CC BY
2УДК 550.361
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОГИДРАТОВ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ПЕСЧАНЫХ ОБРАЗЦАХ
И Фадеева И. И.1, 2, Дучков А. А.1 2
1 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, Новосибирск, Россия
2 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия
E-mail: [email protected]
В статье предложен теплофизический способ оценки гидратосодержания песчаных сред с высокой и низкой газопроницаемостью, который состоит в проведении с помощью двухигольчатого зонда сравнительных измерений. Для первых сред измеряются термограммы при малой и большой мощности линейного нагревателя (без разложения — в стабильных для существования гидрата условиях и с разложением газогидрата в процессе нагрева среды); для гидратосодер-жащей среды с низкой газопроницаемостью определяется ее объемная теплоемкость в разных термобарических условиях (в стабильных для существования газогидрата и вне последних).
Ключевые слова: гидратосодержащие песчаные среды, теплофизические параметры, лабораторные эксперименты.
THERMOPHYSICAL METHOD FOR QUANTITATIVE ASSESSMENT OF GAS HYDRATE CONTENT IN SAND SAMPLES
И Fadeeva I. I.1, 2, Duchkov А. А.1 2
1 Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences,
IPGG SB RAS, Novosibirsk, Russia 2 Novosibirsk State University, NSU, Novosibirsk, Russia
The article proposes a thermophysical method for assessing the hydrate content of sandy media with high and low gas permeability. The method consists of carrying out comparative measurements using a two-needle probe. For media with high gas permeability, thermograms are measured at low (in stable for gas hydrate condition, without it decomposition) and high (with decomposition of gas hydrate during heating of the medium) power of the linear heater. For a hydrate-containing medium with low gas permeability, its volumetric heat capacity is determined under different thermobaric conditions: in conditions for gas hydrate existence and outside it.
Key words: sandy samples with gas hydrates, thermophysical parameters, laboratory experiments.
Введение. Для формирования в природных условиях газогидратов обязательна достаточная концентрация газа и наличие «стабильных» термобарических условий (ЗСГ), которые широко встречаются в донных отложениях глубоких водоемов. В случае малой концентрации газа, диффундирующего в ЗСГ или фильтрующегося через нее, содержание рассеянных газогидратов в пассивных континентальных окраинах может быть мало — первые проценты [7]. Обнаружить такие малые концентрации гидратов известными на сегодняшний день методами (сейсмический, гравиметрический, электромагнитные и другие [8]) практически очень сложно.
В отложениях с низкими концентрациями газогидратов снижается сейсмическая отражательная способность для создания аномалии значительной амплитуды, чтобы их можно было отличить от отражательной способности породы без гидрата. По данным электроразведки, повышение удельного электрического сопротивления, помимо присутствия газогидратов, может быть связано с содержанием свободного газа, опресненной поровой воды или с пониженной пористостью [8].
При изучении возможности поиска придонных скоплений газогидратов с помощью геотермических исследований, в ходе которых в полевых условиях измеряется температура и теплопроводность и определяется тепловой поток [1-3], было установлено, что при дополнительном определении объемной теплоемкости донных отложений погружными геотермическими зондами можно не просто обнаружить газогидраты, но также и оценить их количественное содержание.
Геотермический зонд, который в случае малых концентраций гидратов способен свободно внедряться в осадок, при соответствующей его доработке и проведении сравнительных измерений может помочь обнаружить малые концентрации газогидратов.
В работе описаны и проверены в лабораторных условиях теплофизические способы количественной оценки гидратосодержания песчаных образцов с высокой и низкой газопроницаемостью.
Методика. Теплофизический способ оценки гидратосодержания сред с высокой газопроницаемостью заключается в измерении с помощью двухигольчатого зонда двух типов экспериментальных термограмм: при малой мощности нагревателя (в стабильных для существования газогидрата условиях, без его разложения) и при высокой мощности нагревателя (с его разложением в процессе нагрева). Сравнительные измерения позволяют рассчитать затраченную на разложение газогидрата энергию и определить объем, в котором произошло его разложение. В результате обработки этих данных можно рассчитать массу газогидрата в единице объема среды вокруг нагревателя, при этом решается обратная оптимизационная задача и экспериментальные термограммы аппроксимируются аналитической моделью нагрева среды без и с разложением газогидрата в ней [5].
Теплофизический способ оценки гидратосодержания сред с низкой газопроницаемостью основывается на аддитивном свойстве объемной теплоемкости сложных сред и заключается в определении с помощью зонда объемной теплоемкости среды в термобарических условиях стабильного существования газогидрата и вне последних условий (после разложения газогидрата в порах среды остаются газ и вода). Гидратосодержание оценивается с использованием полученных значений объемных теплоемкостей среды в разных термобарических условиях [6].
Способы проверялись в лабораторных экспериментах на установке, позволяющей моделировать гидратосодержащие песчаные среды с разной газопроницаемостью в разных термобарических условиях, определять их теплофизические параметры в расширенном диапазоне теплопроводности от 0,02 до 5 Вт/(мК) и исследовать процесс разложения газогидрата в них. Схема установки с большой камерой высокого давления и двухигольчатым зондом приведена
на рисунке. Гидратосодержащие образцы формировались по разработанным в институтах ИНГГ и ИНХ СО РАН методикам [4] из кварцевого песка, воды и газа-гидратообразователя (СН4, С02) под давлением.
Схема установки с большой термостатируемой камерой высокого давления и вмонтированным в нее модифицированным двухигольчатым зондом для моделирования гидратосодержащих образцов и их теплофизического
исследования
Для изготовления, исследования образцов с малым содержанием воды, гидрата СН4 (<20% по-рового пространства), высокой газопроницаемостью и низкой теплопроводностью (>0,1 Да и <1 Вт/(мК)) использовалась малая термостатируемая камера высокого давления (объем формируемых образцов около 200 см3) и вмонтированный в нее модифицированный игольчатый зонд с увеличенной собственной теплопроводностью (~15 Вт/(м К). Нагревание образца с ме-тангидратом происходило в два этапа: сначала при малой мощности нагревателя в стабильных для существования гидрата СН4 условиях и далее при большой мощности с его разложением. При этом регистрировались экспериментальные термограммы, которые далее аппроксимировались аналитическим решением одномерного уравнения теплопроводности с линейным источником тепла на оси симметрии, решалась обратная оптимизационная задача, определялись теплопроводность, температуропроводность образца с гидратом и без гидрата в его порах, коэффициент распространения фронта и масса гидрата в единице объема образца, которая далее пересчитывалась в объемную долю гидрата в порах. В таблице приведены полученные оценки теплофизических параметров (теплопроводность X и объемная теплоемкость рС) и объемной доли метангидрата в порах образца (5Ь).
Для изготовления, исследования образцов с относительно большим содержанием воды (в нашем эксперименте до формирования гидрата СО2 в порах образца 44% его порового пространства занимала вода), гидрата С02, низкой газопроницаемостью и высокой теплопроводностью (<5 Вт/(м К)), использовалась большая термостатируемая камера высокого давления (объем образцов около 1000 см3) с модифицированным двухигольчатым зондом (см. рис.). В эксперименте из кварцевого песка, воды и газа СО2 формировался образец, при этом его тепло-физические параметры (теплопроводность и объемная теплоемкость) определялись сперва до
формирования в его порах гидрата СО2, образец при этом находился при нормальных условиях (вне условий стабильного существования гидрата СО2), и далее после формирования гидрата СО2 в его порах проводили измерения для определения теплофизических параметров образца с гидратом СО2 в порах (в стабильных для его существования условиях). Оценка объемной доли гидрата в порах образца (5Ь) рассчитывалась с использованием полученных объемных те-плоемкостей образца в стабильных для существования гидрата СО2 условиях и вне последних (см. табл.).
Результаты. Обработаны данные экспериментов с образцами: в первом случае с образцом из кварцевого песка с высокой газопроницаемостью (>0,1 Да) и метангидратом в порах, во втором случае с образцом из песка с гидратом СО2 и с относительно низкой газопроницаемостью (<0,1 Да). Были получены теплофизические параметры образцов с газогидратами и без гидратов в их порах, а также оценки объемной доли присутствующих в их порах газогидратов, которые приведены в таблице. В последнем столбце таблицы приведена независимая оценка объемной доли гидрата в порах образца, которая была рассчитана из измеренного количества газа-гидратообразователя, перешедшего в гидратную фазу.
Теплофизические параметры образцов с гидратом и без газогидрата в порах и оценки объемной доли наработанных в порах образцов газогидратов
Вт/(мК) рС, Дж/(м3-К) Вт/(мК) рС, Дж/(м3-К)
Образцы образец с гидратом в порах образец без гидрата в порах теплофизический способ независимая оценка
С гидратом СН4 и высокой газопроницаемо стью 0,48 1,33106 0,72 1,43 106 0,15 0,16
С гидратом СО2 и низкой газопроницаемостью 1,75 2,04 106 2,21 2,26106 0,51 0,53
Выводы. Как видно из таблицы, полученные согласно предложенным способам оценки объемной доли гидрата в порах образцов хорошо согласуются с независимыми оценками, рассчитанными с использованием измеренного количества газа (СН4 для первого и СО2 для второго песчаных образцов), перешедшего в гидратную фазу.
Способы рассматриваются как перспективные для практического применения. Их значимость состоит в однозначном выявлении газогидрата в породе и оценке его количества за счет сопоставления измерений, проведенных в условиях стабильного существования газогидрата и вне этих условий (либо в условиях его разложения).
Работа выполнена в рамках базового проекта FWZZ-2022-0017 Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН.
Список литературы
1. Голубев В. А. Свидетельства присутствия газогидратов в верхнем слое донных осадков озера Байкал: результаты измерений теплопроводности in situ // ДАН. 1998. Т. 358, № 3. С. 384-388.
2. Гольмшток А. Я., Дучков А. Д., Рощина Н. А. О возможности обнаружения донных скопления газовых гидратов геотермическим методом // Вопросы геофизики. Вып. 38; под ред. В. Н. Трояна и др. СПб., 2005. (Ученые записки СПбГУ. № 438). С. 130-147.
3. Дучков А. Д., Истомин В. Е., Соколова Л. С. Геотермический метод обнаружения газовых гидратов в донных осадках акваторий // Геология и геофизика. 2012. Т. 53, № 7. С. 920-929.
4. Пермяков М. Е. Эффективная теплопроводность гидратосодержащих образцов по результатам лабораторных измерений при различных Р-Т-условиях: дис. ... к. т. н. Новосибирск: ИНГГ СОРАН, 2010. 89 с.
5. Фадеева И. И., Дучков А. А., Пермяков М. Е. Теплофизический метод количественной оценки гидратосодержания в образцах, имитирующих донные осадки // Геология и геофизика. 2016. Т. 57, № 6. С. 1251-1261.
6. Фадеева И. И., Дучков А. А., Манаков А. Ю., Аюнов Д. Е. Оценка количественного содержания гидрата CO2 в лабораторных образцах с помощью двухигольчатого зонда // Геофизические исследования. 2020. Т. 21, № 2. С. 61-77.
7. Haacke R. R., Westbrook G. K., Hyndman R. D. Gas hydrate, fluid flow and free gas: Formation of the bottom-simulating reflector // Earth and Planetary Science Letters. 2007. Vol. 261. P. 407-420.
8. RiedelM., WilloughbyE. C., ChopraS. Geophysical Characterization ofGas Hydrates // SEG Geophysical Developments Series. 2010. N 14. P. 412.
References
1. Golubev V. A. Svidetel'stva prisutstviya gazogidratov v verhnem sloe donnyh osadkov ozera Bajkal: rezul'taty izmerenij teploprovodnosti in situ // DAN. 1998. Vol. 358, N 3. S. 384-388 (translit).
2. Gol'mshtok A. Ya., Duchkov A. D., Roshchina N. A. O vozmozhnosti obnaruzheniya donnyh skopleniya gazovyh gidratov geotermicheskim metodom // Voprosy geofiziki. Vyp. 38. pod red. V. N. Troyana i dr. SPb., 2005. (Uchenye zapiski SPbGU. № 438). S. 130-147.
3. Duchkov A. D., Istomin V. E., Sokolova L. S. A geothermal method for detecting gas hydrates in the bottom sediments of water basins // Russian Geology and Geophysics. 2012. Vol. 53, N 7. P. 704-711.
4. Permyakov M. E. Effektivnaya teploprovodnost' gidratosoderzhashchih obrazcov po rezul'tatam laboratornyh izmerenij pri razlichnyh R-T-usloviyah: dissertaciya k.t.n. Novosibirsk: INGG SORAN, 2010. 89 s. (translit).
5. Fadeeva I. I., Duchkov A. A., Permyakov M. E. Thermophysical method for quantitative estimation of hydrate content in samples imitating bottom sediments // Russian Geology and Geophysics. 2016. Vol. 57, N 6. P. 984-992.
6. Fadeeva 1.1., Duchkov A. A., Manakov A. Yu., Ayunov D. E. Ocenka kolichestvennogo soderzhaniya gidrata CO2 v laboratornyh obrazcah s pomoshch'yu dvuh-igol'chatogo zonda // Geofizicheskie issledovaniya. 2020. Vol. 21, N 2. S. 61-77 (translit).
7. Haacke R. R., Westbrook G. K., Hyndman R. D. Gas hydrate, fluid flow and free gas: Formation of the bottom-simulating reflector // Earth and Planetary Science Letters. 2007. Vol. 261. P. 407-420.
8. RiedelM., WilloughbyE. C., ChopraS. Geophysical Characterization ofGas Hydrates // SEG Geophysical Developments Series. 2010. N 14. P. 412
