Дестабилизация внутримерзлотных газогидратов при их взаимодействии с криопэгами. Результаты экспериментального моделирования

В представленной работе на основе экспериментального моделирования рассмотрено влияние состава природных солевых растворов (криопэгов) на основные характеристики солепереноса и условия диссоциации поровых газогидратных образований в мерзлых породах. Исследования проводились на искусственно приготовленных мерзлых гидратонасыщенных песчаных грунтах, которые контактировали с замороженными солевыми растворами различного химического состава при атмосферном давлении и постоянной отрицательной температуре ~ –6 °C, т.е. в условиях проявления эффекта самоконсервации поровых гидратов метана.

В ходе экспериментального моделирования выявлено, что изменение соотношения содержания солей NaCl и MgCl₂ в контактном растворе значительно влияет на процессы солепереноса и критическую концентрацию, вызывающую диссоциацию порового гидрата метана. Так, с понижением содержания NaCl (и повышением MgCl₂ соответственно) в солевом растворе интенсивность солепереноса и процессов диссоциации газогидратов в мерзлом грунте увеличивается.

На основе метода ЯМР-релаксометрии проведена экспериментальная оценка фазовых превращений в мерзлых гидратосодержащих песчаных породах при их контакте с замороженными солевыми растворами. Полученные результаты указывают на закономерное продвижение во времени фронта повышенного содержания жидкой фазы воды в направлении миграционного потока соли. Как показывают ЯМР исследования, интенсивность продвижения фронта жидкой компоненты повышается в соответствии с увеличением миграционной способности ионов солей в ряду Na₂ SO₄ – NaCl – MgCl₂.

 Результаты экспериментального моделирования позволяют обосновать возможность дестабилизации внутримерзлотных газогидратных образований за счет перетоков и миграции различных природных солевых растворов (например, криопэгов или морской воды) вызванных как природными, так и техногенными причинами.

1. Аветов Н.Р., Краснова Е.А., Якушев В.С. (2018). О возможных причинах и природе газовыделений вокруг газовых и газоконденсатных скважин на территории Ямбургского нефтегазоконденсатного месторожденияю. Вести Газовой Науки, 33(1), с. 33–40.

2. Аветов Н.Р., Якушев В.С. (2017). Распространение и особенности заколонных газопроявлений на Ямбургском нефтегазоконденсатном месторождении. Газовая Промышленность, 6(753), с. 26–28.

3. Аксенов В.И., Геворкян С.Г. (2023). Засоленные и льдистые мерзлые грунты Арктического побережья как основание сооружений. Москва: ООО «МАФ», 280 с.

4. Буханов Б.А., Чувилин Е.М., Мухаметдинова А.З., Кривохат Е.О. (2024). Применение технологии ЯМР для исследования жидкой фазы воды в мерзлых гидратосодержащих породах при различных термобарических условиях. Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества), 68(4), с. 81–87. DOI: 10.6060/rcj.2024684.10

5. Давлетшина Д.А., Чувилин Е.М. (2020). Экспериментальная оценка возможности газогидратообразования в тонкодисперсных грунтах при отрицательных температурах. Криосфера Земли, 24(4), с. 25–33.

6. Дзюбло А.Д., Алексеева К.В., Перекрестов В.Е., Сян Х. (2020). Природные и техногенные риски при освоении нефтегазовых месторождений на шельфе арктических морей. Безопасность труда в промышленности, (4), с. 74–81. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-4-74-81

7. Иванова Н.В., Ривкин Ф.М., Власова Ю.В. (2008). Строение и закономерности формирования криогенной толщи на побережье Печорского моря. Криосфера Земли, 12(2), с. 19–24.

8. Казакевич Г.И., Повещенко Ю.А., Подрыга В.О., Рагимли П. И. К., Бакир А. Э. Э. Б. А., Абу-Наб, А. К. И. (2022). Математическое моделирование диссоциации газовых гидратов в пористой среде с учетом льда и соли. Препринты Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, (0), с. 11–26. https://doi.org/10.20948/prepr-2022-11

9. Кияшко Н.В. (2014). «Закономерности изменения фазового и химического состава, теплофизических характеристик засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал в процессе их криогенного метаморфизма», Дисс. канд. геолого-минерал. наук. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, 138 с.

10. Макогон Ю.Ф. (1974). Гидраты природных газов. М.: Недра, 208 с. Малахова В.В. (2020). Влияние диффузии соли на стабильность метангидратов Арктического шельфа. Интерэкспо Гео-Сибирь, 4(1), с. 91–97. DOI: 10.33764/2618-981Х-2020-4-1-91-97

11. Малахова В.В., Елисеев А.В. (2020). Влияние диффузии солей на состояние и распространение многолетнемёрзлых пород и зоны стабильности метан-гидратов шельфа моря Лаптевых. Лёд и Снег, 60(4), с. 533–546. DOI: 10.31857/S2076673420040058

12. Стрелецкая И.Д. (2016). Метан в подземных льдах и мерзлых отложениях-причина опасных геологических процессов в Арктике. Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации. XII Общероссийская конференция изыскательских организаций, Москва, Россия, 07-09 декабря, с. 283–288.

13. Стрелецкая И.Д., Лейбман М.О. (2002). Криогеохимическая взаимосвязь пластовых льдов, криопэгов и вмещающих их отложений Центрального Ямала. Криосфера Земли, 6(3), с. 15–24.

14. Сухорукова А.Ф. (2015). Состояние изученности криопэгов в арктической зоне Сибири. Интерэкспо Гео-Сибирь, 2(1), с. 172–176.

15. Трофимов В.Т., Красилова Н.С. (2017). Закономерности изменения степени и пространственного распределения засоленности грунтов многолетнемерзлых грунтовых толщ Арктического побережья России. Инженерно-геологические задачи современности и методы их решения, Москва, Россия, 13-14 апреля, с. 8–16.

16. Чувилин Е.М., Гурьева О.М. (2009). Экспериментальное изучение образования гидратов CO2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород. Криосфера Земли, 13(3), с. 70–79.

17. Чувилин Е.М., Екимова В.В., Давлетшина Д.А., Буханов, Б.А., Кривохат, Е.О. (2023). Солеперенос в мерзлых породах, содержащих гидрат метана, при их взаимодействии с солевыми растворами. Криосфера Земли, 27(6), с. 40–50. DOI: 10.15372/KZ20230604

18. Шиманов А.А., Комаров И.А., Киреева Т.А. (2019). Особенности изменения химического состава криопэгов полуострова Ямал в процессе криогенного концентрирования. Вестник Московского университета. Серия 4. Геология, (6), с. 73–80.

19. Якушев В.С. (2009). Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. Москва: ООО «ВНИИГаз», 190 с.

20. Якушев В.С. (2019). Проблемы освоения месторождений полуострова Ямал, связанные с загазованностью слоя вечной мерзлоты. Научный Журнал Российского Газового Общества, 3–4 (22–23), с. 49–53.

21. Bukhanov B.A., Chuvilin E.M., Mukhametdinova A.Z., Sokolova N.S., Afonin M.Y., Istomin V.A. (2022). Estimation of residual pore water content in hydrate-bearing sediments at temperatures below and above 0 °C by NMR. Energy & Fuels, 36(24), pp. 14789–14801. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c03089

22. Chuvilin E.M., Bukhanov B.A., Davletshina D.A., Grebenkin S.I., Istomin V. A. (2018). Dissociation and self-preservation of gas hydrates in permafrost. Geosciences, 8(12), 431. https://doi.org/10.3390/geosciences8120431

23. Chuvilin E.M., Ekimova V.V., Bukhanov B.A., Grebenkin S.I., Shakhova N.E., Semiletov I.P. (2019a). Role of warming in destabilization of intrapermafrost gas hydrates in the arctic shelf: Experimental modeling. Geosciences, 9(10), 407. https://doi.org/10.3390/geosciences9100407

24. Chuvilin E.M., Ekimova V.V., Bukhanov B.A., Grebenkin S.I, Shakhova N.E., Semiletov I.P. (2019b). Role of salt migration in destabilization of intra permafrost hydrates in the Arctic Shelf: Experimental modeling. Geosciences, 9(4), 188. https://doi.org/10.3390/geosciences9040188

25. Chuvilin E.M., Ekimova V.V., Davletshina D.A., Bukhanov B.A., Krivokhat E.O., Shilenkov V. (2022a). Temperature variation during salt migration in frozen hydrate-bearing sediments: Experimental modeling. Geosciences, 12(7), 261. DOI: 10.3390/geosciences12070261

26. Chuvilin E.M., Ekimova V.V., Davletshina D.A., Bukhanov B.A., Krivokhat E.O., Shilenkov V. (2022b). Migration of Salt Ions in Frozen Hydrate-Saturated Sediments: Temperature and Chemistry Constraints. Geosciences, 12(7), 276. DOI: 10.3390/geosciences12070276

27. Chuvilin E.M., Ekimova V.V., Davletshina D.A., Bukhanov B.A., Krivokhat E.O. (2023). Migration of Salt Ions in Frozen Hydrate-Saturated Sand: Effect of Silt and Clay Particles. Energy & Fuels, 37(7), pp. 5331–5340. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.3c00274

28. Chuvilin E.M., Ekimova V.V., Davletshina D.A., Krivokhat E.O., Shilenkov V., Bukhanov B.A. (2022c). Pressure Influence on Salt Migration in Frozen Hydrate-Saturated Sediments: Experimental Modeling. Energy & Fuels, 36(18), pp. 10519–10528. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.2c01282

29. Makogon Y.F. (2010). Natural gas hydrates – A promising source of energy. Journal of natural gas science and engineering, 2(1), pp. 49–59. DOI: 10.1016/j.jngse.2009.12.004

30. Max M.D. (ed.) (2000). Natural gas hydrate in oceanic and permafrost environments. Washington: Kluwer Academic Publishers, 419 p.

31. Mukhametdinova A.Z., Habina-Skrzyniarz I., Kazak A.V., Krzyżak A.T. (2021). NMR relaxometry interpretation of source rock liquid saturation — A holistic approach. Marine and Petroleum Geology, 132, 105165. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2021.105165

32. Shakhova N.E., Semiletov I.P., Chuvilin E.M. (2019). Understanding the permafrost–hydrate system and associated methane releases in the East Siberian Arctic Shelf. Geosciences, 9(6), 251. https://doi.org/10.3390/geosciences9060251

33. Yakushev V. (2023). Environmental and Technological Problems for Natural Gas Production in Permafrost Regions. Energies, 16, 4522. https://doi.org/10.3390/en16114522