CC BY
0УДК 551.345.3
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ МЕРЗЛЫХ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ ДИССОЦИАЦИИ ГИДРАТА
И Гребенкин С. И., Жмаев М. В., Чувилин Е. М.
Центр науки и технологий добычи углеводородов Сколтех, Москва, Россия
E-mail: [email protected]
В данной работе оценка газопроницаемости мерзлых гидратосодержащих коллекторов при диссоциации порового гидрата метана проводилась на основе экспериментального моделирования по разработанной авторами методике. Она включала создание специального кернодержа-теля и проведение фильтрационных испытаний на песчаных и песчано-глинистых образцах по специально созданному алгоритму. В результате было показано, что изменение газопроницаемости мерзлых образцов в процессе диссоциации порового гидрата может быть разнонаправленным, возрастать в начальный период и снижаться в конце эксперимента.
Ключевые слова: криолитозона, мерзлые породы, гидратосодержащие коллекторы, газопроницаемость, диссоциация поровых гидратов, экспериментальное моделирование.
REGULARITIES OF CHANGES IN THE GAS PERMEABILITY OF FROZEN HYDRATE-BEARING RESERVOIRS DURING THE PROCESS OF HYDRATE DISSOCIATION
И Grebenkin S. I., Zhmaev M. V., Chuvilin E. M.
Skolkovo Institute of Science and Technology, Skoltech, Moscow, Russia
In this paper, assessment of the gas permeability of frozen hydrate-bearing reservoirs during dissociation of methane pore hydrates was carried out based on experimental modeling according to a methodology developed by the authors. It involved the creation of a special core holder and conducting filtration tests on sand and sand-clay samples according to a specially designed algorithm. As a result, it was demonstrated that the change in gas permeability in frozen samples during pore hydrate dissociation can be multidirectional, increasing in the initial period and decreasing at the end of the experiment.
Key words: cryolithozone, frozen rocks, hydrate-bearing reservoirs, gas permeability, dissociation of pore hydrates, experimental modeling.
Введение. Толщи многолетнемерзлых пород охватывают практически 24% площади суши Северного полушария и могут аккумулировать значительные объемы природного газа как в свободной форме, так и в виде газогидратов на различных глубинах [3]. Присутствие газовых гидратов в поровом пространстве пород влияет на их различные свойства, включая теплопроводность, прочность и проницаемость. В настоящее время большое внимание уделяется исследованию фильтрационных характеристик пород криолитозоны, прежде всего их газопроницаемости, что может помочь в оценке газодинамических процессов при миграции углево-
дородных газов в Арктике [4, 7]. Изучение проницаемости гидратосодержащих коллекторов при диссоциации поровых гидратов в условиях снижения давления ниже равновесного, в том числе и при отрицательных температурах, вызывает особый интерес при оценке возможности добычи газа из природных гидратных скоплений методом понижения давления [6]. При этом разложение газовых гидратов сопровождается эндотермическим эффектом, что может привести к значительному снижению температуры пород-коллекторов и переходу их в мерзлое состояние при активизации фазовых переходов вода — лед. Однако к настоящему времени основной объем экспериментальных исследований, направленных на изучение фильтрационных свойств гидратосодержащих пород, был проведен в интервале положительных температур с целью моделирования субаквальных условий [8].
В данном исследовании авторами представлены результаты экспериментов по оценке газопроницаемости замороженных гидратосодержащих песчаных и модельных песчано-глинистых образцов в условиях снижения давления СН4 ниже равновесных значений при фиксированной отрицательной температуре -5 °С.
Методика. Исследование газопроницаемости мерзлых гидратонасыщенных коллекторов в ходе диссоциации поровых гидратов проводилось на основе экспериментального моделирования по оригинальной методике на фильтрационной установке, разработанной совместно с ООО «ЭкогеосПром». В основе данной методики лежит линейная нестационарная фильтрация газа через цилиндрический грунтовый образец по закону Дарси [1]. Ключевым элементом этой установки являлся модернизированный кернодержатель, позволяющий определять такие параметры исследуемых образцов, как эффективная газопроницаемость (К^ мД), относительные линейные деформации (в, %) и скорости акустических волн (Ур/У., м/с). При использовании данного кернодержателя можно проводить испытания на грунтовых образцах различной дисперсности диаметром 40 мм и длиной 60-120 мм. Описываемая установка позволяет создавать термобарические условия в грунтовых образцах в широком диапазоне температур (от -15 до +30 °С) и давлений (до 10 МПа), что обеспечивает возможность создания условий для образования и диссоциации поровых гидратов на различных глубинах. В ходе фильтрационных испытаний на основе РУТ-метода рассчитывались следующие параметры: степень заполнения пор гидратом (Бь, %), льдом %), водой %), общая степень заполнения пор %), а также коэффициент гидратности (Кь, д. е.), характеризующий степень перехода порового льда (воды) в гидрат [2].
Методика фильтрационных испытаний включала следующие этапы: подготовку грунтового образца с требуемыми характеристиками, его заморозку в кернодержателе, насыщение мерзлого образца метаном, гидратонасыщение, сброс давления метана ниже равновесного в мерзлом гидратонасыщенном образце при температуре -5 °, завершение эксперимента и определение конечных характеристик образца. В качестве объекта исследования в проводимых фильтрационных экспериментах использовались два типа грунтов: природный и модельный. Природный грунт был представлен мелким кварцевым песком, отобранным в пределах Южно-Тамбейского газового месторождения на Ямале. Модельный грунт состоял из смеси мелкого
кварцевого песка, отобранного вблизи г. Люберцы, с добавлением 7% от массы данного песка монтмориллонитовой глины [5].
Результаты. Для проведения фильтрационных испытаний были подготовлены два грунтовых образца: песчаный (П1) и песчано-глинистый (П2). Основные физические характеристики исследуемых образцов представлены в таблице. Начальная влажность образцов задавалась в пределах 12,3-14%. Образцы имели схожую пористость (п) и плотность скелета грунта (рй), однако более высокая льдонасыщенность была характерна для образца П1 с начальной влажностью около 14%. После завершения гидратонасыщения газопроницаемость (К^ мерзлых образцов заметно снизилась. Так, в образце П1 проницаемость упала на 96%, а в П2 — на 39% по сравнению с проницаемостью до гидратонасыщения (см. табл.).
Таблица
Характеристики исследуемых образцов
№ опыта W, % Ра, г/см3 П, д. е. % К,, д. е. к, мД
П1 14 1,69 0,36 64/42 0/39 0/0,41 281,46/11,21
П2 12,3 1,67 0,37 57/20 0/51 0/0,63 281,85/104,31
* — значения до (числитель) и после (знаменатель) гидратонасыщения.
После этапа гидратонасыщения давление метана в кернодержателе с образцом сбрасывалось ниже равновесного (до 0,1 МПа) при -5 °С и производились наблюдения за характеристиками образца в условиях диссоциации порового гидрата. В мерзлом песчаном образце П1 при диссоциации скорость разложения порового гидрата имела экспоненциальный характер (рис. 1, а). Так, в течение первого часа коэффициент гидратности снизился на 10%, через 4 ч снижение составило 25%, а через сутки Кь снизился на 75% и составил 0,1 д. е. Измерения газопроницаемости показали, что в течение первых двух часов фиксировался рост газопроницаемости на 34% — с 37,58 до 50,40 мД (рис. 1, б). Однако в дальнейшем наблюдалось снижение коэффициента газопроницаемости, через сутки он снизился в 4,6 раза и составил 11,05 мД при оста-
Рис. 1. Изменение в мерзлом гидратосодержащем образце П1 коэффициента гидратности (Кь) во времени (а) и газопроницаемости от К (б) в процессе диссоциации порового гидрата при температуре -5 °С и давлении 0,1 МПа
точной доле влаги в гидратной форме (Кь) около 0,1 д. е. (рис. 2, б). Это снижение газопроницаемости в целом происходило по экспоненциальной кривой, начиная со значений Кь = 0,33 д. е.
В эксперименте с мерзлым гидратонасыщенным песчано-глинистым образцом П2 было отмечено, что наиболее активное разложение газового гидрата происходит в течение первых двух часов после снижения давления. Так, через 0,28 ч после снижения давления до 0,1 МПа коэффициент гидратности исследуемого образца понизился на 14%, а через 1,34 ч Кь снизился еще на 12% и составил 0,37 д. е. Спустя сутки с момента начала диссоциации Кь снизился в 3 раза, до 0,21 д. е. (рис. 2, а).
Газопроницаемость мерзлого гидратонасыщенного образца П2 в ходе диссоциации порового гидрата также менялась во времени разнонаправленно (рис. 2, б). Через 0,28 ч после снижения давления было отмечено увеличение К на 10% — с 104,31 до 115,19 мД. Однако за следующие сутки было зафиксировано ее снижение по экспоненциальному закону в 1,3 раза, до 89,37 мД, при остаточном Кь, равном 0,21 д. е. (рис. 2, б).
Рис. 2. Изменение в мерзлом гидратосодержащем образце П2 во времени коэффициента гидратности (К) (а) и газопроницаемости (К ) (б) в условиях снижения давления до 0,1 МПа при температуре -5 °С
Подобный характер изменения газопроницаемости в процессе диссоциации порового гидрата может быть связан, с одной стороны, с увеличением пустотности мерзлого образца при переходе гидрата в лед, что особенно проявляется на начальной стадии диссоциации [5], а с другой — с некоторым уплотнением грунтового образца под действием осевой нагрузки и смыканием межпоровых каналов фильтрации. Однако это предположение требует в дальнейшем специальных структурных исследований, например, с использованием микротомографических наблюдений.
Выводы. На основе экспериментального моделирования была проведена оценка изменения газопроницаемости мерзлых гидратосодержащих грунтовых образцов в процессе диссоциации поровых гидратов метана при снижении давления до 0,1 МПа при постоянной отрицательной температуре (-5 °С). На примере мерзлых гидратонасыщенных образцов песчаного и песчано-глинистого состава показано разнонаправленное изменение их газопроницаемости во времени при диссоциации порового гидрата. Выявлено возрастание газопроницаемости образцов в первые полчаса после снижения давления ниже равновесного и ее экспоненциальное
уменьшение в дальнейшем, что обусловлено, с одной стороны, процессами диссоциации порового гидрата, а с другой — определенными структурными преобразованиями порового пространства.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 22-77-00074). Список литературы
1. Чувилин Е. М., Гребенкин С. И., Сакле М. Влияние влагосодержания на проницаемость песчаных пород в мерзлом и талом состояниях // Криосфера Земли. 2016. Т. ХХ, № 3. C. 71-78.
2. Чувилин Е. М., Гурьева О. М. Экспериментальное изучение образования гидратов СО2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород // Криосфера Земли. 2009. Т. XIII, № 3. C.70-79.
3. Якушев В. С. Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. М.: ВНИИГАЗ, 2009. 192 с.
4. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D., Sokolova N., Bukhanov B. Evidence of gas emissions from permafrost in the Russian arctic // Geosciences. 2020. Vol. 10, N 10. P. 383.
5. Chuvilin E. M., Grebenkin S. I., Zhmaev M. V. Gas permeability of sandy sediments: Effects of phase changes in pore ice and gas hydrates // Energy&Fuels. 2021. Vol. 35, N 9. P. 7874-7882.
6. Shaibu R., Sambo C., Guo B., Dudun A. An assessment of methane gas production from natural gas hydrates: Challenges, technology and market outlook // Advances in Geo-Energy. Research. 2021. Vol. 5, N 3. P. 318-332.
7. Yakushev V. Environmental and Technological Problems for Natural Gas Production in Permafrost Regions // Energies. 2023. Vol. 16. P. 4522.
8. Zhang Z., Liu L., Lu W., Liu C., Ning F., Dai S. Permeability of hydrate-bearing fine-grained sediments: Research status, challenges and perspectives // Earth-Science Reviews. 2023. Vol. 244. 104517.
References
1. Chuvilin E. M., Grebenkin S. I., SacleuxM. Influence of moisture content on permeability of frozen and unfrozen soils // Earth's Cryosphere. 2016. Vol. XX, N 3. P. 66-72.
2. Chuvilin E. M., Guryeva O. M. Eksperimental'noe izuchenie obrazovaniya gidratov CO2 v porovom prostranstve promerzayushchih i merzlyh porod // Kriosfera Zemli. 2009. Vol. XIII, N 3. S. 70-79.
3. Yakushev V. S. Prirodnyi gaz i gazovye gidraty v kriolitozone. Moskva: VNIIGAZ, 2009. 192 s.
4. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D., Sokolova N., Bukhanov B. Evidence of gas emissions from permafrost in the Russian arctic // Geosciences. 2020. Vol. 10, N 10. P. 383.
5. Chuvilin E. M., Grebenkin S. I., Zhmaev M. V. Gas permeability of sandy sediments: Effects of phase changes in pore ice and gas hydrates // Energy&Fuels. 2021. Vol. 35, N 9. P. 7874-7882.
6. Shaibu R., Sambo C., Guo B., Dudun A. An assessment of methane gas production from natural gas hydrates: Challenges, technology and market outlook // Advances in Geo-Energy. Research. 2021. Vol. 5, N 3. P. 318-332.
7. Yakushev V. Environmental and Technological Problems for Natural Gas Production in Permafrost Regions // Energies. 2023. Vol. 16. P. 4522.
8. Zhang Z., Liu L., Lu W., Liu C., Ning F., Dai S. Permeability of hydrate-bearing fine-grained sediments: Research status, challenges and perspectives // Earth-Science Reviews. 2023. Vol. 244. 104517.
