CC BY
3УДК 347.736.5
ТЕМПЕРАТУРА И ЗАСОЛЕННОСТЬ ОТЛОЖЕНИЙ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ОСАДОЧНОЙ ТОЛЩИ ПЕЧОРСКОГО МОРЯ В СВЯЗИ С ПЕРСПЕКТИВАМИ ГАЗОГИДРАТОНОСНОСТИ
И Рокос С. И., Гордеев И. А.
АО «Арктические морские инженерно-геологические экспедиции» (АМИГЭ), Мурманск, Россия
E-mail: [email protected]
В статье проведен анализ проблемы возможного наличия газогидратов метана в верхней части разреза (до глубины 100 м от дна) мелководной акватории Печорского моря. Показано, что температура в этой части разреза изменяется в мерзлых грунтах от -1,5 до -0,5 °С. Талые грунты глубже слоя сезонных температурных колебаний характеризуются отрицательными околонулевыми значениями. Расчеты показывают, что при такой температуре глубина зоны стабильности гидратов метана значительно ниже по разрезу. Аномалий засоленности, которые можно было бы однозначно связать с наличием газогидратов, в данном интервале не установлено. Существование гипотетических межмерзлотных залежей газогидратов в условиях деградирующей криолитозоны также невозможно.
Ключевые слова: газогидраты, засоленность грунта, мерзлые грунты, охлажденные грунты, Печорское море, субаквальная криолитозона, температура грунта.
TEMPERATURE AND SALINITY OF UPPER PART SEDIMENTS STRATA OF THE PETCHORA SEA WITH CONNECTION GAS HYDRATES BEARING PROSPECTS
И Rokos S. I., Gordeev I. A.
JSC "Arctic Marine Engineering Geological Expeditions" (AMIGE), Murmansk, Russia
The article analyzes the problem of the possible presence of methane gas hydrates in the upper part of the section (up to a depth of 100 m from the bottom) of the shallow waters of the Pechora Sea. It was demonstrated that the temperature in this part of the section varies in frozen soils from -1.5...-0.5 °C. Thawed soils that underlay deeper than the layer of seasonal temperature fluctuations are characterized by negative near-zero values. Calculations show that at this temperature the depth of the stability zone of methane hydrates lies significantly lower in the section. Salinity anomalies that could be explicitly associated with the presence of gas hydrates have not been identified in this interval. The existence of hypothetical inter-permafrost deposits of gas hydrates in the conditions of a degrading permafrost zone is also impossible.
Key words: gas hydrates, soil salinity, frozen soils, cooled soils, Petchora Sea, soil temperature, subsea permafrost.
Введение. Интерес к вопросу возможного наличия газогидратов метана в данном регионе обусловлен необходимостью оценки инженерно-геологических условий постановок морских буровых платформ и горно-геологических условий бурения и крепления нефтегазовых скважин
в верхней части разреза (от поверхности дна до глубины 100 м). Основанием для постановки данного вопроса является широкое распространение здесь многолетнемерзлых пород и повсеместное присутствие мелкозалегающего газа (в основном метана). Это создает благоприятные предпосылки для образования газогидратов. Вскрытие приповерхностных залежей газогидратов при бурении нефтегазовых скважин может привести к выбросам и открытому фонтанированию, что является неприемлемым риском для морских буровых установок. Исходя из этого, основной целью работы является оценка возможности образования газогидратных залежей в указанном интервале.
Использованные материалы. В представленном докладе использованы материалы, полученные при инженерно-геологических изысканиях, выполненных АМИГЭ на шельфе Печорского моря в 1982-2021 гг. В состав этих материалов входят данные инженерно-геологического бурения до глубины 50-130 м от дна, результаты лабораторных определений состава и физико-механических свойств из образцов керна, а также временные разрезы сейсмоакустического профилирования. Кроме того, привлечены данные измерений температуры в керне и с помощью термостатического зондирования (temperature cone penetration test — TCPT) в условиях ненарушенного залегания (in situ).
Общая характеристика криолитозоны. Криолитозону шельфа Печорского моря составляют охлажденные и многолетнемерзлые дисперсные грунты, входящие в состав толщи новейших отложений. Эти грунты имеют реликтовое происхождение [4]. Они были сформированы в течение последней поздневалдайской регрессии, когда уровень моря опустился до отметок около -100 м. В результате на осушенном шельфе была образована мощная (до 500 м) мерзлая толща.
В целом внешняя мористая граница области, испытавшей осушение и промерзание в ходе поздневалдайской регрессии, в среднем соответствует изобате 100 м (рис. 1). С запада данная область ограничивается Восточно-Колгуевским таликом, который, вероятно, приурочен к древнему верхневалдайскому эстуарию, а также обширным мелководьем, в пределах которого донные грунты имеют положительную температуру (результат растепления водами теплых течений).
В ходе трансгрессии современного арктического бассейна мерзлая толща была существенно растеплена. По состоянию на сегодняшний день многолетнемерзлые отложения, содержащие в своем составе лед, сохранились в виде отдельных локальных массивов (криореликтов), разделенных обширными таликами (островной тип распространения). В настоящее время они находятся в квазистабильном состоянии и медленно деградируют под воздействием глубинного теплового потока. На участках таликов глубже интервала годовых колебаний температуры развиты охлажденные грунты с отрицательной околонулевой температурой, превышающей температуру начала замерзания.
В переделах локальных криореликтов мерзлые толщи имеют в основном слоистое строение. В разрезах пробуренных здесь скважин наблюдается чередование интервалов мерзлых льдистых и охлажденных грунтов. Кровля мерзлых толщ залегает на глубине от 17 до 53 м ниже
дна. Суммарная мощность достигает 20-30 м и более. Исключение составляют мерзлые образования, развитые на объекте «Диапиры». Здесь на сводах локальных поднятий мерзлые грунты были вскрыты скважинами на глубине менее 0,5 м от дна, а мощность мерзлой толщи достигает 100 м и более [1].
Температура грунтов криолитозоны. Согласно данным проведенных измерений, температура мерзлых грунтов изменяется в диапазоне от -0,5 до -1,5 °С (рис. 2, а-в). В мерзлых образованиях она весьма близка по своей величине к температуре фазового перехода. Изменения температуры по разрезам скважин в интервале от поверхности дна до глубины 100 м носят в основном безградиентный характер. Значения температуры фазового перехода или начала замерзания (Т ) могут служить в качестве пороговых оценок, а также использоваться для верификации температурных измерений. Температура охлажденных грунтов изменяется в основном от 0 до 1 °.
Рис. 1. Карта криолитозоны Печорского моря: 1 — Восточно-Колгуевский талик; 2 — область осушения; подвергнувшаяся растеплению; 3 — область распространения мерзлых и охлажденных грунтов; 4 — современные талики, приуроченные к речным эстуариям; 5 — тальвег Восточно-Колгуевского желоба; 6 — инженерно-геологические скважины; 7 — скважины; вскрывшие мерзлые грунты
Засоленность. В границах вскрытого инженерно-геологическими скважинами интервала концентрация солей в поровом растворе (с ) изменяется от 7-8 до 40-50%о и более (рис. 2, г). Минимальные значения засоленности отмечаются в мерзлых песках и супесях, максимальные — в глинисто-суглинистых талых и охлажденных образованиях верхней части разреза. Величина срк в мерзлых грунтах составляет в основном менее 20%. Тип засоления в основном хлоридный морской. В мерзлых глинистых образованиях часто наблюдается континентальный сульфатный и переходный сульфатно-хлоридный типы засоления, в мерзлых песках — исключительно морской тип.
Рис. 2. Температура и засоленность донных грунтов в разрезах скважин: а) температуры керна в скважинах №2 480, № 481 (объект «Диапиры»); б) сводный график температуры керна в скважинах, пробуренных в районе Варандея; в) сводный график результатов ТСРТ по скважинам № 460, 450, 210; г) сводный график значений температуры начала замерзания (ТЬ() по скважинам № 383, 384, 385, 450; д) сводный график значений концентрации порового
раствора (с ) по скважинам №383, 384, 385, 450
Приповерхностный газ. В границах рассматриваемой области в осадках повсеместно наблюдается присутствие приповерхностного свободного газа [3]. Его наличие проявляется на сейс-моакустических временных разрезах в виде зон потери корреляции, амплитудных аномалий, обращения фаз отражающих границ и др. Насыщение осадков приповерхностным газом пара-генетически связано с процессами формирования и деградации многолетнемерзлых грунтов. В слабопроницаемых глинисто-суглинистых отложениях, играющих роль покрышек, этот газ содержится в диспергированной форме (насыщает проницаемые текстурные элементы песчаного состава). В песках и супесях, выступающих как коллекторы, при благоприятных структурных условиях он может образовывать мелкие залежи (в том числе и с АВПД).
При инженерно-геологическом бурении в описываемой акватории неоднократно наблюдались газопроявления. Они носили в основном слабоинтенсивный характер. Вместе с тем при бурении на объекте «Диапиры» (скважина № 481; см. рис. 1), на глубине около 50 м от дна из-под покрова мерзлых отложений произошел весьма интенсивный газовый выброс, сопровождавшийся открытым фонтанированием газоводяной смеси [1]. Это свидетельствует о наличии здесь залежи с аномально высоким пластовым давлением (АВПД).
Дискуссия. Результаты расчетов условий стабильности гидрата метана, исходя из баланса давления и температуры, проведенных по методике [2], показывают, что при температуре от -1,5 до 0,0 °С диапазон пластовых давлений, необходимый для образования газогидратов, составляет
от 2,53 до 2,83 МПа, или около 260-290 м вод. ст. Тогда как максимальное гидростатическое давление (как сумма давлений водного столба от уровня моря до дна и порового давления в осадочной толще) при глубине моря около 100 м и на такой же глубине от поверхности дна составляет около 2 МПа. Это существенно ниже значений, необходимых для образования стабильного гидрата метана. При уменьшении глубины моря гидростатическое давление в целевом интервале осадочной толщи понижается, что приводит к тому, что верхняя граница зоны стабильности газогидратов, соответственно, погружается вниз по разрезу.
Кроме того, может иметь место гипотеза о существовании межмерзлотных газогидратных залежей, в которых необходимое давление создается за счет напряжений, вызванных морозным пучением при промерзании. При этом очевидно, что в деградирующих шельфовых криорелик-тах развитие процессов морозного пучения невозможно. Соответственно, наличие подобных залежей в границах рассматриваемой области также исключается.
Наблюдаемое в разрезах инженерно-геологических скважин распределение показателей засоленности связано с условиями седиментации и диагенеза, процессами образования и таяния подземных льдов, а также миграцией солей из глубины к поверхности, имевшей место при промерзании осадочной толщи. Четких признаков аномалий засоленности, связанных с газогидратами, не наблюдается.
Можно также предположить, что повсеместное присутствие в осадках приповерхностного газа обусловлено разрушением древних меж- и подмерзлотных газогидратных залежей. Вероятно, указанные гипотетические залежи могли быть сформированы в течение последней регрессии, когда осадочная толща испытала промерзание. Относительно быстрое разрушение газогидратов при растеплении мерзлой толщи в ходе трансгрессии современного бассейна привело к резкому выделению больших объемов свободного газа. Это вызвало массированное газонасыщение отложений верхней части разреза и формирование залежей свободного приповерхностного газа с АВПД. Одна из таких залежей и была, по-видимому, вскрыта на объекте «Диапиры».
Выводы. В границах субаквальной криолитозоны мелководной части Печорского моря термобарические условия в верхнем интервале осадочной толщи (от поверхности дна до глубины 100 м) не позволяют образоваться газогидратам. Таким образом, наличие здесь газогидратных залежей, способных при вскрытии скважинами создавать АВПД, исключается.
Список литературы
1. Бондарев В. Н., Рокос С. И., Костин Д. А., Длугач А. Г., Полякова Н. А. Подмерзлотные скопления газа в верхней части осадочного чехла Печорского моря // Геология и геофизика. 2002. Т. 43, № 7. С. 587-598.
2. Макогон Ю. Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра, 1974. 208 с.
3. Рокос С. И. Инженерно-геологические особенности приповерхностных зон аномально высокого пластового давления на шельфе Печорского и южной части Карского морей // Инженерная геология. 2008. № 4. С. 22-28.
4. Рокос С. И., Длугач А. Г., Локтев А. С. и др. Многолетнемерзлые породы шельфа Печорского и Карского морей: генезис, состав, условия распространения и залегания // Инженерные изыскания. 2009. № 10. С. 38-41.
References
1. Bondarev V. N., Rokos S. I., Kostin D. A. et al. Underpermafrost accumulations of gas in upper part of sedimentary cover of the Pechora Sea // Geology and Geophysics. 2002. vol. 43, N 7. P. 587-598.
2. Makagon J. F. The hydrates of natural gases. Moskow: Nedra, 1974. 208 p.
3. Rokos S. I. Engineering-geological characteristics of near-surface areas of the anomaly high embedded pressure at the shelves of Pechora and Kara Seas // Eng. Geol. 2008 N 4. P. 22- 28.
4. Rokos S. I., Dlugach A. G., Loktev A. S. et al. Permafrost deposits of the Pechora and Kara Sea shelf: genesis, composition, and occurrence // Inzhenernye Izyskaniya [Geotechnical Surveys]. 2009, N 10. P. 38-41.
