Мощность мерзлых толщ на суше в арктическом регионе может достигать 300-700 метров, а непрерывное распространение мерзлых пород на арктическом шельфе может иметь место до глубины моря в 60 метров.
В связи с тем, что арктические моря являются мелководными, мерзлые породы на шельфе занимают огромные территории, и их мощность может достигать 200-300 метров и более (рис.1).
Рис. 1. Циркумполярная карта распространения ММП (Lantuit и др., 2012).
Процессы охлаждения и длительного промерзания, которые периодически происходили в Арктике, способствовали формированию не только мощной толщи ММП, но и горизонтов гидратосодержащих пород. Зона стабильности природных газогидратов в криолитозоне, где гидраты метана могут образовываться и длительное время существовать, начинается с глубины 200-250 метров (рис.2) и распространяется вниз по разрезу в подмерзлотные горизонты до глубин порядка 800-1500 метров (Романовский, 1993, Якушев, 2009).
Рис. 2. Области возможного распространение гидратосодержащих отложений в криолитозоне.
На арктическом шельфе, в связи с низкими температурами донных отложений, зона стабильности газовых гидратов начинается с глубин 250-300 метров. Мощность зоны стабильности гидратов обычно пропорциональна мощности криолитозоны – чем глубже залегает нулевая изотерма, тем больше мощность зоны стабильности гидратов (Романовский, 1993).
Эволюция криолитозоны, которая происходит при длительных изменениях климата на Земле, оказывает огромное влияние на положение и мощность зоны стабильности гидратов. Как показывают данные математического моделирования, проведенного для территории Южно-Тамбейского ГКМ (п-ов Ямал), в геологическом прошлом были периоды, когда мерзлота достигала мощности 600 метров (рис. 3), а зона стабильности газовых гидратов расширялась и находилась вблизи земной поверхности (Chuvilin et al., 2013). При этом подошва зона стабильности могла опускаться около 60 тыс. лет назад до 1000 и более метров (рис. 3).
Рис. 3. Результаты моделирование эволюции толщи ММП и зоны стабильности гидратов для территории Южно-Тамбейского ГКМ (п-ов Ямал) за последние 230 тысяч лет (Chuvilin et al., 2013).
Таким образом расширение зоны многолетнего промерзания горных пород и зоны стабильности газовых гидратов в Арктике в холодные периоды может оказывать влияние не только на фазовое состояние поровых флюидов коллекторов углеводородов, расположенных в кайнозойских отложениях, но и непосредственно воздействовать на продуктивные газовые и газоконсенсатные горизонты мелового и юрского периода. Примером может служить Мессояхское газовое месторождения, верхняя часть которого за счет охлаждающего влияния мерзлоты частично перешло в газогидратное состояние (Истомин, Якушев, 1992, Макогон, 2003).
В этой связи разработка месторождений углеводородов в Арктике невозможна без знания свойств и характеристик толщ мерзлых пород и насыщенных гидратами прослоев, расположенных в пределах газовых и нефтяных месторождений. Следует отметить, что разработка газовых коллекторов, залегающих неглубоко от подошвы вечной мерзлоты и зон стабильности газовых гидратов с низкой пластовой температурой часто сопровождается снижением температур в призабойной части скважин до температурных условий гидратообразования, а в некоторых случаях и до льдообразования. На севере Западной Сибири присутствие льда и гидрата в поровом пространстве имеет место в надсеноманских газовых коллекторах (Агалаков, 1997), которые представлены в основном неконсолидированными песчано-глинистыми породами морского генезиса.
Для анализа фильтрационных свойств газовых коллекторов надсеноманских отложений необходимо рассмотреть в экспериментальном плане неконсолидированные дисперсные породы с различным фазовым состоянием поровой влаги: вода-лед, вода-лед-гидрат и вода-гидрат.
В литературе на сегодняшний день имеются отдельные экспериментальные данные по оценке изменения газопроницаемости влажных горных пород при промерзании или гидратообразовании, которые показывают, что несмотря на то, что проницаемость пород после перехода влаги в лед или гидрат значительно снижается, но она остается экспериментально определимой (Старобинец, Мурогова, 1985; Истомин, Якушев, 1992).
Несмотря на имеющиеся исследования, фильтрационные характеристики пород в зависимости от фазовых переходов влаги в лед и гидрат остаются изученными не в полной мере. С целью дальнейшего изучения фильтрационных свойств мерзлых и гидратосодержащих пород авторами была разработана оригинальная методика исследования газопроницаемости, включающая технологию подготовки экспериментальных образцов, формирования необходимого фазового состава влаги в грунтовых образцах путем поддержания заданных термобарических условий для гидрато- и льдообразования, определения газопроницаемости, а также контроля физических параметров образцов. Испытания проводились на оригинальной установке, разработанной ООО «ЭкоГеосПром» (Чувилин, Гребенкин, 2015).
Объектом исследования являлись песчаные и песчано- алевритистые образцы с заданным содержанием глинистой компоненты.
В ходе экспериментальных исследований было выявлено, что в мерзлых песчаных образцах при увеличении степени заполнения пор льдом (Si) от 0 до 40 % газопроницаемость снижалась на порядок (рис. 4), при увеличении льдонасыщенности песчаных образцов от 40 до 50 % снижение составляло несколько порядков (Чувилин и др., 2016). При льдонасыщенности образцов около 50 % газопроницаемость не превышала нескольких миллидарси. При дальнейшем увеличении льдонасыщенности (более 60 %) газопроницаемость снижалась ниже предела измерения экспериментальной установки (0.01 мД). При оттаивании газопроницаемость песчаных образцов закономерно увеличивалось. Это различие в газопроницаемости увеличивается с повышением степени заполнения пор (рис. 4). Для исследованных песков при степени заполнения пор до 40 % разница величин газопроницаемости мерзлого и талого образцов составляла менее одного порядка, при степени заполнения пор более 40 % различие составляло несколько (3–5) порядков.
Рис. 4. Зависимость газопроницаемости (K) мерзлых и талых образцов песка от степени заполнения пор (S).
Характер общей зависимости газопроницаемости от льдонасыщения для песчаных пород во многом обусловлен структурными особенностями мерзлых образцов и, прежде всего, зависимостью типа льда-цемента от влагосодержания (Чувилин и др., 2016).
Влияния глинистой компоненты на проницаемость промерзающих неконсолидированных коллекторов проводилось на грунтовых образцах с влажностью ~10%, приготовленных из кварцевого песка с добавлением глинистых частиц каолинитового и монтмориллонитового состава.
Проведенные исследования показали, что при фиксированной влажности (около 10%) в песчаных породах с повышением содержания глинистых частиц каолинитового и монтмориллонитового состава (до 15 весовых %) газопроницаемость закономерно понижается для образцов, находящихся как в талом, так и в мерзлом состоянии (Chuvilin et al., 2018). Отмечено, что для образцов, содержащих глинистые частицы каолинитового состава, это снижение существенно, как в мерзлом, так и в талом состоянии. Так для талых образцов, при увеличении содержания каолина с 0 до 7%, проницаемость образцов снизилась почти в 8 раз (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость газопроницаемости (K) песчаных образцов от содержания глинистого материала: а) для песчано-каолинитовых образцов; б) для песчано-бентонитовых образцов.
Для образцов в мерзлом состоянии было установлено, что при добавлении 7% каолина в кварцевый песок проницаемость мерзлого образца снижается в 14 раз (рис. 5а). При увеличении содержания каолина до 15%, проницаемость снижается более чем в 20 раз. Эксперименты с песчаными образцами, содержащими бентонитовые частицы, показали, что для талых образцов при добавлении 7% глинистых частиц фиксируется снижение проницаемости менее чем в 1,5 раза), а при добавлении 15% бентонита– в 1,6 раза (рис. 5б). Для образцов в мерзлом состоянии это снижение было также. В результате установлено, что при увеличении содержания каолинитовой глинистой компоненты, проницаемость песчаных образцов при промерзании снижается сильнее, чем при добавлении бентонитовых частиц. Данное явление связано с тем, что в исследуемом диапазоне влажности бентонитовые частицы поглощают почти всю влагу в поровом пространстве. Вследствие чего при промерзании образца в лед переходит значительно меньшее количество влаги (Chuvilin et al., 2018).
Изучение изменения газопроницаемости газонасыщенных пород проводилось при низких положительных температурах (+2±1°С), когда гидратообразование в образце происходило из поровой влаги. Экспериментально показано, что при начальной влагонасыщенности образцов 50-60% и переходе до 70-80% поровой влаги в газогидрат (коэффициент гидратности, характеризующий доля поровой влаги в гидрат- Kh=0,7-0,8) снижение газопроницаемости достигало одного-двух порядков (рис. 6).
Рис. 6. а) зависимость газопроницаемости (К) песчаных образцов от степени перехода поровой влаги в гидрат (Kh) при положительной температуре; б) снижение проницаемости гидратонасыщенных образцов при промерзании.
Сравнение газопроницаемости образцов песка с глинистой компонентой (рис. 6) разного состава показало некоторое различие, которое может быть связано как с влиянием минерального состава глин на исходные характеристики образцов, так и с условиями гидратообразования в поровом пространстве образцов. Различное снижение проницаемости при гидратообразовании по-видимому объясняется структурно-текстурными изменениями, которые обусловлены различными механизмами образования газогидратов в поровом пространстве.
При замораживании гидратонасыщенных образцов выявлено, что величина их газопроницаемости может снижаться в несколько раз и более, при этом коэффициент гидратности увеличивался не более чем на 6% (рис. 6б). Это обусловлено вымерзанием остаточной поровой влаги, а также дополнительным гидратообразованием при фазовых переходах вода-лед.
Выводы
Выполненные экспериментальные исследования по оценке изменения газопроницаемости модельных неконсолидированных коллекторов при фазовых переходах поровой влаги в лед и гидрат позволяют сделать следующие выводы:
В промерзающих песчаных коллекторах на снижение газопроницаемости значительное влияние оказывает не только количество, но и минеральный состав глинистой компоненты. Для образцов, содержащих глинистые частицы каолинитового состава, проницаемость снижается сильнее, чем для образцов с бентонитовыми частицами, как в мерзлом, так и в талом состоянии. Так при увеличении содержания каолина с 0 до 7% проницаемость мерзлых образцов снизилась почти в 14 раз, а при добавлении 7% бентонита снижение проницаемости составляло менее чем 1,5 раза.
Газопроницаемость песчано-алевритистых коллекторов (W=14-18%) при переходе до 70-80% поровой воды в газогидрат снижается на 1-2 порядка.
При замораживании гидратонасыщенных образцов величина их газопроницаемости дополнительно снижается в несколько раз и более. Это обусловлено вымерзанием остаточной поровой влаги, а также дополнительным гидратообразованием при фазовых переходах вода-лед.
В промерзающих песчаных коллекторах на снижение газопроницаемости значительное влияние оказывает не только количество, но и минеральный состав глинистой компоненты. Для образцов, содержащих глинистые частицы каолинитового состава, проницаемость снижается сильнее, чем для образцов с бентонитовыми частицами, как в мерзлом, так и в талом состоянии. Так при увеличении содержания каолина с 0 до 7% проницаемость мерзлых образцов снизилась почти в 14 раз, а при добавлении 7% бентонита снижение проницаемости составляло менее чем 1,5 раза.
Газопроницаемость песчано-алевритистых коллекторов (W=14-18%) при переходе до 70-80% поровой воды в газогидрат снижается на 1-2 порядка.
При замораживании гидратонасыщенных образцов величина их газопроницаемости дополнительно снижается в несколько раз и более. Это обусловлено вымерзанием остаточной поровой влаги, а также дополнительным гидратообразованием при фазовых переходах вода-лед.
Литература
Агалаков С.Е. Газовые гидраты в туронских отложениях на севере Западной Сибири // Геология нефти и газа, 1997, № 3, c.6-21.
Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992. 235 с.
Макогон Ю. Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Российский химический журнал. 2003. N 3. с 70-80.
Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы, M.: Изд-во МГУ, 1993, 336 c.
Старобинец И.С., Мурогова Р.Н. Экранирующая и проводящая роль пород криолитозоны по отношению к миграционным углеводородам // Геология нефти и газа, 1985, № 1, с. 24–27.
Чувилин Е.М., Гребенкин С.И., Сакле М. Влияние влагосодержания на проницаемость песчаных пород в мерзлом и талом состояниях // Криосфера Земли, том 20, № 3, 2016, c.71-78.
Чувилин Е.М., Гребенкин С.И. Экспериментальная оценка газопроницаемости газонасыщенных пород при гидратообразовании и замораживании // Криосфера Земли, том 19, № 2, 2015, с. 67-74.
Якушев В. С. Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. М., ВНИИГАЗ, 2009, 192 с.
Chuvilin Е. М. , Тumskoy V. E., Тipenko G. S., Gavrilov А. V., Bukhanov B. А., Tkacheva E.V., Audibert-Hayet A., and Cauquil E. Relic gas hydrate and possibility of their existence in permafrost within the south-tambey gas field // SPE 166925. In Conference proceedings. SPE Arctic and Extreme environments, pages 1–9, 2013.
Chuvilin E.M., Grebenkin S.I., Jmaev M.V. Geomodel 2018. DOI: 10.3997/2214-4609.201802399.
Lantuit H., Overduin P. P., Couture N., Wetterich S., Are F., Atkinson D., Brown J., Cherkashov G. , Drozdov D. , Forbes D. , Graves-Gaylord A., Grigoriev M. , Hubberten H. W. , Jordan J. , Jorgenson T. , Ødegård R. S. , Ogorodov S., Pollard, W. , Rachold V. , Sedenko S. , Solomon S. , Steenhuisen F. , Streletskaya I. and Vasiliev, A. The Arctic Coastal Dynamics database. A new classification scheme and statistics on arctic permafrost coastlines, Estuaries and Coasts, 35 (2), 2012, pp. 383-400.
