Лабораторные измерения удельного электрического сопротивления гидратосодержащих образцов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 550.37

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ОБРАЗЦОВ

Николай Алексеевич Манченко

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, инженер, e-mail: [email protected]

Михаил Евгеньевич Пермяков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, и. о. зав. лабораторией естественных геофизических полей, e-mail: [email protected]

Знания электрических свойств осадков с различным минеральным скелетом, содержащих гидраты метана, необходимы, чтобы помочь связать данные электромагнитных измерений в местах предполагаемых скоплений газовых гидратов c концентрацией и распределением гидратов в осадке. В связи с этим возникает необходимость проведения лабораторных измерений электрических свойств образцов, содержащих осадок + газогидрат ± лед ± поро-вая жидкость при различных PT условиях. В работе приводятся результаты экспериментов по измерению удельного электрического сопротивления (УЭС) образцов, состоящих из кварцевого песка, льда и гидрата тетрагидрофурана (ТГФ), в ходе их образования и охлаждения.

Ключевые слова: удельное электрическое сопротивление, метод сопротивлений, лабораторные эксперименты, гидраты тетрагидрофурана, моделирование гидратосодержащих образцов.

LABORATORY MEASUREMENTS OF ELECTRICAL RESISTIVITY HYDRATE BEARING SAMPLES

Nikolay A. Manchenko

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Engineer, e-mail: [email protected]

Mikhail E. Permyakov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., o. r. of Head of the Laboratory of natural geophysical fields, e-mail: [email protected]

Knowledge of the electrical properties of sediments with different mineral frames containing methane hydrates are needed to help link data of electromagnetic field measurements in places of prospective gas hydrate accumulations with estimated gas hydrate concentration and distribution of hydrates in the sediment. Thereby there is a need for a laboratory measurement of electrical properties of the samples containing sediment + gas hydrates ± ice ± pore fluid at different P-T conditions. In the paper presented the results of the first measurement the electrical resistivity of the samples consisting of quartz sand, ice and tetrahydrofuran (THF) hydrate during its formation and cooling.

Key words: electrical resistivity, resistivity method, laboratory experiments, hydrates of te-trahydrofuran, modeling hydrate samples.

Газовые гидраты являются перспективным источником углеводородов (по существующим оценкам, объем метана, содержащийся в природных залежах этих соединений, превышает объем конвенционного газа на 1-2 порядка) [1]. В связи с этим возникает актуальность разработки электрофизических методов поиска, определения концентрации и распределения гидратов в осадке. Для этих целей необходимы знания об электрических свойствах многокомпонентных систем: осадок + газогидрат ± лед ± поровая жидкость при различных РТ условиях. В данной работе дается описание методики моделирования таких систем в существующей установке для измерения УЭС гидратсодержащих образцов и результаты первых измерений температурной зависимости сопротивления образцов со смесью гидрата ТГФ и кварцевого песка.

МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОСАДОК И ГИДРАТ

Гидраты ТГФ образуются из ТГФ (С4Н80) и воды при атмосферном давлении и температу-

о ^

рах от +1 до +5 С (рис. 1). Гидрат ТГФ можно использовать в качестве удобной экспериментальной модели гидрата метана, поскольку механизмы проводимости и УЭС гидрата ТГФ и гидрата метана схожи [2]. Для целей данного эксперимента была адаптирована методика формирования осадка с гидратом ТГФ в поро-вом пространстве. Для этого в раствор ТГФ ~20масс% (в камере высокого давления, где в дальнейшем будут проводиться измерения УЭС гидрата) засыпался осадок так, чтобы обеспечить полное поровое заполнение. Затем полученный образец охлаждался до температуры 3-4 °С при атмосферном давлении. При достижении этих температур исходные компоненты полностью переходили в гидрат ТГФ.

масс

Рис. 1. Диаграмма фазового равновесия для гидрата ТГФ

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ УЭС ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ

ОБРАЗЦОВ

В ходе формирования и охлаждения гидратсодержащих образцов производились непрерывные измерения УЭС и температуры. УЭС образцов измерялась методом сопротивлений при помощи классической установки Веннера на рабочей частоте 600 Гц. Для наших экспериментов она реализована посредствам че-тырехэлектродного зонда АМЫВ и измерительного модуля [3].

На рис 2. показан пример кривой УЭС в ходе формирования льда, гидрата ТГФ и дальнейшего охлаждения образца.

Рис. 2. Временная кривая УЭС образца в ходе формирования льда и гидрата ТГФ и дальнейшей проморозки. Массовое отношение лед/гидрат - 3/7. Синяя линия - зависимость УЭС от времени, красная - температуры от времени

На этом графике видно, что при положительных температурах УЭС образца принимает достаточно низкие значения, порядка 100 Ом м. При температурах, соответствующих фазовому равновесию гидрата ТГФ [2], наблюдается резкое повышение УЭС гидрата тетрагидрофурана, что свидетельствует о гид-ратообразовании. При более низких температурах наблюдается УЭС порядка 10 кОм м, что гораздо выше, чем у образца с наличием поровой воды, и постепенный рост УЭС по мере понижения температуры.

При охлаждении образца с поровой жидкостью УЭС образца подчиняется закону Арчи и зависит как от УЭС жидкости, так и от пористости. Температурная зависимость УЭС поровой жидкости определяется подвижностью ионов и

1

имеет обратную линейную зависимость в системе координат 1о§(р) и -, как показано на рис 3. По мере наработки гидрата и дальнейшей наморозки льда происходит быстрое увеличение коэффициента Арчи, и этот этап характеризуется резким увеличением УЭС. После того как поровая жидкость полностью перешла в лед и гидрат, наблюдается рост УЭС образца по мере его охлаждения. Проводимость образца в данных масштабах линейна и обусловлена наличием Ь, Б-деффектов Бьеррума во льду [4] и, предположительно, в гидрате.

s s о

и

m >

103/т, К-1

Рис 3. Температурная зависимость УЭС образца с гидратом ТГФ. Массовое отношение лед/гидрат - 3/7. Минеральный скелет: кварцевый песок со средним

диаметром зерен 0.4 мм

ВЫВОДЫ

Проведены эксперименты по измерению температурной зависимости УЭС осадков, содержащих гидраты ТГФ, в ходе их образования и дальнейшего охлаждения. Показано, что в присутствии поровой жидкости УЭС образцов повышается при увеличении концентрации гидрата в поровом пространстве. Основными факторами, определяющими УЭС образцов без поровой жидкости, являются температура и свойства осадка.

Исследование выполнено по плану базовых научно-исследовательских работ лаборатории естественных геофизических полей ИНГГ СО РАН, поддержано грантом РФФИ № 12-05-00415-а и МИП СО РАН № 19 (2012-2014 гг.).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дмитриевский А.Н., Баланюк И.Е. Газогидраты морей и океанов - источник углеводородов будущего. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2009. - 5 с.

2. Lee J.Y. Hydrate-bearing sediments: Formation and geophysical properties. Doctoral thesis. - Atlanta: Ga. Inst. of Technol., 2007. - 226 p.

3. Дробчик, А.Н., Манченко Н.А., Голиков Н.А. Разработка лабораторных устройств для измерения физических свойств мерзлых или гидратосодержащих образцов при различных P-T условиях // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 46-51.

4. Petrenko V.F., Whitworth R.W. Physics of Ice. - New York: Oxford Univ. Press, 1999. -373 p.

© Н. А. Манченко, М. Е. Пермяков, 2016

-20°C -10°C 0°C 1СГС 20°C