной системе, как криолитозона: талики различного генезиса, крио-пэги, сквозные аномалии, а также мощность и границу распространения мерзлой толщи.
Авторам представляется, что подобные исследования в дальнейшем, при совместной работе с гидрогеологами-мерзлотоведами, специалистами в области изучения газогидратообразования, позволят внести фундаментальный вклад в изучение мерзлой зоны литосферы, а также выявить критерии локализации газовых гидратов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-17-20009, Ы^:// rscf.ru/project/22-17-20009/. Проект № 22-17-20009 «Современные методы геофизических исследований для разработки и научного обоснования подходов к изучению внутреннего строения криолитозоны и поверхностных криогенных форм рельефа Арктики и их возможной связи с флюидодинамическими процессами» реализуется при поддержке правительства Ямало-Ненецкого автономного округа.
Список литературы
1. Друщиц В. А., Садчикова Т. А., Сколотнева Т. С. Гидраты газа на суше и шельфе Арктики и изменение природной среды в квартере // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода. 2011. № 71. С. 124-134.
2. Чувилин Е. М., Давлетшина Д. А., Лупачик М. В. Гидратообразование в мерзлых и оттаивающих метанонасыщенных породах // Криосфера Земли. 2019. Т. XXIII, № 2. С. 50-61. DOI: 10.21782/ К71560-7496-2019-2(50-61).
3. Воробьёв А. Е., Малюков В. П. Газовые гидраты. Технологии воздействия на нетрадиционные углеводороды / 2-е изд., испр. и доп. М.: РУДН, 2009.
4. Попов А. И. Вечная мерзлота в Западной Сибири. М.: Изд-во АН СССР, 1953. 230 с.
5. Buddo I. V., SharlovM., ShelokhovI., MisyurkeevaN., Seminsky I., Selyaev V., Agafonov Y. Applicability of transient electromagnetic surveys to permafrost imaging in Arctic West Siberia // Energies. 2022. Vol. 15. P. 1816.
6. Баду Ю. Б. Влияние газоносных структур на мощность криогенной толщи Ямала // Криосфера Земли. 2014. Т. XVIII, № 3. С. 11-22.
7. Ильин А. В. Газогидраты севера Тюменской области как новый объект изучения геофизическими методами: автореф. дис. ... канд. геол.-минерал. наук. Екатеринбург, 2012. 22 с.
References
1. Drushchits V. A., Sadchikova T. A., Skolotneva T. S. Onshore and Artcic shelf gas hydrates and Quaternary global change // Commission for Quaternary. 2011. Vol. 71. P. 124-134.
2. Chuvilin E. M., Davletshina D. A., LupachikM. V. Hydrate formation in frozen and thawing methane-saturated sediments // Earth's Cryosphere. 2019. Vol. XXIII, N 2. P. 50-61; https://doi.org/10.21782/ KZ1560-7496-2019-2(50-61).
3. VorobyovA. E., Malyukov V. P. Gas hydrates. Technologies for exposure to unconventional hydrocarbons / 2nd ed., revised and expanded. Moscow: PFUR, 2009.
4. Popov A. I. Permafrost in West Siberia. Moscow: Izd. AN SSSR, 1953. 230 p. [in Russian]
5. Buddo I. V., SharlovM., Shelokhov I., Misyurkeeva N., Seminsky I., Selyaev V., Agafonov Y. Applicability of transient electromagnetic surveys to permafrost imaging in Arctic West Siberia // Energies. 2022. Vol. 15. P. 1816.
6. Badu Y. B. The influence of gas-bearing structures on the cryogenic strata thickness in Yamal area // Kriosf. Zemli. 2014. Vol. XVIII, N 3. P. 11-22.
7. Ilyin A. V. Gas hydrates of the north of the Tyumen region as a new object of study by geophysical methods: abstract of the dissertation of the candidate of geological and mineralogical sciences. Yekaterinburg, 2012. 22 p.
