CC BY
78
УДК 550.82.5
В.Г.Кравченко1
МЕХАНИЗМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ГАЗОВЫХ ФАКЕЛОВ ЧЁРНОГО МОРЯ
Рассмотрен механизм фильтрации подземной воды с газом через слой водопроницаемой несвязной породы, подстилающей дно, для выявления закономерностей образования как стабильных, так и пульсирующих подводных газовых факелов в северо-восточном регионе Чёрного моря. Проведенный анализ механизма фильтрации позволяет уточнить направления исследований донных источников газа во время морских экспедиций и при макетном моделировании с целью разработки методов определения величины донных газовых потоков.
Донное газовыделение в Чёрном море известно давно. Однако целенаправленное изучение этого явления природы началось в конце XX столетия. Этому способствовало использование в практике морских исследований гидроакустических средств. Наиболее полно обследован по поводу донного газовыделения северо-западный регион моря вблизи полуострова Крым. Основные участки донного газовыделения локализованы на площади по долготе 130 км, по широте 30 км. На этом участке проведены предварительные геолого-геофизические и поисковые сейсморазведочные работы, позволившие выявить сотни объектов донного газовыделения. Результаты этих работ изложены в монографиях [10, 12]. Основным компонентом выделяемого со дна газа по предварительным данным является метан.
Для решения задачи по определению величины донных газовых потоков необходимо наряду с геологической природой объектов донного газовыделения выяснить и механизм их функционирования. При этом имеются в виду потоки газа, поступающие по разломам в земной коре на поверхность дна, причем газовые потоки в толще воды в виде факелов являются составной их частью. Основная масса факелов сосредоточена на глубине около 70 м. Газовые факелы, состоящие из газовых пузырей и увлекаемой ими в восходящем потоке морской воды, являются внешним проявлением донного газовыделения. Факел образуется в результате интенсивного потока свободного газа с поверхности дна, локализованного своеобразным кратером — сипом [2]. Газовые факелы по форме можно подразделить на стабильные, пульсирующие и газовые поля. Диаметры сипов в северо-восточном регионе Чёрного моря составляют в среднем от 10 до 40 м [12].
Проявление сконцентрированного в виде сипов донного газовыделения связывается с зонами общего смятия и дробления подстилающих
©В.Г.Кравченко
!ОМГОР ННПМ НАН Украины
пород [12, 1]. Одним из основных положений гидрогеологии является проверенный практикой факт, что подземная вода выступает в роли рабочего тела при переносе углеводородов [3]. Об участии подземной воды в транспортировке газа свидетельствуют карбонатные постройки в местах выхода газа, наблюдаемые, в основном, на глубинах мене 50 м [10]. Условия образования субмаринных источников близки к условиям образования газовых факелов: наличие нарушений целостности залегания пород является предпосылкой для выхода подземных вод на поверхность дна [11]. Рассмотрение подземной воды как первопричины образования сипов позволяет с одной стороны подойти к наиболее полному учёту поступления газа на поверхность дна, с другой — наметить пути инструментального обеспечения определения донной газоотдачи и, в перспективе, решения задачи сбора донного газа в промышленных масштабах.
Для анализа механизма поступления газа вместе с подземной водой на поверхность дна рассматривается следующая схема. По каналу в разломе водоупорной породы подземная вода + газ (метан) движутся вверх к поверхности дна. Встретив на завершающем этапе пути придонный слой водопроницаемой несвязной породы, подземная вода и свободный газ фильтруются через этот слой. Принимая во внимание, что диаметр газовых факелов может составлять 10+40*100 м [12, 2], мощность слоя водопроницаемой несвязной породы должна иметь такого же порядка величину. При фильтрации в обычном режиме не может произойти концентрированного выделения газа со дна в виде сипа. Распределение выделения газа по поверхности дна в таком случае имело бы плавный характер с максимумом над источником и стремлением к нулю на периферии. Для формирования на поверхности дна ограниченной области интенсивного газовыделения в виде сипа необходимо, чтобы грунт под сипом перешёл в псевдоожиженное состояние, облегчающее перемещение свободного газа (вместе с подземной водой) в вертикальном направлении. В зоне псевдоожижения частицы грунта находятся во взвешенном состоянии [6]. Термин псевдоожижение используется в химической технологии и строительстве. Для зоны псевдоожижения должна быть характерной суффозия
— вымывание мелких частиц, сопровождающееся увеличением коэффициента фильтрации. Для водопроницаемой несвязной породы, составляющей верхний слой донных осадков Чёрного моря, коэффициент фильтрации имеет порядок 1-105+1Ю4 м/с [5]. В зоне псевдоожижения следует ожидать, что коэффициент фильтрации на порядок выше.
Для решения задачи фильтрации подземной воды и свободного газа через слой водопроницаемой несвязной породы с получением оценочных аналитических зависимостей применена линейная модель процесса. На глубине Л от дна на поверхности водоупора под массивом водопроницаемой несвязной породы находится источник (рис. 1). Сверху массив водопроницаемой несвязной породы ограничен поверхностью дна.
Принимая во внимание, что динамическая вязкость воды на два порядка выше, чем у метана («1*10'3 кг/м-с и «1-10'5 кг/м-с соответствен-
но), объёмный фильтрационный поток воды и свободного газа через единицу площади поверхности можно представить в виде
¿р г ар
g-Р,,, dn dn
где (1 + ^)^/^'Рц, = К; к = Ясг/Яи} — соотношение объёмных расходов свободного газа и подземной воды, проходящих через поверхность дна; Кш — коэффициент фильтрации по воде; £ — ускорение земного тяготения; рш— плотность подземной воды; п — нормаль к изобарической поверхности фильтрации.
Для решения задачи (в линейной постановке) применён метод суперпозиции полей (давлений). Источник представлен в виде полусферы радиуса .К0. Давление фильтрации на поверхности полусферы составляет рг, на поверхности днар0. Зона псевдоожижения на поверхности дна имеет радиус хс.
Поле давлений фильтрации в плоскости х - у определяется уравнением
+ {h-yf) ~[x2+(h+yY] -Ых2 +(М-уУ\ -\h 1
\2\ 0,5 1
ч2Г0-5 1
Р-Ро о
Pl-Po °|Г 'v" І 2Г 'V'"a' ) 2 г 'v“* *>■) з'
Положение осей системы координат показано на рис. 1.
При этом градиент давления в вертикальном направлении составит
h-y h + y 00 1
x2 + (h-yf ^ 3/2 2 x2 + (h + yf 3/2 2 x2 + {3h-y)2 3/2
V ?9РЩ9
газовый факел
водопроницаемая несвязная порода
граница зоны пеевдоожйжения
водоупорная порода
канал разлома источник
Рис. 1. Схема фильтрации подземной воды и свободного газа через ограниченный массив водопроницаемой несвязной породы
В результате решения задачи расход воды и свободного газа через источник в режиме фильтрации при Д0<<й равен
<Эи~4я-ЛГ-Л0(р1 - р0).
Определить расход через источник непосредственно из этого уравнения не представляется возможным так как, во первых, неизвестны радиус источника и фильтрационное давление в нём, во вторых, уравнение не учитывает наличие зоны псевдоожижения, которая заканчивается на поверхности дна сипом. Наличие области псевдоожижения делает задачу фильтрации существенно нелинейной.
Расход через сип в режиме псевдоожижения определяется уравнением
йр
ф*= [ К—^48 , где — площадь сипа.
' I ЛУ
Критический градиент давления фильтрации в вертикальном направлении [9], соответствующий режиму псевдоожижения, слабо зависит от расхода [6]
(5/ Р у — у
—££. = _!*—' , где е — коэффициент пористости грунта; у., у — удель-йу (1+е)
ные веса частиц грунта и среды (подземной воды со свободным газом) в
псевдоожиженном слое; у =
1+Х
; у — удельный вес подземной воды.
Тогда расход через сип в режиме псевдоожижения составит
Я* = п-Кх
2 У,-У (1+е)
Конечной целью решения задачи фильтрации является определение потока через источник. Для определения связи между потоком через сип и источник в режиме псевдоожижения используется следующий искусственный приём. Определяется отношение расхода через условную поверхность дна, которую охватывает сип, к расходу через источник при “чистой” фильтрации (отсутствии участков массива с псевдоожижением). Полученное значение считается первым приближением фактического отношения расходов.
Расход через условную поверхность сипа при “чистой” фильтрации составляет
фс= {х2п-х-с1х = п-К(р1-р0)11д 4-3/г(х| + /г2| ^ -Зй(х2 + 9/г2^
О V ^¡/=0 I .. )
Тогда цервое приближение отношения расходов через сип и источник в режиме псевдоожижения равно
Я* г/- ЪН( ..я . 7-я^1/2 3/г/ о /ч-9\~У2^
а1 =—7
Я
¡2 1
{х2с+Ь2)
+9Л2|
В связи с образованием зоны псевдоожижения и протеканием процесса суффозии коэффициент фильтрации в этой зоне возрастает по сравнению с остальной областью. Возрастание коэффициента фильтрации характеризуется отношением
(3 = к*/к, где К*— новое значение параметра, характеризующего
фильтрационную способность грунта в зоне псевдоожижения.
Увеличение коэффициента фильтрации через зону псевдоожижения приводит к изменению соотношения расходов через сип и остальную область фильтрации. Это изменение приближённо представляется в следующем виде
я; оур-д: <ур
«Г + 1+«1(р-1)
Более точное значение коэффициента а может быть установлено по результатам исследований на макете.
Суммарный поток газа через источник можно представить как
0** / \ (X ■ у • р ^
°г = °ф + °с.св +0с.р= _ “2)' ст ~ + Ки • Ри
а2 ’’
/
а2 Х Яи*-Ь Рд , а2 Я (1 + А,)^ 1 + Х.
где <5ф— массовый расход газа, фильтрующегося через грунт вне сипа; св — массовый расход свободного газа, проходящего через поверхность сипа; _ — массовый расход растворённого в воде газа, проходя-
и.р
щего через поверхность сипа; ки, йд — коэффициенты Генри (по метану) с учётом солёности подземной воды [7] при температурах источника и на поверхности дна; ри,р8 — абсолютное давление в источнике и на поверхности дна; уг — отношение удельного веса газа к давлению при температуре дна.
Соотношение объёмов свободного газа и подземной воды, участвующих в фильтрационном процессе на участке источник — дно, составляет
\я °к Рд_„ г где Си — массовая концентрация газа (свободного и
УгРд
растворённого) в воде источника, ск = ^ .
^и
Таким образом, при известных фильтрационных свойствах водопроницаемой несвязной породы (как в зоне сипа, так и за его пределами) и её мощности, составе газа, солёности подземной воды и размерах сипа можно приближенно оценить величину потока подземной воды и свободного газа через источник, образующий стабильный газовый факел.
НО
%
Данные по объёмному расходу газа с единицы поверхности сипа q0 (при температуре и давлении у дна), которые могут быть получены инструментальными методами или определены по форме факела [4], позволяют откорректировать параметр К, характеризующий фильтрационную способность грунта в зоне псевдоожижения
.д. [(! + %,-у] ^
(1+е)(1+>.)2 '
В качестве своеобразной характеристики распределения потоков газа на выходе источника может служить отношение массового расхода газа, выделяемого в виде свободного с поверхности сипа, к суммарному массо-
£
вому расходу газа, поступающего по каналу разлома е= с^в .
г
Кроме подземных источников со стабильными газовыми факелами, существуют источники с пульсирующими факелами, которые составляют около 53% от общего числа выявленных объектов донного газовыделения (рис. 2).
поверхность дна
водопроницаемая несвязная пора
зона псевдоо>ґ
у зеркало воды
водоупорная порода
газовый факел
источник
каналы разлома
Рис. 2. Разновидности подземных источников: а - со стабильным газовым факелом; б - с пульсирующим газовым факелом; в - скрытый источник.
Такое внешнее проявление функционирования подземного источника можно объяснить его недостаточной мощностью и заглублением. В таком случае зона псевдоожижения не выходит на поверхность дна. Повышенная фильтрационная способность внутри зоны псевдоожижения не может в полной мере реализоваться из-за того, что сверху эта зона закупорена донными осадками. Накапливающийся в верхней части свободный газ с водой периодически прорывается на поверхность дна.
Для решения этой задачи, в целом нелинейной из-за наличия зоны псевдоожижения, с получением ориентировочных значений потока подземной воды и свободного газа используется линейный подход. Принимается, что у пульсирующего факела зона псевдоожижения достигает точки О с координатами х = 0, у = 0. Градиент давления в этой точке будет
йр
йу
26
18
и он должен быть равен критическому значению. В таком случае
18 (Гв-У.)'*2
( _ „ ^ о _ 1о V ‘ в I.)
[Рг Ро) Но- 26' (1 + е)
Подставляя это выражение в уравнение для расхода Яи, получаем ожидаемый расход подземной воды и свободного газа через источник для случая пульсирующего газового факела
ип 13 (1+е) • (1 + е)
Более точные закономерности для потока пульсирующего газового факела могут быть получены по результатам макетного моделирования механизма его функционирования.
Применительно к пульсирующему газовому факелу массовый поток газа (вне зависимости от фазового состояния) равен
Я
=с„
*ип
гп к 1 + а_ •
Значения массовой концентрации газа в подземной воде ск и параметра А, берутся по результатам исследования источников со стабильными газовыми факелами. Поскольку эти параметры определяются геологическими условиями в конкретном районе, то можно предположить, что они не зависят от внешнего проявления донного газовыделения.
Велика вероятность существования разновидности подземных источников — скрытых источников, внешние проявления которых над поверхностью дна с помощью существующих технических средств обнаружить не удаётся (см. рис. 2). Причиной существования таких источников является их недостаточная мощность для существующего заглубления.
На рис. 3 показана схема газового поля. Образование газового поля является результатом выхода подземной воды со свободным газом из многочисленных разломов в водоупорной породе. Близкое расположение каналов выхода создаёт в водопроницаемой несвязной породе сплошную зону псевдоожижения. В результате этого на поверхности дна возникает обширная область интенсивного газовыделения, простирающаяся на сотни метров. Всплывающие пузыри газа увлекают в восходящий поток морскую воду. При значительной величине отношения ширины поля к глубине моря возникает неустойчивость, порождающая конвективные токи [8]. Сплошной поток пузырей газа с поверхности дна разбивается на отдельные факелы, которые формируются над шестигранными ячейками поля. Каждый факел является элементом гексагональной структуры газового поля с восходящим в центре и нисходящим по краям потоком морской воды. Газовое поле представляет собой сплошной лес факелов, что наблюдается на эхограммах [12]. Непрерывная циркуляция воды внутри поля приводит к росту концентрации растворённого газа в воде, что является одной из причин достижения вершинами газовых факелов поверхности воды. Принимая во внимание сложный механизм образования факелов поля и учитывая, что газовые поля составляют около 1% от общего числа
газоотдача источника по газу 8,9-107 нм3/год (нм3 соответствует одному м3 газа, приведенному к нормальным условиям).
Источник с пульсирующим газовым факелом.
Исходные данные: глубина положения источника относительно дна — к = 50 м; глубина моря — 70 м; коэффициент фильтрации воды в массиве (для мелкого песка) — к = 5-105 м/с; газ — метан 100%; удельный вес фильтрующейся подземной воды уш « 1,13-Ю4 Н/м3; коэффициент пористости грунта е = 0,6; массовая концентрация газа в воде источника равна ск = 2,4 кг/м3 (принята по результатам расчёта для сипа с постоянной газоотдачей).
Результат: ожидаемый расход подземной воды и свободного газа через источник (¿а = 0,69 м3/с; поступление газа с подземной водой из источника Сг = 1,65 кг/с; годовая газоотдача источника по газу 7,7-107 нм3/год.
По результатам проведенного анализа можно выявить основные параметры, которые определяют величину газоотдачи донных источников газа, образующих стабильные и пульсирующие газовые факелы. К ним относятся:
— мощность покрывающих источник водопроницаемых несвязных пород
— диаметр сипа;
— состав газа, поступающего на поверхность дна;
— солёность подземной воды;
— характеристики грунта по дисперсному составу, пористости, фильтрационной способности и удельному весу частиц, как в области относящей к сипу, так и в массиве за пределами сипа.
Для определения газоотдачи донных источников с пульсирующими факелами необходимо проведение детальных исследований источников со стабильными факелами. Это в первую очередь относится к определению косвенными методами массовой концентрации газа в воде источника с набором статистики для всего района распространения очагов донного газовыделения. Данные по газоотдаче сипов, полученные как инструментальными методами во время морских экспедиций, так и расчётными методами по форме факела, апробированными на материалах натурных измерений, позволят откорректировать сведения по фильтрационной способности грунта сипов. Неоценимую помощь в выявлении особенностей механизма функционирования донного источника может оказать макетное моделирование. Макетное моделирование позволит решить задачи, которые невозможно решить во время морских экспедиций. Это в первую очередь касается установления фактических закономерностей между потоком через источник и глубиной его положения для пульсирующего факела, между расходом через сип и источник со стабильным газовым факелом, выявления механизма фильтрации подземной воды и свободного газа через водопроницаемую несвязную породу. Макетное моделирование также может оказать помощь в выборе способа добычи природного газа таких необычных источников.
По состоянию на 1999 г. в северо-западном регионе Чёрного моря было выявлено более 300 объектов донного газовыделения [12]. В настоя-
щее время количество выявленных объектов донного газовыделения существенно возросло. Полученные оценочные величины газоотдачи единичных донных источников дают основание для детального изучения этого явления природы.
1. Богданов ЮЛ., Коболев В.П., Русаков О.М. и др. Геополяритонное зондирование газоносных структур северо-западного шельфа Чёрного моря // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. — 2007. №1. — С. 77-87.
2. Димитров Л.И., Дончева В.Г. Признаки газоносности морского ложа на юге болгарского сектора Чёрного моря // Труды института океанологии (Болгария). — 1998. №2. С. 77 — 89.
3. Корцениїтейн В.Н. Методика гидрогеологических исследований нефтегазоносных районов. — М.: Недра, 1976, 309 с.
4. Кравченко В.Г., Кириченко ЕЛ. К определению газоотдачи сипа по форме подводного газового факела // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. — 2007. №1. — С. 110-119.
5. Кухарь В.Ю., Зиборов А.П. О необходимости научного обеспечения перевода на большие глубины добычных работ на месторождениях строительных материалов шельфа Чёрного моря // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. — 2007. №1. — С. 120-130.
6. МинцД.М. О гидравлическом сопротивлении взвешенного в потоке зернистого слоя // Доклады АН СССР. — 1952. — Том LXXXIII, №4, С. 541-544.
7. Намиот А.Ю., Бондарева М.М. Растворимость газов в воде под давлением. — М.: Гостоптехиздат, 1963, 147 с.
8. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Введение в нелинейную физику. От маятника до турбулентности и хаоса. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988, 368 с.
9. Справочник по инженерной геологии. Под ред. Чуринова М.В. — М.: Недра, 1974, 408 с.
10. Шнюков Е.Ф., Зиборов А.П. Минеральные богатства Чёрного моря. — Киев: 2004, 279 с.
11. Шнюков Е.Ф., Иноземцев Ю.И., Лялько В.И. и др. Геология шельфа УССР. Твёрдые полезные ископаемые. (Глава 4. Дублянский В.Н., Лялько В.И., Подорван В.Н. и др. Подземный сток в акватории Чёрного моря) — Киев: Наукова думка, 1983, 200 с.
12. Шнюков Е.Ф., Пасынков АЛ., Клещенко С А. и др. Газовые факелы на дне Чёрного моря. — Киев: НАН Украины, ОМГОР ННПМ, 1999, 132 с.
Розглянуто механізм фільтрації підземної води з газом через шар водопрониклої незв’язної породи, що підстелює дно, для виявлення закономірностей утворення як стабільних, так і пульсуючих підводних газових факелів у північно-східному регіоні Чорного моря. Проведений аналіз механізму фільтрації дозволяє уточнити напрямки досліджень донних джерел газу під час морських експедицій і при макетному моделюванні з метою розробки методів визначення величини донних газових потоків.
The mechanism of a filtration of underground water with gas through a layer of the water-permeable incogerent rock spreading a bottom, to find out the laws of stable and pulsing submarine gas seep formation in NE region of the Black sea is examined. The lead analysis of mechanism of a filtration allows to specify directions of researches of ground sources of gas during sea expeditions and at model modelling for the purpose of development of methods of determination of quantity of ground gas streams.
