CC BY
111
9. Элланский М.М. Инженерия нефтегазовой залежи. Том 1. - М. Изд-во «Техника», 2001. - 288 с.
|— Коротко об авторах------------
Десяткин А.С. - ОАО “Промгаз”, Москва.
УДК 54:551.34
С.М. Федосеев
РЕЛИКТОВЫЕ ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ КРИОЛИТОЗОНЫ
© С.М. Федосеев, 2006
Глобальный интерес к газовым гидратам связан первую очередь с истощением мировых запасов обычных (традиционных) газосодержащих скоплений углеводородов.
Истощение и невосполнимость ресурсов свободного природного газа, растущий спрос на этот энергоноситель, несомненно, заставят человечество в ХХ1 веке обратить внимание на значительные потенциальные ресурсы природного газа, заключенные в нетрадиционных источниках. К ним относятся метан угленосных толщ, водорастворенные газы подземной гидросферы и природные газовые гидраты в зонах стабильности газогидратов (стабильные газогидраты). Под термином «зона стабильности газогидратов» (ЗСГ) понимают часть литосферы и гидросферы Земли, термобарический и геохимический режим которой соответствует условиям устойчивого существования гидратов газа определенного состава [1]. В природе область распространения газовых гидратов охватывает зоны распространения многолетнемерзлых пород и глубоководные осадки океанов и морей.
Запасы метана в угольных бассейнах мира по различным оценкам составляет (0,85-2,62)-1014 м3 метана, добыча которого связана с технологическими и экономическими проблемами.
Общие ресурсы газа в подземных водах до 4500 м, по оценкам ВНИГРИ достигают 1016 м3. Однако, небольшое удельное газосодержание подземных вод (0,3-20 м3/м3) делает проблематичной добычу газа в промышленных масштабах.
Точный подсчет запасов природного газа в ЗСГ пока невозможен. Тем не менее, благодаря неглубокому залеганию и концентрированному состоянию газа (до 180 м3 газа на 1 м3 гидрата) в газогидратных залежах (ГГЗ) их разработка может быть не менее рентабельной, чем разработка традиционного месторождения свободного газа. По предварительным оценкам на суше содержится 14-1012 ^34-1015 м3, а в акватории -3,1-1015^7,6-1018 м3 газа в гидратном состоянии. По средневзвешенным современным оценкам ресурсы газогидратных залежей составляют около 2,1-1016 м3. Даже если только 10 % этих запасов считать извлекаемыми, они вдвое превысят сегодняшние мировые запасы традиционного природного газа [2].
В последнее время при проведении горных выработок и бурении разведочных и эксплуатационных скважин в криоли-
тозоне наблюдаются газопроявления и обильные выбросы газов с небольших глубин (до 100-150 м), где термобарические условия не соответствовали условиям стабильного существования гидратов. По мнению ученых, данное явление связано с разложением реликтовых гидратов, сохранившихся в толщах ММП с предыдущих геологических эпох, когда термобарический и геохимический режимы соответствовали условиям устойчивого существования гидратов газа [1, 3, 4, 5].
В пользу вероятной газогидратной формы нахождения внутримерзлотных газовых скоплений свидетельствуют большие дебиты газа (сотни и тысячи м3/сут.) при высокой (99 %) степени заполнения пор льдом и незамершей водой [3]. Подобные газопроявления широко распространены на севере Западной Сибири, в частности на Бованенском ГКМ и Ямбургском ГКМ, Арктическом побережье Канады, на Аляске, на Западной Якутии, Чукотке, золотоносных россыпях Колымы [4-7].
Существование реликтовых газовых гидратов в криоли-тозоне связано с кинетической устойчивостью этих соединений при отрицательных по Цельсию температурах (Т<273К). Так, Д.В. Дэвидсон [8] и Ю.П. Ханда [9] установили неполное разложение природных гидратов в области температур Т<273,15 К при превышении температуры диссоциации. Авторы предполагают, что при разложении части гидрата на его поверхности образуется газонепроницаемый изолирующий панцирь изо льда, препятствующий дальнейшему разложению гидрата. Явление кинетической стабильности гидратов при Т<273,15 К и при давлении ниже равновесного в России также обнаружил в своих экспериментах В.С. Якушев [10, 11]. Он проявленную кинетическую стабильность, также объясняет образованием изолирующей ледяной оболочки на поверхности кристаллов, причем различные виды образцов разлагаются с различной скоростью. Так при температуре 255^270К образцы агломерата лед-гидрат не разлагались в течение 1 года, а нитевидные и игольчатые разлагались довольно быстро от 2-3 мин до 5-6 суток в зависимости от размеров, температуры и влажности хранения. Образцы монолитного гидрата с объемом от 0,01 до 3 см3 не разлагались
в течение периода наблюдений (более 5 месяцев) в условиях, препятствующих сублимации влаги с их поверхности.
Ими установлено, что стабильность «законсервировавшихся» гидратов зависит от температуры окружающей среды, возможности сублимации влаги с поверхности, наличия светового, механического и химического воздействий. Такая ситуация реально существует в толщах многолетнемерзлых горных пород. Обнаруженный эффект имеет большое значение для объяснения природы реликтовых гидратов и дальнейших исследований природных флюидов при отрицательных температурах.
Отношение к реликтовым газовым гидратам пока двоякое. Одни склонны признать локальные скопления реликтовых гидратов за потенциальный нетрадиционный источник газа для снабжения отдаленных населенных пунктов [5]. А с другой стороны неглубокое залегание реликтовых газогидра-тов, несомненно, потребует в будущем определенной корректировки технологии и техники безопасности при проведении горных и строительных работ в криолитозоне, что вызвано различием физических свойств водонасыщенных, льдонасыщенных и гидратонасыщенных горных пород и большим содержанием газа в гидрате (до 180 м3 газа на 1 м3 гидрата).
Пока не установлен вклад газа в скоплениях реликтовых газогидратов в общий баланс нетрадиционных источников углеводородов. Представляют научно-практический интересы вопросы выделения толщ ММП, содержащих реликтовые газогидраты, методы извлечения газа из скоплений реликтовых газовых гидратов и.т.п. Например, в Западной Якутии реликтовые газогидраты обнаружены при закачке промышленных рассолов (ингибиторов) с минерализацией свыше 350 г/л в водоносные горизонты криолитозоны. При этом наблюдалось бурное газопроявление, сопровождавшееся с выбросами газоводяной смеси и фонтаном газа. Анализ проб воды, откачанных (после разложения гидратов) из тех же горизонтов, показал значительное опреснение закачанных рассолов и понижение температуры пласта. В составе газов после разложения гидратов в большом количестве содержались метан и его гомологи, а также сероводород (50 мл/л воды). В
данном регионе выделены два интервала залегания реликтовых гидратов на глубинах 80-100 м и 140-190 м [6].
По результатам наблюдений П. Д. Чабана при разработке россыпных месторождений Северо-Востока России природные кристаллогидраты метана и углекислого газа встречались в россыпных месторождениях, расположенных в крио-литозоне. При этом глубина залегания россыпей, содержащих реликтовые гидраты, не превышает 100 м. Наиболее интенсивное выделение газов синхронно процессу разрушения пород и, напротив, в обычных условиях выделение метана в атмосферу горной выработки незначительно или вовсе отсутствует. По мнению автора, разрушение горных пород приводит к изменению внешних термобарических условий, что приводит к высвобождению газов и их интенсивному поступлению в шахтную атмосферу [7].
В ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН проведены экспериментальные исследования по оценке кинетической устойчивости газовых гидратов природного газа Северо-Нельбинской газоконденсатной площади (ГКП) при Т<273 К в поровом пространстве различных горных пород. Лабораторные эксперименты проведены на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Физические характеристики образцов горных пород приведены в табл. 1.
В качестве газа-гидратообразователя использован природный газ Северо-Нельбинской ГКП, имеющий следующий состав (% об.); СН4 - 70,63 %, С2Н6 - 17,91 %, С3Н8 - 2,10 %, С4Н10 - 1,48 %, О2 - 0,23 %, N2 - 7,64 %, СО2 — 0,01 %, Н2 Б-следы. Образцы горных пород с объемом 80 см3 (Ь=26 мм, И = 150 мм), предварительно насыщаются пластовой водой метегеро-ичерского водоносного горизонта с минерализацией 150 г/л и содержанием сероводорода 120 мг/л. при исходной водонасыщенности Квн. = 0,5. При такой водонасыщенно-сти весовые влажности образцов 1, 2, 3 соответственно равны; 1,88 %, 5,32 %, 9,12 %
Гидраты нарабатываются в течении суток при давлениях заведомо выше равновесного (3,5 МПа) гидратообразования при температуре 273,15 К. Для максимального перевода воды
1З7
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования процесса гидратообразования в пористой среде: 1 - термостат; 2 - образцовый манометр; 3 - камера высокого давления; 4 - резиновый уплотнитель; 5 -разъемная обойма; 6 - образец горной породы; 7 - термопара; 8 - микровольтметр; 9, 14 - вентили; 10 - газовый расходометр; 11 - газовый редуктор; 12 - баллон с газом; 13 - гидравлический пресс; 15 - хроматограф; 16 - самописец; 17 - термометр; 18 - плунжер; 19 - сетка; 20 - редукционный клапан; 21 - мерный сосуд
в гидрат по мере перехода газа в твердую гидратную фазу в камеру периодически запускался очередная порция газа.
После насыщения образцов гидратами камера термоста-тируется при температуре равной пластовой 271К в течение суток. Затем в камере устанавливаются давления заведомо ниже равновесных давлений при этой температуре: 1,5, 1,0, 0,5, 0,1 МПа. Постоянные давления в камере устанавливаются с помощью редукционного клапана (20).
Объем газа (У1), выделившийся в результате частичного разложения при данных давлениях (ниже равновесного) собирается под водой в мерный сосуд. Разложение гидрата начинается с периферийных частей, где происходит интенсивный массообмен и сопровождается с понижением температуры образца за счет теплоты фазового перехода. Степень понижения температуры образца при разложении гидратов происходит в зависимости от гидратонасыщенности пор и теплофизических параметров горной породы.
В условиях проведенных экспериментов рассчитанная по формуле (1) гидратонасыщенность варьирует в пределах 0,55^0,65. и снижение температуры образца достигает 0,52 К.
К = Кес -Рок.-(1 - ™) (1)
гидр.нас. ' V /
РгидрГ т
где рск. - плотность минерального скелета образца; ргидр-плотность гидрата, данного газа ~ 911 кг/м3; т - исходная пористость образца породы, доли.
По мере распространения зоны разложения гидрата внутрь образца, скорость дальнейшего его разложения уменьшается. Это можно объяснить наряду с самоконсер-вацией гидратов при Т<273 К затрудненным массообме-ном, вызванным большей разветвленности пор и созданием при образовании гидратов большого количества замкнутых объемов в теле образца горной породы. Время приостановления разложения гидратов в образцах фиксируется по прекращению выделения пузырьков газа из образца. По мере прекращения разложения гидратов в образце температура начинает расти до исходной.
После прекращения частичного разложения гидратов при 271 К, температуру в камере поднимают до 293 К и под атмосферным давлением собирают гидратный газ в мерный сосуд. Время частичного разложения гидратов в образцах (1) при 271 К,
Таблица 3
Составы газов (% об.)
Компонент Исходный газ Надгидратный газ Гидратный газ
X о 70,63 78,3 66,84
С2Н6 17,91 11,0 23,5
С3Н8 2,10 0,60 6,50
ьСдНю 0,61 0,15 1,30
П-С4Н10 0,87 0,20 1,80
О2 0,23 0,65 —
N2 7,64 9,10 —
С02 0,01 Следы 0,06
Н2Э Следы - 0,16
объемы газов после частичного (У1) и полного разложения (У2) и проценты сохранившихся гидратов приведены в табл. 2.
Из данных лабораторных экспериментов следует, что в поровом пространстве в условиях, близких к пластовым условиям, гидраты проявляют кинетическую устойчивость. В проявлении кинетической устойчивости гидратов в пористой среде массива горных пород благоприятную роль играют низкая температура пласта (271 К) и повышенное содержание (до 21,5 %) тяжелых гомологов метана в составе газа-гидратообразова-теля, придающее термодинамическую стабильность кристаллической структуре. Растворенный в пластовой воде сероводород при гидратообразовании пристраивается в кристаллическую структуру (см. табл. 3.) и придает дополнительную стабильность гидрату. При этом пластовая вода очищается от ядовитого сероводородного газа.
Составы надгидратного и гидратного газов анализируются и сравниваются с исходным составом газа-гидратообразова-теля. Состав надгидратного газа определен после насыщения образца гидратами, перед началом час-
тичного разложения гидратов в образцах. Составы газов приведены в табл.3
Наибольшая кинетическая устойчивость гидратов при Т<273К наблюдается в доломитах (Кпр =3,3-10-3 мкм2), затем в песчаниках (Кпр=1,210-2 мкм2) наименьшая в песках (Кпр.8,8 мкм2).
Таким образом, можно сделать вывод, что в многолетнемерзлых толщах реликтовые газовые гидраты наиболее вероятны в пластах с наименьшей проницаемостью. ------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. - М.: Недра, 1992.- 235 с.
2. Пузанова М.Ю. Нетрадиционный источник газа: природные газовые гидраты. //Минеральные ресурсы мира. Хроника текущих событий. ИАЦ «Минерал»-М., 2001. С.84-88.
3. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М., Истомин В.А., Якушев В.С. Особенности существования газовых гидратов в криолитозоне // ДАН.- 1991.- Т. 321.- № 4.- С. 788-791.
4. Чувилин Е.М., Перлова Е.В., Дубняк Д.В. Экспериментальное моделирование условий существования газовых гидратов в морских отложениях п-ва Ямал // Материалы 2-ой конференции геокриологов России. Т. 1.-Москва, Изд-во МГУ, 2001.- С. 169-173.
5. Якушев В.С., Перлова Е.В., Чувилин Е.М., Кондаков В.В. Многолетнемерзлые породы как коллектор газовых и газогидратных скопле-ний.//Газовая промышленность .-2003.-.№3- С.36-40.
6. Порохняк А.М. Газогидраты криолитозоны в Западной Якутии. - М.: Изд-во ЦНИИЦветмета, 1988.- 230 с.
7. Чабан П.Д. О газовых гидратах в вечномерзлых россыпях //Колыма.- 1991.- № 6.- С. 18-19.
8. Davidson D.W., Carg S.K. Gough S.R., Handa Y.P., Ratcliffe C.I., Rip-meester J.A., Tse J.S. Laboratory analysis of a naturally occuring gas hydrate from sediment of the Gulf of Mexico. "Geochimica et Cosmochimica Acta".-1986.- V.50. - №4. - p. 619-623.
9. Handa Y.P. Calorimetric Study of Naturally Occurring Gas Hydrates. -Ing. Chem. Res. - 1988.- V.27.- №5.- p. 872 - 874.
10. Якушев В.С. Эксперименальное изучение кинетики диссоциации гидрата метана при отрицательных температурах: Экспресс - информ. Сер. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений.- 1988.- №4.- С. 11-14 / ВНИИгазпром.
11. Якушев В.С. Одна из возможных причин газовых выбросов в толще многолетнемерзлых пород. //Геология нефти и газа.- 1989.- №4.-С. 4546.
і— Коротко об авторах
Федосеев С.М.- научный сотрудник лаборатории обогащения полезных ископаемых Института горного дела Севера им. Н.В. Чер-с кого СО РАН
------Ф
^--------
-------------------------------------- © А.Г. Черников, 2006
УДК 622.371
А.Г. Черников
ОЦЕНКА ГАЗОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПО КОМПЛЕКСУ ГЕОЛОГОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Создание экономически приемлемых и безопасных условий эксплуатации угольных шахт обуславливает необходимость прогнозирования метанообильности угольных пластов. Относительно новым направлением в углеразведке является оценка запасов угольного метана для целей его промышленной добычи. В настоящее время изучение газоносности угольных пластов осуществляется преимущественно с помощью проб, отобранных керногазонаборниками. Фрагментарность выполняемого опробования не обеспечивает необходимую полноту, детальность и достоверность геологического прогнозирования. В связи с этим и была сформулирована задача - получение массовой и достоверной оценки параметров газоносности угольных пластов, в процессе решения которой был разработан и опробован новый способ, использующий комплекс геолого-геофизических исследований метаноугольных скважин.
Для угольных пластов - «нетрадиционных» коллекторов газа, характерны минимальные (на грани точности геофизи-
