Результаты измерения УЭС гидратосодержащих образцов в лаборатории Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.37

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ УЭС

ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ОБРАЗЦОВ В ЛАБОРАТОРИИ

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. заведующего лабораторией естественных геофизических полей, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

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, главный научный сотрудник лаборатории естественных геофизических полей, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Андрей Юрьевич Манаков

Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, доктор химических наук, заведующий лабораторией клатратных соединений, тел. (383)316-53-46, e-mail: [email protected]

Николай Алексеевич Манченко

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, инженер лаборатории естественных геофизических полей, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Изготовлена лабораторная установка, позволяющая моделировать мерзлые и гидрато-содержащие образцы и измерять их удельное электрическое сопротивление при разных Р-Т условиях. На установке выполнена серия экспериментов по измерению УЭС при разных температурах, давлениях и содержаниях воды, льда и гидрата тетрагидрофурана (ТГФ). Установлено, что, когда в порах образца содержатся гидраты и раствор ТГФ (с добавлением незначительного количества NaCl), фиксируется низкое УЭС, которое определяется высокой подвижностью ионов в растворе ТГФ. Наличие в образце гидратов ТГФ повышает УЭС образца всего на 180-320 Ом м. А при полном замораживании происходит стабилизация УЭС на уровне 70-80 кОмм.

Ключевые слова: газовые гидраты, гидратосодержащие осадки, физические свойства, удельное электрическое сопротивление, лабораторный эксперимент.

RESULTS OF LABORATORY MEASUREMENTS OF ELECTRICAL RESESTIVITY OF HYDRATE-BEARING SAMPLES

Mikhail E. Permyakov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Head of the Laboratory of Natural geophysical fields, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Albert D. Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Doctor of Science, Chief Researcher, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Andrei Yu. Manakov

Nikolayev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Lavrentiev Prospect, Doctor of Science, Head of the Laboratory of Clathrate compounds, tel. (383)316-53-46, e-mail: [email protected]

Nikolay A. Manchenko

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Engineer, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Laboratory setup has been made that allows forming frozen and hydrate containing samples and measuring their resistivity under different pressures and temperatures. A series of experiments have conducted using the setup to measure the resistivity under different temperatures, pressures and content of water, ice and THF hydrate. Due to high ion mobility in THF solution the low values of resistivity have been revealed when there were hydrates and THF solution (with small amount of NaCl was added) in the pore space. The resistivity of the samples rose only by 180-320 Ohmm in the presence of hydrate. The resistivity stabilized at a value of 70-80 kOhm m after the sample was completely frozen.

Key words: gas hydrates, hydrate bearing sediments, physical properties, electrical resistivity, laboratory experiment.

Основной целью исследований удельного электрического сопротивления (УЭС) гидратосодержащих и мерзлых образцов является развитие геофизических методов поиска и разведки скоплений газовых гидратов в донных осадках глубоких водоемов. Для моделирования гидратосодержащих образцов и измерения их УЭС в ИНГГ СО РАН совместно с ИНХ СО РАН была создана экспериментальная установка, состоящая из рабочей камеры, измерительного и вспомогательного оборудования. На рис. 1 представлено схематическое изображение (1а) установки и внешний вид камеры высокого давления (16).

а) б)

Рис. 1. Схема установки и камера высокого давления. В нижней части камеры виден теплоизолированный шланг, по которому подается термостатирующая жидкость

Основным блоком установки является стальная цилиндрическая камера высокого давления. Камера рассчитана на давление газа до 10 МПа. Внутрен-

-5

ний диаметр камеры - 100 мм, длина - 250 мм, объем - порядка 4 дм . Верх и низ камеры закрываются обтюраторами, которые уплотняются резиновыми и фторопластовыми кольцами. Для поддержания нужной температуры камера окружена стальной полостью (выполнена как единое целое с камерой), по которой в процессе эксперимента циркулирует термостатирующая жидкость. В качестве последней используется полиметилсилоксан - жидкость с высоким удельным электрическим сопротивлением. Термостатирование осуществляется с помощью жидкостного термостата со стабильностью 0.1 °С. Для измерения удельного электрического сопротивления образца применяется четырехэлек-тродный зонд АМЫВ, размещенный в центре камеры (рис. 16). Зонд представляет собой пластиковую трубку, заполненную эпоксидной смолой, внутри которой размещаются соединительные провода, соединенные с кольцевыми электродами на внешней части зонда. Общая длина зонда - около 140 мм, расстояние между электродами - 26 мм, длина электродов - 3.5 мм.

При формировании гидратсодержащих образцов на разных этапах исследований мы использовали в качестве гидратообразователей метан (СН4), углекислый газ (СО2) и тетрагидрофуран (С4Н8О). Методика формирования гидра-тосодержащего образца из газовой фракции подробно описана в работе [1]. В настоящей статье приводятся результаты исследования образцов, содержащих гидрат тетрагидрофурана (ТГФ). ТГФ является прозрачной бесцветной жидкостью, замерзающей при минус 109°С. ТГФ хорошо смешивается с водой и формирует гидрат при замерзании гомогенной жидкости (19.4 масс. % раствор ТГФ в воде). Гидрат ТГФ весьма удобен для лабораторных экспериментов. При его применении гидрат формируется из растворенной фазы, что чаще всего и происходит в природе. Несмотря на различные типы структур (гидрат ТГФ - кубическая структура II, гидрат метана - кубическая структура I) и различную полярность гостевых молекул (ТГФ полярен, метан нет), большинство физических свойств гидрата тетрагидрофурана близки к таковым для гидрата метана (кроме диэлектрических и механических при оттаивании). Многочисленными исследованиями показано, что гидрат ТГФ можно использовать в качестве удобной экспериментальной модели гидрата метана при изучении теплопроводности, электросопротивления и акустических свойств гидратсодержащих образцов [2, 3 и др.].

Образцы с гидратом ТГФ изготавливаются следующим образом. В водный раствор тетрагидрофурана (22 % ТГФ по массе), залитый в камеру установки, засыпается при перемешивании кварцевый песок таким образом, чтобы измерительный зонд был полностью погружен во флюидонасыщенный образец. Все это делается при комнатной температуре и атмосферном давлении. В результате поровое пространство оказывается заполнено раствором. Чтобы избежать испарения ТГФ, верхний обтюратор камеры закрывается и начинается наработка гидрата посредством понижения температуры. В водном растворе ТГФ при атмосферном давлении гидрат начинает образовываться после снижения тем-

пературы до +3-4°С. В ходе эксперимента температура измеряется цифровым датчиком DS18B20 на наружной стенке камеры и в зазоре между камерой и теплоизоляцией (рис. 1).

После окончания наработки гидрата проводятся измерения УЭС методом сопротивлений. Измерительная схема представлена на рис. 2. Во время измерений через образец пропускается синусоидальный электрический сигнал амплитудой в несколько вольт и заданной частотой (в основном использовалась частота 600-1000 Гц) от низкочастотного генератора сигналов ГЗ-109. Падение напряжения измеряется на электродах MN (ДUмN) и на эталонном сопротивлении Кэт~100 Ом (Дик). Последнее необходимо для оценки силы тока, протекающего через образец (I = ДЩ/ Rэт).

ГЗ-109

й эт

Образец

Рис. 2. Схема измерения УЭС методом сопротивлений.

Значение УЭС может быть вычислено по формуле:

р = 4-ятКт (Дим^Дик) = 32,7 (Ди^Д^), Омм, (1)

где г = 0,026 м - расстояние между парой соседних электродов в зонде. Экспериментальная процедура включает измерение падения напряжения между точками М и N К1 и Я2, температуры в образце и времени. Затем по формуле (1) рассчитывается значение УЭС. Измерения УЭС мерзлых или гидратсодержа-щих образцов в процессе их формирования или оттаивания обычно продолжаются длительное время (до суток).

При тестировании установки проводились измерения УЭС различных образцов, в том числе растворов различной концентрации №С1 в дистиллированной воде (для сравнения результатов с табличными данными), а также песка с насыщением порового пространства слабым раствором №С1 в дистиллированной воде. Также в ходе этих калибровочных экспериментов была установлена величина относительно погрешности получаемых результатов. Она составила 3 %. Образец изготавливался путем тщательного механического переме-

шивания песка с раствором и последующей его загрузки в камеру установки. Использовались образцы с содержанием раствора (по массе) 5, 10, 15, и 19 %. Получены следующие значения электрического сопротивления: 482 Омм, 240 Омм, 122 Омм, и 95 Омм соответственно. Для исключения случайных ошибок УЭС каждого образца измерялось дважды - сразу после загрузки и после выстойки в течение 20-40 минут. Таким образом, выполненный эксперимент показал, что применяемая техника и методика обеспечивает высокую точность измерений в диапазоне 90-500 Омм.

После тестирования проводились эксперименты по измерению УЭС образцов, содержащих гидраты ТГФ. На рис. 3а представлены примеры результатов измерения УЭС и Т образцов в процессе формирования в них гидратов ТГФ при сохранении в порах некоторого количества раствора ТГФ. Образцы в экспериментах 1 и 2 отличались между собой начальным количеством раствора при одинаковом соотношении компонент. В эксперименте 1 раствор был в избытке, он перекрывал песок, в эксперименте 2 после загрузки образца излишки раствора были удалены из камеры. После завершения образования гидратов Т и УЭС стабилизируются. Скачок УЭС, наблюдаемый перед стабилизацией, вероятнее всего, вызван перемещением оставшегося флюида в центральной части образца (вблизи зонда). Значения УЭС после стабилизации равны 210 (эксп.1) и 420 (эксп.2) Омм. Очевидно, что такое низкое УЭС гидратсодержащего образца определяется высокой электропроводимостью раствора ТГФ. Наличие в образце гидратов ТГФ повышает УЭС образца всего на 180 (эксп. 4) и 320 (эксп. 5) Омм.

Гидратосодержащие образцы с твердой фазой в поровом пространстве изготавливались по описанной выше процедуре с тем отличием, что рабочая температура в камере составляла -15 °С. Результаты двух измерений УЭС таких образцов (эксп.3, эксп.4) представлены на рис. 36.

а) б)

Рис.3. Изменение УЭС и температуры в процессе образования гидрата ТГФ в образце: а) в поровом пространстве - раствор ТГФ в воде; б) в поровом пространстве образца - лед и гидрат ТГФ

После полного гидратообразования и замораживания образцов происходит стабилизация УЭС на уровне 70-80 кОм м. Примерно такой же порядок величин УЭС наблюдался при завершении экспериментов и с мерзлыми образцами. Это наблюдение еще раз подтверждает, что гидраты ТГФ характеризуются электросопротивлением, сопоставимым с УЭС льда, что затрудняет их дифференциацию только лишь по этому параметру. В то же время в результате проведенных экспериментов показана пригодность созданной установки для моделирования и проведения измерений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дучков А. Д. и др. Измерение теплопроводности синтетических образцов донных осадков, содержащих гидраты метана // Физика Земли. - 2009. - № 8. - С. 42-50.

2. Lee JY, Santamarina JC, Ruppel C. Parametric study of the physical properties of hydrate-bearing sand, silt, and clay sediments: 1. Electromagnetic properties // J. Geophys. Res. - 2010. -115: B11104.

3. Waite W.F. et al. Physical properties of hydrate-bearing sediments // Reviews of geophysics. - 2009. - 47, RG4003. - P. 1-38

© М. Е. Пермяков, А. Д. Дучков, А. Ю. Манаков, Н. А. Манченко, 2015