CC BY
112
УДК 550.361
12 11 А.Д. Дучков , А.Ю. Манаков , М.Е. Пермяков , С.А. Казанцев
1ИНГГ СО РАН, Новосибирск
2ИНХ СО РАН, Новосибирск
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА РАЗВИТИЕ ГЕОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА ПОИСКОВ ПОДДОННЫХ СКОПЛЕНИЙ ГИДРАТОВ МЕТАНА
12 11
A.D. Duchkov , A.Yu.Manakov , M.E. Permyakov , S.A. Kazantsev
1Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS
Acad. Koptyug av., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
2Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS
Acad. Lavrentiev av., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
RESULTS OF THE STUDIES AIMED AT THE DEVELOPMENT OF GEOTHERMAL METHOD OF SUBBOTTOM METHANE HYDRATE ACCUMULATIONS PROSPECTING
Feasibility of using the in situ thermal conductivity measurement procedure for sub bottom hydrate-bearing sediments prospecting is discussed in this work. Experimental set-up for simulation of sub bottom hydrate-bearing sediments is described. Thermograms are given that were obtained while measuring thermal conductivity of simulated samples under PT-conditions of hydrate stability as well as near the phase equilibrium. The energy effect of increasing the estimated value of thermal conductivity is caused by heat consumption for hydrate dissociation.
Гидраты углеводородных газов (в основном метана) широко распространены в природе, что и обусловливает интерес к ним, как к перспективному источнику энергии. Необходимыми условиями образования и существования природных газовых гидратов являются наличие подходящих давления (Р) и температуры (Т), а также достаточного количества воды и свободного (либо растворенного в воде) газа. Такие условия реализуются в осадках морей на глубинах более 300-500 м [1, 2]. Относительно недавно газовые гидраты метана были обнаружены в осадках пресноводного озера Байкал [3]. Скопления метангидратов в осадках водоемов аккумулируют метан из глубинных газо-флюидных потоков и фактически являются возобновляемым природным ресурсом. Суммарные запасы метана в них
13 3
могут по некоторым оценкам достигать 10 м [2]. Известные газогидратопроявления в донных осадках акваторий можно разделить на две группы. Первую составляют поддонные скопления, формирующиеся либо непосредственно на дне или под тонким слоем донных осадков. Вторую -глубоко залегающие скопления, обычно обнаруживаемые только при подводном бурении. В данном сообщении мы рассматриваем проблему поисков только поддонных залежей, которые более доступны и в то же время содержат значительные запасы газа.
Следует отметить, что до настоящего времени строение поддонных скоплений гидратов изучено недостаточно. Обычно они формируются вокруг
активных газовых источников и, скорее всего, имеют форму цилиндра диаметром в несколько сотен метров и мощностью от нескольких метров до первых десятков метров [2]. Содержание гидратов в пределах залежи может достигать 10-20 об.%. Такие количества гидратов настолько
«замораживают» осадки, что в них не может внедриться исследовательская грунтовая трубка или другой погружной зонд. Вокруг залежи может формироваться больший по размерам объем осадков, в которых присутствуют лишь рассеянные количества гидратов порядка 1 об.% (диффузионный ореол). Пока не разработаны геофизические методики поисков и оконтуривания тел поддонных гидратов. Проблемы возникают вследствие небольших размеров залежей гидратов, расположенных под мощным слоем воды и недостаточной изученностью физических свойств гидратсодержащих осадков. К наиболее интересным характеристикам гидратов относятся их тепловые свойства, поскольку именно они определяют динамику температурного поля, контролирующего процессы формирования и распада газовых гидратов.
Впервые на возможность использования измерений теплопроводности осадков in situ для поисков гидратсодержащих отложений обратил внимание В.А. Голубев [4], основываясь на своих многолетних работах по изучению теплового потока оз. Байкал. Тепловой поток через дно водоемов изучается с помощью специальных погружных термографов, которые обеспечивают одновременное измерение температуры (Т) и коэффициента теплопроводности (КТ) осадков. Общий вид термографа показан на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид погружного термографа. Правый зонд - датчики для измерения Т и геотермического градиента. Левый зонд - нагреватель и датчики температуры для измерения теплопроводности осадков методом цилиндрического зонда постоянной мощности. В качестве датчиков температуры используются терморезисторы
В последние годы авторы предприняли усилия по постановке лабораторных исследований, направленных на детальное изучение
возможного отклика гидратсодержащей среды на тепловой импульс [5]. С этой целью авторы разработали и изготовили установку, позволяющую моделировать образцы пород, содержащих гидраты метана и измерять их теплопроводность. Схема установки показана на рис. 2. Камера рассчитана на давление до 40 МПа. КТ измеряется цилиндрическим зондом постоянной мощности (1,3-4 Вт/м), который вводится в камеру через ее нижний фланец. Для измерения КТ нагреватель включается на 3-5 минут, и в течение этого времени регистрируется изменение температуры зонда со временем (термограмма). Для получения гидратсодержащих образцов использовалось 200 г кварцевого песка, смешанного со льдом. Эта методика обеспечивала получение образцов с относительно большим (до 2-3 масс. %) содержанием равномерно распределенного по объему осадка гидрата.
Рис. 2. Установка для моделирования образцов пород, содержащих газовые гидраты. 1 - цилиндрическая камера высокого давления (диаметр - 40 мм, высота - 150 мм), 2 - термостат, 3 - устройство для измерения теплопроводности и температуры в камере (цилиндрический зонд и регистрирующая система), 4 - компьютер, 5 - выпускной вентиль, 6 -
манометр, 7 - баллон с метаном
Нами проведено несколько десятков экспериментов по моделированию гидратсодержащих образцов и измерению их КТ при разных давлениях (длительность одного эксперимента - 1-1,5 суток). Из полученных при этом многочисленных результатов нами на рис. 3 показаны термограммы, характеризующие две принципиально различные обстановки, дающие разные оценки теплопроводности. При интерпретации результатов принималось во внимание, что гидрат метана и вода имеют примерно одинаковую теплопроводность порядка 0,5-0,6 Вт/(м К) (т.е. замена гидрата на воду и наоборот практически не изменяет теплопроводность среды).
3.6 3.4
О
О 3.2
К
3.0 2.8
7 20 55 148 403
1:, сек
Рис. 3. Термограммы, полученные при определении КТ модельных образцов гидратсодержащих пород. Во всех экспериментах стартовая температура равнялась 2,2 0С. Остальные данные (давление метана Р, максимальная температура эксперимента Тм, равновесная температура разложения гидрата метана при давлении Р, расчетная теплопроводность КТр) указаны для отдельных графиков: График 1 - Р = 4,59 МПа, Тм = 3,7 0С, Тр = 5,8 0С; состав (масс. %): песок - 96,2; вода - 1,6; гидрат - 2,2; КТр = 0,7 Вт/(м К). График 2 - Р = 3,25 МПа, Тм = 3,3 0С, Тр = 2,2 0; состав (масс. %): песок - 96,2, вода - 2,2, гидрат - 1,6;
КТр = 4-5,7 Вт/(м-К).
При измерении КТ образцов, содержавших гидраты, находившиеся во время эксперимента в области своей термодинамической стабильности, обычно фиксировались термограммы типа 1 на рис. 3. После нелинейного начального участка термограммы, устанавливалось достаточно длительное монотонное увеличение температуры. Именно линейная часть термограммы используется обычно для расчета теплопроводности. В рассмотренном случае реальное и расчётное значения теплопроводности идентичны и составляют 0,7 Вт/(м-К). Если посредством снижения давления тот же образец перевести в метастабильное состояние (когда Р,Т-условия приближаются к равновесным), то при измерении КТ наблюдается иной результат (график 2 на рис. 3). В этом случае при превышении равновесной температуры на 0,8-1°С (через 20-30 секунд после включения нагревателя) происходит заметное снижение темпа роста Т. Соответственно резко возрастает расчетное значение КТ (до 4-5 Вт/(м-К)), хотя реальная теплопроводность образца не изменяется.
Мы считаем, что причиной аномальных изменений термограмм и расчетной теплопроводности является диссоциация части (по нашим оценкам не более 5%) гидратов вблизи игольчатого зонда под действием тепла, выделяемого нагревателем. При распаде гидрата вокруг нагревателя происходит поглощение тепла, что и вызывает замедление роста Т. Таким образом, нами установлено, что нагревание гидратсодержащего вещества приводит к фиксируемым температурным сигналам, параметры которых определяются наличием и количеством гидратов, мощностью нагревающего
устройства и P-T условиями в месте его установки. Выявленные усложнения термограмм (рис. 3) и аномальный рост расчетных значений теплопроводности являются несомненными признаками (индикаторами) наличия заметного количества гидратов в осадках. Если ранее обсуждался вопрос о возможности формирования при распаде гидратов лишь небольших локальных аномалий на термограммах [4], то наши наблюдения значительно расширяют поисковый арсенал.
Интересно отметить, что аналогичные результаты получены и при проведении геотермических работ в северных районах Черного моря [6]. Здесь в последние 15-20 лет открыто большое количество скоплений гидратов метана и выполнены многочисленные измерения in situ температуры и теплопроводности осадков погружными термографами. При измерении КТ осадков, содержащих гидраты метана, обычно регистрировались термограммы подобные графику 2 на рис. 3. Их интерпретация приводила к аномально высоким значениям значения расчетной теплопроводности. Наличие гидратов в разрезе подтверждалось отбором осадков грунтовыми трубками.
Таким образом, к настоящему времени получены убедительные доказательства возможности использования измерений КТ донных осадков in situ для поисков и оконтуривания поддонных скоплений газовых гидратов. Однако до практической реализации метода еще предстоит выполнить исследования по развитию и уточнению технологии измерений.
Очевидно, что для массовых измерений теплопроводности in situ можно использовать погружные термографы типа показанного на рис. 1. Модификации и размеры зондов могут варьировать в зависимости от условий измерений. Основной задачей при проведении работ является запись двух термограмм при разных мощностях нагревателя. При отсутствии гидратов в осадках мы должны в обоих случаях получить близкие термограммы и примерно одинаковые значения КТ.
При наличии гидратов в осадках при правильном подборе тепловых источников мы должны получить две разные по конфигурации термограммы (типа приведенных на рис. 3). Под действием маломощного источника гидраты не будут разлагаться, и мы измерим реальную теплопроводность осадков. Включение более мощного нагревателя должно приводить к распаду гидратов вокруг зонда, заметному снижению скорости роста Т и резкому возрастанию расчётной теплопроводности. Получение двух различных термограмм (как на рис. 3) будет являться очевидным признаком наличия рассеянных количеств гидратов в разрезе. Параллельно производится расчет теплопроводности. Важной задачей является разработка метода оценки количества распавшегося гидрата в результате интерпретации двух записанных термограмм. Минимальные и максимальные мощности источника определяются в основном глубиной водоема (чем глубже водоем, тем более стабильны гидраты в донных осадках и больше тепла необходимо для их разложения).
На данном этапе можно предложить такую технологию проведения измерений с термографом: первые 10 минут проводятся измерения с маломощным нагревателем, затем нагреватель выключается на 5 минут для рассеивания первого теплового импульса (хотя это и не обязательно), затем включается более мощный нагреватель и повторяются измерения КТ. Если спуск термограф производится на трос-кабеле, то все результаты измерений мы получаем в реальном времени. Если используется обычный трос, то запись результатов измерений производится автономным регистратором, размещенным в контейнере.
Работа поддержана грантом РФФИ № 08-05-00804-а и Интеграционным проектом СО РАН № 62 «Фундаментальные вопросы физической химии газовых гидратов - исследования в интересах практического использования».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гинзбург Г.Д., Соловьёв В.А. Субмаринные газовые гидраты / Г.Д. Гинзбург,
В.А. Соловьёв - СПб: ВНИИОкеангеология. - 1994.- 199 с.
2. Соловьёв В.А. Глобальная оценка количества газа в субмаринных скоплениях газовых гидратов // Геология и геофизика.- 2002.- Т. 43, №7.- С. 648-661.
3. Дучков А.Д. Газогидраты метана в осадках озера Байкал // Российский химический журнал.- 2003.- Т. XLVII, № 3. - С. 91-100.
4. Голубев В.А. Свидетельства присутствия газогидратов в верхнем слое донных осадков озера Байкал: результаты измерений теплопроводности in situ // ДАН. - 1998. - Т. 358, №3. - C. 384-388.
5. Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Огиенко А.Г. Экспериментальное моделирование и измерение теплопроводности пород, содержащих гидраты метана // ДАН. - 2006.- Т. 408, №5.- С. 656-659.
6. Кутас Р.И., Кравчук О.П., Бевзюк М.И. Диагностика газогидратности придонного слоя осадков Черного моря по результатам измерения их теплопроводности in situ // Геофизический журнал. - 2005.- Т. 27, № 2.- С. 238-244.
© А.Д. Дучков, А.Ю. Манаков, М.Е. Пермяков, С.А. Казанцев, 2009
