Влияние газогидратной компоненты на свойства мерзлых пород

Одной из особенностей многолетнемерзлых пород является способность аккумулировать в себе крупные скопления природного газа, в том числе и в гидратной форме. Информация о наличии внутримерзлотных гидратосодержащих коллекторов была получена в результате исследования мерзлых кернов, поднятых в ходе параметрического бурения, а также на основе анализа многочисленных данных о газопроявлениях из интервалов многолетнемерзлых пород при бурении разведочных и добывающих скважин в Арктике. В настоящее время установлено, что газовые гидраты по ряду физических показателей очень сходны со льдом, поэтому их выявление в толще мерзлых пород при использовании стандартных геофизических методов (в первую очередь сейсмики) достаточно затруднительно. Однако, как показали результаты проведенных экспериментальных исследований, газогидратная компонента может оказывать существенное влияние на некоторые физические характеристики мерзлых пород и процессы, которые протекают в толщах мерзлых пород в ходе их существования и эволюции. Так, наличие поровых гидратов в мерзлых породах способствует с одной стороны снижению их теплопроводности и фильтрационных характеристик, а с другой – существенному повышению прочности льдосодержащего коллектора. Отдельно рассмотрено влияние газогидратной компоненты на некоторые геофизические характеристики мерзлых грунтовых сред. В частности, отмечено закономерное повышение удельного электрического сопротивления мерзлых пород при увеличении гидратосодержания.

В ходе исследования показано, что изменения основных физических характеристик мерзлых пород в условиях накопления поровых газогидратов связаны не только с изменением соотношения поровый лед – поровый гидрат, но и с содержанием жидкой фазы воды в льдо-, газо- и газогидратных грунтовых системах. В итоге сделан вывод, что появление газогидратной компоненты с одной стороны существенно упрочняет мерзлый коллектор, а с другой проявляет тенденцию к снижению способности к тепло- и массопереносу.

1. Агалаков С.Е. (1997). Газовые гидраты в Туронских отложениях на севере Западной Сибири. Геология Нефти и Газа, 3. с. 16−21.

2. Бровка А.Г., Романенко И.И. (2010). Приборы для исследования теплофизических характеристик и фазового состава воды горных пород при повышенных статических нагрузках. Горная Механика и Машиностроение, 1, с. 83−88.

3. Вареничев А.А., Громова М.П., Потапов И.И. (2022). Прогнозные ресурсы метана газогидратных залежей. Проблемы Окружающей Среды и Природных Ресурсов, 8, с. 3–44. https://doi.org/10.36535/0235-5019-2022-08-1

4. Гинсбург Г.Д., Новожилов А.А. (1997). О гидратах в недрах Мессояхского месторождения. Газовая Промышленность, 2, с. 19−21.

5. Гребенкин С.И., Чувилин Е.М., Жмаев М.В., Малик А.А. (2024). Экспериментальная оценка изменения геофизических характеристик газонасыщенных песчаных пород при льдо- и гидратообразовании. Сборник тезисов: Газовые гидраты — энергия будущего: материалы Первой Российской газогидратной конференции (РГК I). 26–31 августа 2024 г. Пос. Листвянка, Байкал. https://doi.org/10.24412/cl-37274-2024-1-99-103

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

7. Истомин В.А., Якушев В.С. (1992). Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 235 с.

8. Макогон Ю.Ф. (1985). Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. М.: Недра, 232 с.

9. Макогон Ю.Ф., Омельченко Р.Ю. (2012). Мессояха – газогидратная залежь, роль и значение. Геология и Полез. Ископаемые Мирового океана, 3, с. 5–19.

10. Матвеева Т.В., Логвина Е.А., Назарова О.В. (2024). Газовые гидраты акваторий: методы и результаты ресурсных оценок. Геология Нефти и Газа, 3, с. 81−96. https://doi.org/10.47148/0016-7894-2024-3-81-96

11. Трофимук А.А., Макогон Ю.Ф., Якушев В.С. (1986). Влияние динамики зон гидратообразования на температурный режим горных пород в области распространения криолитозоны. Геология и Геофизика, 11, с. 3–10.

12. Черский Н.В., Куренчанин В.К., Скуба В.Н., Царев В.П. (1973). Исследования и рекомендации по совершению разработки полезных ископаемых северных и восточных районов СССР. Ч.1. Перспективы поисков газогидратных залежей. Якутск: Якутское книжное издательство, 116 с.

13. Чувилин Е.М., Буханов Б.А. (2014). Изменение теплопроводности газонасыщенных пород при гидратообразовании и замораживании-оттаивании. Часть 1. Методика исследований. Криосфера Земли, 18(1), с. 70–76.

14. Чувилин Е.М., Гребенкин С.И. (2015). Экспериментальная оценка газопроницаемости газонасыщенных пород при газонасыщенных пород при гидратообразовании и замороживании. Криосфера Земли, 19(2), с. 67–74.

15. 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.

16. Чувилин Е.М., Давлетшина Д.А., Лупачик М.В. (2019). Гидратообразование в мерзлых и оттаивающих метанонасыщенных породах. Криосфера Земли, 23(2), с. 50–61.

17. Якушев В.С. (2009). Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. М.: ВНИИГАЗ, 192 с.

18. Якушев В.С., Гафаров, С.М., Карнаухов Н.А. и др. (2014). Газовые Гидраты в Арктике и Мировом Океане: Особенности залегания и перспективы освоения. М.: Недра, 251 с. ASTM G57-20 (2020).

19. Standard Test Method for Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method. https://doi.org/10.1520/G0057-20

20. Boswell R., Collett T.S., Yamamoto K., Okinaka N., Hunter R., Suzuki K., Tamaki M., Yoneda J., Itter D., Haines S.S., Myshakin E., Moridis G. (2022). Scientific results of the Hydrate-01 Stratigraphic Test Well Program, Western Prudhoe Bay Unit, Alaska North Slope. Energy & Fuels, 36(10), pp. 5167−5184. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c00327

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. Chong, Z.R., Yang, S.H.B., Babu, P., Linga, P., Li, X.-S. (2016). Review of natural gas hydrates as an energy resource: Prospects and challenges. Applied Energy, 162, pp. 1633−1652.

23. Chuvilin E., Bukhanov B. (2017). Effect of hydrate formation conditions on thermal conductivity of gas-saturated sediments. Energy & Fuels, 31(5), pp. 5246−5254. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b02726

24. Chuvilin E., Bukhanov B. (2019). Thermal conductivity of frozen sediments containing self-preserved pore gas hydrates at atmospheric pressure: An experimental study. Geosciences, 9(2), 65. https://doi.org/10.3390/geosciences9020065

25. Chuvilin E., Davletshina D. (2018). Formation and Accumulation of Pore Methane Hydrates in Permafrost: Experimental Modeling. Geosciences, 8(12). https://doi.org/10.3390/geosciences8120467

26. Chuvilin E., Davletshina D., Bukhanov B., Grebenkin S., Pankratova E. (2023). Thermal conductivity variations in frozen hydrate-bearing sand upon heating and dissociation of pore gas hydrate. Geosciences, 13, 316. https://doi.org/10.3390/geosciences13100316

27. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D., Sokolova N., Bukhanov B. (2020). Evidence of gas emissions from permafrost in the Russian Arctic. Geosciences, 10, 383. https://doi.org/10.3390/geosciences10100383

28. Chuvilin E.M., Grebenkin S.I., Zhmaev M.V. (2021). Gas permeability of sandy sediments: effects of phase changes in pore ice and gas hydrates. Energy and Fuels, 8, pp. 7874–7882. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c00366

29. Chuvilin E.M., Istomin V.A. (2012). Temperature dependence of the equilibrium pore water content in gas hydrate contained sediments. In: Proc. 10th Int. Conf. on Permafrost (Salekhard, June 25–29, 2012). Yamal-Nenets Autonomous District, Russia, vol. 2, p. 57–60.

30. Chuvilin E.M., Yakushev V.S., Perlova E.V. (2000). Gas and possible gas hydrates in the permafrost of Bovanenkovo gas field, Yamal Peninsula, West Siberia. Polarforschung, 68, pp. 215–219.

31. Collett T.S., Lee M.W., Agena W.F., Miller J.J., Lewis K.A., Zyrianova M.V., Boswell R., Inks T.L. (2011). Permafrost associated natural gas hydrate occurrences on the Alaskan North Slope. Mar. Pet. Geol., 28, pp. 279−294. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2009.12.001

32. Dallimore S.R., Collett T.S. (1995). Intrapermafrost gas hydrates from a deep core hole in the Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Geology, 23, pp. 527–530. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1995)0232.3.CO;2

33. Dallimore S.R., Uchida T., Collett T.S. (1999). Scientific Results from JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 Gas Hydrate Research Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Ottawa – Ontario: Natural Resources Canada, 403 p. https://doi.org/10.4095/210723

34. Li B., Sun Y., Guo W., Shan X., Wang P., Pang Sh., Jia R., Zhang G. (2017). The mechanism and verification analysis of permafrost-associated gas hydrate formation in the Qilian Mountain, Northwest China. Marine and Petroleum Geology, 86, pp. 787–797. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2017.05.036

35. Max D.M., Johnson A.H., Dillon W.P. (2013). Natural gas hydrate − Arctic Ocean deepwater resource potential. Dordrecht: Springer, 113 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-02508-7

36. Max M. (2000). Natural Gas Hydrate: In Oceanic and Permafrost Environments. Dordrecht: Springer, 419 p. https://doi.org/10.1007/978-94-011-4387-5

37. Ruppel C. (2015). Permafrost-associated gas hydrate: Is it really approximately 1% of the global system? J. Chem. Eng. Data, 60(2), pp. 429−436. https://doi.org/10.1021/je500770m

38. Stern L.A., Kirby S.H., Durham W.B. (1996). Peculiarities of methane clathrate hydrate formation and solid-state deformation, and the associated superheating of water ice. Science, 273, pp. 1843–1848. https://www.science.org/doi/10.1126/science.273.5283.1843

39. Wei N., Pei J., Li H., Zhou Sh., Zhao, J., Kvamme B., Coffin R.B., Zhang L., Zhang Y., Xue J. (2024). Classification of natural gas hydrate resources: Review, application and prospect. Gas Science and Engineering, 124, 205269. https://doi.org/10.1016/j.jgsce.2024.205269

40. Yakushev V.S., Chuvilin E.M. (2000). Natural gas and hydrate accumulation within permafrost in Russia. Cold Regions Science and Technology, 149, pp. 46–50. https://doi.org/10.1016/S0165-232X(00)00012-4

41. Yamamoto K., Boswell R., Collett T., Dallimore S., Lu H. (2022). Review of past gas production attempts from subsurface gas. Energy & Fuels, 36 (10), pp.5047–5062. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c04119

42. Yang J., Hassanpouryouzband A., Tohidi B., Chuvilin E., Bukhanov B., Istomin V., Cheremisin A. (2019). Gas hydrates in permafrost: distinctive effect of gas hydrates and ice on the geomechanical properties of simulated hydrate-bearing permafrost sediments. JGR Solid Earth, 124, pp. 2551–2563. https://doi.org/10.1029/2018JB016536