CC BY
28
УДК 548.562:550.361
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-158-166
О ПРОБЛЕМАХ ПОИСКОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГИДРАТОВ МЕТАНА В СЕВЕРНЫХ РАЙОНАХ СИБИРИ
Альберт Дмитриевич Дучков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, профессор, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
Людмила Степановна Соколова
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
Кратко обсуждаются негативные результаты многолетних поисков месторождений природных гидратов метана в континентальной части Сибирского региона. На примере открытия двух месторождений гидратов метана в Канаде и Китае показано, что к успеху могут привести только специально организованные и технически обеспеченные буровые работы на предварительно выделенных перспективных участках в северных районах Западной Сибири.
Ключевые слова: Западная Сибирь, мерзлота, природные гидраты метана, зоны стабильности гидратов метана и углекислого газа, примеры выявленных месторождений гидратов метана (дельта реки Маккензи, Канада; Цинхай-Тибетское нагорье, Китай).
ABOUT THE PROBLEMS OF THE METHANE HYDRATES EXPLORATION IN THE NORTHERN REGIONS OF SIBERIA
Albert D. Duchkov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik
Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Professor, phone: (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
Lyudmila S. Sokolova
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
The negative results of long-term exploration of natural methane hydrates in the continental part of the Siberian region are briefly discussed. On the example of the discovery of two methane hydrates deposits in Canada and China it is shown that only specially organized and technically secured drilling operations on the previously allocated perspective sites in the northern regions of Western Siberia can lead to success.
Key words: Western Siberia, permafrost, natural methane hydrates, stability zone of methane hydrates and carbon dioxide, examples of the identified fields of methane hydrates (the delta of the MacKenzie river, Canada; the Qinghai-Tibet plateau, China).
Введение
Гидраты углеводородных газов (в основном метана, СН4) широко распространены в природе. Необходимым условием образования и сохранности природных газогидратов является наличие необходимых давления и температуры, а также достаточного количества воды и свободного (или растворенного в воде) газа - гидратообразователя. Такие условия реализуются в осадочных породах криолитозоны и в донных осадках глубоких акваторий [1]. Интерес к скоплениям природных гидратов связан в основном с их потенциальным энергетическим ресурсом [2]. Так, в недавнем сообщении ТАСС говорится, что «по оценкам некоторых организаций, прежде всего Газпром ВНИИГАЗ, ресурсы метана в газогидратах на территории РФ составляют от 100 до 1 000 трлн кубометров, в арктической зоне, в том числе морях, - до 600-700 трлн кубометров, но это очень приблизительно» [3]. Действительно, этот прогноз (как и многие другие) является весьма приблизительным, так как пока даже в пределах хорошо изученной бурением северной части Западно-Сибирской плиты выявлены только отдельные косвенные признаки присутствия газогидратов в верхних горизонтах мезозойских отложений (это справедливо и для Мессояхского газового месторождения). Эти признаки нигде не подтверждены поднятием при бурении гидратосо-держащего керна. Кстати, подобная ситуация характерна и для других областей существования криолитозоны. К настоящему времени открыто всего несколько месторождений гидратов метана в арктической части Северо-Американского континента (прибрежные районы Канады и Аляски), а также в высокогорном Тибете [4, 5]. Более продуктивными оказались поиски скоплений гидратов метана в донных отложениях морей и глубоких озер. Посредством бурения и отбора керна грунтовыми трубками уже выявлено более 200 скоплений гидратов в поддонных и более глубоких осадках, в том числе и в Сибирском регионе (Охотское море, оз. Байкал) [6]. В настоящем сообщении обсуждается сложившаяся ситуация с прогнозированием скоплений гидратов метана в северных районах континентальной части Западно-Сибирской плиты.
Зоны стабильности газовых гидратов
В геологических разрезах природные газовые гидраты и их скопления могут образоваться только в определенных слоях горных пород, которые названы зонами стабильности газогидратов (ЗСГ). Современные ЗСГ сформировались в породах Северного полушария при похолодании климата в плейстоцене и возникновении в связи с этим толщи многолетнемерзлых пород (криолитозо-на, вечная мерзлота). Образование и развитие зон стабильности газогидратов на континентах в целом повторяют эволюцию криолитозоны, при изменении контура мерзлого слоя изменяются и параметры ЗСГ. Эти зоны не имеют четких литологических или фазовых границ. Они выделяют ту часть разреза, в которой существуют в данное время необходимые для формирования газовых гидратов условия (низкие температуры и высокие давления). Хотя ЗСГ образуются во
всех охлажденных разрезах, интерес представляют только расположенные в во-донасыщенных осадочных бассейнах (например, в мезозойских впадинах Сибирского региона), так как только здесь могут формироваться скопления гидратов (конечно, при наличии газа). Ресурсное значение зон стабильности газогидратов весьма велико, так как именно в их пределах может содержаться значительное количество газа в гидратной форме.
Из вышесказанного следует, что для прогнозирования скоплений газогидратов в осадочных бассейнах необходимо в первую очередь выяснить расположение в их разрезах современных границ ЗСГ соответствующего газа. Для этого необходимо знать геотермическую информацию (термограммы или площадные распределения температуры на глубинах до 1-1,5 км) и фазовые диаграммы для системы «газ-вода». На рис. 1 приведены фазовые диаграммы систем СО2-Н2О и СН4-Н2О, которые будут использоваться нами в дальнейшем. Давление обычно принимается равным гидростатическому. Геотермические данные сопоставляются по температуре и глубине с фазовыми диаграммами. Наиболее просто сопоставление можно выполнить графическим методом, пример которого показан на рис. 2. Точки пересечения термограммы и фазовой диаграммы дают оценки глубины расположения верхней и нижней границ ЗСГ. При большом количестве данных применяются более сложные системы их обработки.
-15
Температура, °С
-5 0 5
15
Темпераггура, °С -14-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
1_I_I_I_I_I_I
1_I
4 200
т 600 ^
400
о*
О 00
-- 100
- - 200
Рис. 1. Фазовые диаграммы для систем СН4-Н2О и С02-Н20 [1, 7] (вода - пресная, давление -гидростатическое)
Рис. 2. Пример графического
определения границ ЗСГ:
1 - фазовая диаграмма для системы «метан - вода»; 2 - термограмма
Зоны стабильности газогидратов в породах Западно-Сибирской плиты
Схемы зон стабильности газовых гидратов для отдельных осадочных бассейнов строятся достаточно давно [1]. Их детальность определяется количеством геотермических данных. В работе [7] мы представили сравнительно детальные схемы расположения зон стабильности гидратов метана (ЗСГМ) и углекислого газа (ЗСГУ). Кратко рассмотрим полученные результаты, чтобы показать реальное соотношение параметров криолитозоны и зон стабильности в этом регионе.
Многолетнемерзлые породы присутствуют в верхней части осадочного чехла Западно-Сибирской плиты вплоть до широтного течения р. Оби (до 60-61° с.ш.). На крайнем севере верхняя граница криолитозоны совпадает с поверхностью. К югу она постепенно перекрывается слоем талых пород и опускается до 120-140 м на юге. Наиболее глубоко, до 500-600 м, мерзлота погружается в арктической части плиты. К югу нижняя граница мерзлоты постепенно поднимается до 300 м на широтах 64-62° и затем выклинивается.
Как отмечалось выше, ЗСГМ представляет интерес как часть разреза, в которой могут формироваться залежи гидратов метана. В северной части региона верхняя граница ЗСГМ залегает на глубине порядка 200 м, погружаясь южнее до 230-250 м. Нижняя граница зоны повсеместно опускается ниже подошвы мерзлоты. Наибольшую мощность ЗСГМ имеет в северо-восточной части плиты, где ее нижняя граница располагается на глубинах 700-900 м. К юго-западу и югу эта граница поднимается до 300 м и затем постепенно смыкается с верхней. В ЗСГМ Западно-Сибирской плиты входят в основном отложения палеогена и частично верхнего мела. На севере региона в непосредственной близости от подошвы ЗСГМ находятся газовые залежи сеноманского и туронского горизонтов.
ЗСГУ в настоящее время привлекает внимание как возможный объект захоронения излишков углекислого газа [3, 7]. Сообщается также [3], что закачка воздуха (в основном СО2) в породу может способствовать извлечению метана из газогидратов. В Западной Сибири верхняя граница ЗСГУ располагается выше ЗСГМ: в районах крайнего севера она лежит на глубинах 90-100 м, южнее (на широтах 64-62° с.ш.) погружается до 140-150 м. Мощность ЗСГУ максимальна в северо-восточной части плиты, здесь ее нижняя граница опускается до 700-800 м. К югу и юго-западу мощность ЗСГУ уменьшается, а нижняя граница постепенно поднимается - на широте 64-63° с.ш. она располагается на глубине 400-500 м.
В целом параметры зон стабильности гидратов метана и углекислого газа имеют много общего. Каждая из них занимает огромный объем как мерзлых, так и талых осадочных пород. Различия в расположении границ связаны с особенностями фазовых диаграмм (см. рис. 1).
Проблемы обнаружения скоплений гидратов метана в зонах стабильности гидратов метана
Длительное время перспективы обнаружения в ЗСГМ Западной Сибири скоплений гидратов метана оцениваются весьма высоко. Так, уже более 50 лет считается, что гидраты метана присутствовали в верхней части (входящей в ЗСГМ) залежи Мессояхского газового месторождения, залегающего в породах сеноманского яруса [1, 2]. В то же время высказываются и обоснованные сомнения на этот счет [8]. Считается, что более благоприятные условия для формирования скоплений гидратов метана существуют в коллекторах туронского яруса, залегающих выше сеноманских отложений, например, в пределах Вос-точно-Мессояхской площади [9]. Тем не менее приходится констатировать, что на севере Западной Сибири природные газовые гидраты до сих пор в керне не поднимались. Очевидно, что, основываясь только на косвенных признаках наличия гидратов в разрезах, нельзя судить о существовании и размерах гидрат-ного месторождения, нельзя оценить содержащиеся в нем запасы газа и отработать технологию его добычи. Очевидно также, что бурение на нефть и газ не может привести (и пока не привело) к обнаружению скоплений газогидратов, которые могут залегать в Западной Сибири на глубине до 1 км. При бурении нефтяных скважин верхний слой пород обычно проходится без отбора керна, условия (температура, давление) в стволах таких скважин неизбежно приводят к быстрому распаду разбуриваемых гидратных скоплений. Успех может обеспечить только постановка специальных буровых работ на предварительно выбранном (с учетом ЗСГМ и литологии) участке с применением технологий, способствующих сохранению газогидратов в керне в случае их отбора. Об этом свидетельствуют, например, рассмотренные ниже результаты буровых работ, приведших к открытию месторождений гидратов метана в Канаде и Китае [4, 5]. К сожалению, дистанционные геофизические измерения пока не могут помочь в поисках и оконтуривании скоплений газогидратов в горных породах континентальных регионов.
Наиболее часто обсуждаются следующие два механизма формирования скоплений газогидратов в мерзлотных районах [1].
Во-первых, формирование гидратов возможно при вхождении уже существующих газовых месторождений в ЗСГМ, образовавшуюся при похолодании в плейстоцене. В Западной Сибири возможно формирование месторождений газогидратов подобного типа (предполагается, что именно это произошло с верхней частью залежи Мессояхского месторождения [1, 2]), хотя ее основной газовый потенциал связан с сеноманскими отложениями, которые располагаются в целом глубже ЗСГМ, и пока плохо изучена газоносность выше расположенных туронских слоев. Весьма вероятно, что такой тип месторождения гидратов метана выявлен китайскими специалистами на исследованном участке в мезозойских впадинах на Цинхай-Тибетском нагорье (координаты 38°05,5' с.ш., 99°10' в.д., альтитуда 4-4,1 км) [5]. Впадины сложены породами юрского ^2) возраста: мелкозернистыми песчаниками, алевролитами, аргиллитами, залежами камен-
ного угля. В разрезах обнаружены нефте- и газопроявления. Мощность мерзлоты достигает 140 м, мощность ЗСГМ - 400 м. Границы мерзлоты и ЗСГМ значительно изменяются в разрезах в зависимости от поверхностной обстановки. Поиски гидратных скоплений велись на участке с 1999 г. Специальное бурение здесь было организовано в 2008-2009 гг. Пробурено 4 скважины глубиной 180-760 м с детальным отбором керна. Основным результатом исследований явился подъем гидратосодержащего керна с глубины 130-396 м. Гидраты встречены в виде льдоподобных слоев мощностью 0,2-4,8 м или рассеянных включений в трещинах кернов. Гидратные проявления мало связаны с литологией. В гидратном газе преобладает метан (54-76 %), а также этан, пропан и СО2. Это открытие является первой находкой образцов гидратов метана в охлажденной зоне, расположенной в средних широтах.
Во-вторых, формирование газогидратной залежи в континентальных разрезах может быть обусловлено поступлением достаточного количества природного газа из глубоких горизонтов в водонасыщенный коллектор, расположенный в зоне стабильности газа-гидратообразователя [1]. Именно такие условия сложились в плейстоцене в осадках над газовым месторождением Маллик в дельте реки Маккензи (арктическое побережье Канады, координаты 69,5° с.ш., 134-135° в.д.) [4]. В этом районе мощность слабосцементированных кайнозойских отложений достигает 2000 м, мерзлоты - 640 м, ЗСГМ - 1 100 м. В 1998-2002 гг. здесь было пробурено несколько исследовательских скважин до глубины 1 150 м. Работы выполнялись международной группой, финансируемой научными организациями Канады, США, Японии, Германии.
На рис. 3 показаны геологические и геотермические данные по одной из скважин. При бурении этой и других скважин в нижней части ЗСГМ (глубины 890-1 100 м) в грубозернистых песках олигоцена обнаружены гидраты метана. При детальном отборе керна на этих глубинах было поднято порядка 110 м гидратосодержащих осадков.
Рис. 3. Геологические данные, термограмма по скв. МаШк 3L-38:
фазовые диаграммы для системы «метан - вода» при разном содержании воды: 20, 40, 60 рр1;; А, В, С - интервалы, содержащие гидраты метана [4]
Пористость песков изменяется от 25 до 35 %, а мощность гидратных слоев - от 0,1 до 1,5 м. Насыщенность гидратом порового пространства составляет 50-80 %. Метан, извлеченный из гидратосодержащего керна, относится к термогенному типу. Установлено, что при формировании гидратов газ поступал в песчаный коллектор с глубины 4-5 км по разломной зоне. Бурением также установлено, что в дельте р. Маккензи газовые гидраты распространены на
Л
площади более 3 600 км . Ряд аналогичных месторождений гидратов выявлены и на северном побережье Аляски. Судя по имеющимся данным, на севере Западной Сибири имеются условия, необходимые для реализации второго механизма, кроме, пожалуй, одного - здесь, в отличие от Северной Америки, недостаточно развиты кайнозойские отложения: в Ямало-Тазовском и Енисейском районах мощность отложений неогена не превышает 200 м, а палеогена -300-400 м [10]. Возможно, более благоприятные геологические условия для формирования скоплений гидратов метана второго типа могут существовать в восточной части арктической зоны Сибири.
Выводы
В статье кратко обсуждается современная ситуация, сложившаяся при поисках месторождений природных гидратов метана в континентальной части Сибирского региона. Идея поисков возникла вскоре после того, как в 1961 г. коллектив исследователей во главе с А. А. Трофимуком зарегистрировал открытие «Свойство природных газов находиться в твердом состоянии в земной коре» [1]. Задача оказалась весьма сложной. Сейчас приходится констатировать, что за прошедшие 56 лет не удалось достоверно (с извлечением гидрато-содержащего керна) выявить ни одного месторождения метангидратов даже в породах наиболее хорошо изученного Западно-Сибирского осадочного бассейна, несмотря на масштабные объемы бурения на нефть и газ, выявление косвенных признаков наличия гидратов в разрезах и основанных на них многочисленных прогнозов. На примере открытия двух месторождений гидратов метана в Канаде и Китае показано, что привести к успешному решению поисковой задачи может только организация целевого проекта на проведение специализированных, технически обеспеченных буровых работ (до глубин 1-1,2 км) на уже выделенных перспективных участках в северных районах Западной Сибири [1-3].
Весьма интересной в этом отношении является также Вилюйская синекли-за в Восточной Сибири. На данном этапе основной задачей для этого региона является выяснение расположения зоны стабильности гидратов метана в верхней части мезозойских пород, используя обширную геотермическую информацию, полученную ИМЗ СО РАН.
Исследования поддержаны Интеграционным проектом «Палеореконст-рукция теплового поля и криолитозоны Вилюйской синеклизы в позднем плейстоцене-голоцене» Комплексной программы фундаментальных исследований СО РАН «Междисциплинарные интеграционные исследования» на 2018-2020 гг.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Истомин В. А., Якушев В. С. Газовые гидраты в природных условиях. - М. : Недра, 1992. - 235 с.
2. Makogon Y. F., Holditch S. A., Makogon T. Y. Natural gas hydrates - A potential energy source for the 21st century // J. Petrol. Sci. Engin. - 2007. - Vol. 56, N 1. - P. 14-31.
3. Горючий лед: как развиваются технологии добычи метана из газовых гидратов в России: ТАСС. - 2018. - URL: https://news.rambler.ru/other/38924788-goryuchiy-led-kak-razvivayutsya-tehnologii-dobychi-metana-iz-gazovyh-gidratov-v-rossii/ (дата обращения: 20.01.2018).
4. Scientific results from the Mallik 2002 gas hydrate production research well program, Mackenzie Delta, Northern Territories, Canada / S. R. Dallimore, T. S. Collett, A. E. Taylor et al. // Geological Survey of Canada (Bulletin 585). - 2005. - 140 p.
5. The status of natural gas hydrate research in China: A review / Y. Song, L. Yang, J. Zhao et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2014. - N 31. - P. 778-791.
6. Mazurenko L. L., Soloviev V. A. Worldwide distribution of deep-water fluid venting and potential occurences of gas hydrate accumulations // Geo Marine Lett. - 2003. - Vol. 23, N 304. -P.162-176.
7. Оценка возможности захоронения углекислого газа в криолитозоне Западной Сибири / А. Д. Дучков, Л. С. Соколова, Д. Е. Аюнов, М. Е. Пермяков // Криосфера Земли. - 2009. -Т. XIII, № 4. - С. 62-68.
8. Присутствуют ли природные газовые гидраты в сеноманской залежи Мессояхского газового месторождения? / Г. Д. Гинсбург, А. А. Новожилов, А. Д. Дучков и др. // Геология и геофизика. - 2000. - Т. 41, № 8. - С. 1165-1177.
9. Агалаков С. Е., Курчиков А. Р., Бабурин А. Н. Геолого-геофизические предпосылки существования газогидратов в туронских отложениях Восточно-Мессояхского месторождения // Геология и геофизика. - 2001. - Т. 42, № 11-12. - С. 1785-1791.
10. Стратиграфия нефтегазоносных бассейнов Сибири. Кайнозой Западной Сибири: монография / В. С. Волкова, С. А. Архипов, А. Е. Бабушкин и др. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, Филиал «ГЕО», 2002. - 246 с.
REFERENCES
1. Istomin V. A., Jakushev V. S. Gazovye gidraty v prirodnyh uslovijah. - M. : Nedra, 1992. - 235 s.
2. Makogon Y. F., Holditch S. A., Makogon T. Y. Natural gas hydrates - A potential energy source for the 21st century // J. Petrol. Sci. Engin. - 2007. - Vol. 56, N 1. - P. 14-31.
3. Gorjuchij led: kak razvivajutsja tehnologii dobychi metana iz gazovyh gidratov v Rossii: TASS. - 2018. - URL: https://news.rambler.ru/other/38924788-goryuchiy-led-kak-razvivayutsya-tehnologii-dobychi-metana-iz-gazovyh-gidratov-v-rossii/ (data obrashhenija: 20.01.2018).
4. Scientific results from the Mallik 2002 gas hydrate production research well program, Mackenzie Delta, Northern Territories, Canada / S. R. Dallimore, T. S. Collett, A. E. Taylor et al. // Geological Survey of Canada (Bulletin 585). - 2005. - 140 p.
5. The status of natural gas hydrate research in China: A review / Y. Song, L. Yang, J. Zhao et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2014. - N 31. - P. 778-791.
6. Mazurenko L. L., Soloviev V. A. Worldwide distribution of deep-water fluid venting and potential oc-curences of gas hydrate accumulations // Geo Marine Lett. - 2003. - Vol. 23, N 304. -P.162-176.
7. Ocenka vozmozhnosti zahoronenija uglekislogo gaza v kriolitozone Zapadnoj Sibiri / A. D. Duchkov, L. S. Sokolova, D. E. Ajunov, M. E. Permjakov // Kriosfera Zemli. - 2009. -T. XIII, № 4. - S. 62-68.
8. Prisutstvujut li prirodnye gazovye gidraty v senomanskoj zalezhi Messojahskogo gazovogo mestorozhdenija? / G. D. Ginsburg, A. A. Novozhilov, A. D. Duchkov i dr. // Geologija i geofizika. - 2000. - T. 41, № 8. - S. 1165-1177.
9. Agalakov S. E., Kurchikov A. R., Baburin A. N. Geologo-geofizicheskie predposylki sushhestvovanija gazogidratov v turonskih otlozhenijah Vostochno-Messojahskogo mestorozhdenija // Geologija i geofizika. - 2001. - T. 42, № 11-12. - S. 1785-1791.
10. Stratigrafija neftegazonosnyh bassejnov Sibiri. Kajnozoj Zapadnoj Sibiri: monografija / V. S. Volkova, S. A. Arhipov, A. E. Babushkin i dr. - Novosibirsk : Izd-vo SO RAN, Filial «GEO», 2002. - 246 s.
© А. Д. Дучков, Л. С. Соколова, 2018
