книги из ГПНТБ / Макогон, Ю. Ф. Гидраты природных газов

Для Арктики верхняя граница образования гидратов значи­ тельно приближается к поверхности океана. Для сероводорода она находится практически у поверхности океана, для углекисло­ ты — ыа глубине около 70 м, для метана — 300 м, для азота — 1400 м, для природного газа относительной плотности 0,6 верхняя граница гидратообразованпя поднимается с 300 м для субтропиков до 100 м для Арктики.

Если считать, что необходимая минимальная глубина ЗГО для метана в Атлантическом океане составляет 550 м, в Тихом — 500 м и в Индийском — 600 м, то пло-

К сожалению, в настоящее время располагают крайне ограни­ ченными фактическими материалами по геотермическому градиенту дна океана. Однако даже ограниченные данные по терморежиму дна океана показывают, что геотермический градиент придонных осадков океана значительно превышает геотермический градиент суши. Ориентировочно можно принять геотермический градиент придонных осадков при глубинах океана 1000—3000 м равным одному градусу на 10 м. Располагая термодинамическими данными, можно определить положение нижней границы зоны

образования гидратов газов в осадочном чехле придонной части океана.

На рис. 105 дана принципиальная схема положения зоны воз­ можного образования газогидратных залежей в придонной части океана, а на рис. 106 дан фактический профиль для 170° 3. Ш. в Тихом океане. На данном профиле нанесены изотермы, получен­ ные в результате обработки результатов термозамеров океанологиче­ скими исследовательскими судами «Витязь» и «Обь».

На рис. 106 нанесена кривая мощности осадочных пород по дан­ ным А. П. Лиснцина, а также равновесная температура образова­ ния гидратов в придонной части океана [42]. Как видно из рис. 106,

Рис. ЮЗ. Принципиальная схема положения зоны возможного образования газогидратных залежей в при­ родных осадках океана.

J — вода; 2 — осадочные породы; 3 — газогидратная зона в осад­ ках; 4 — гранпцадиа океана; 5 — граница гидратообразования; 6 — пути миграции газа

условия для образования гидратов в придонной части океана наблю­ даются практически на всех широтах.

Мощность зоны образования гидратов в зависимости от термоди­ намической характеристики разреза достигает нескольких сотен метров, а иногда нескольких километров.

Наличие гидратов газов в придонной части океана характерно накоплением их в непосредственной близости от границы дна. Для сохранения газогидрата в придонной части не требуется непро­ ницаемой литологической покрышки, так как сам кристаллогидрат, закупоривающий поровое пространство, является прекрасной по­ крышкой для нижележащего свободного газа.

Нижняя граница зоны гидратообразования находится ниже дна на глубине нескольких сотен діетров и определяется геотерми­ ческим градиентоді придонной части грунта и гидростатическим давлением.

Накопление отдельных компонентов природного газа в твердой фазе может начаться уже на первых стадиях превращения органп-

162

«кристаллическая» покрышка с определенной шпроты поднимается

ксеверу.

Сдругой стороны, термодинамический решим Северного Ледови­

того океана соответствует условиям образования гидратов газов в придонной части океана практически по всей территории. Глубина положения нижней ЗГО в придонной части углубляется с пониже­ нием океана. Таким образом, в районе океана наблюдается поднятие покрышки в южном направлении.

Рис. 107. Профиль залегания газогндратпых залежей в зоне сочле­ нения арктического океана и крполитозоны.

1 — океан; 2 — крнолитозона; з — осадочные породы; і — шіжняп граница газогндратноіі зоны; 5 — кристаллические породы; в — миграция газа

В прибрежной полосе зоны гидратообразования на материке и в придонной части океана смыкаются, образуя мощное простира-, гощееся вдоль берега поднятие, являющееся надежной покрышкой для газа и нефти. Генерируемые газы в районе этой покрышки скапливаются под ней независимо от наличия литологических покрышек, образуя мощные газовые скопления.

На рис. 107 приведен профиль через 175° В. Д. На территории материка показана криолитозона, мощность которой достигает 1000 м. Кроме того, показана нижняя граница зоны образования гидрата газов на суше и в придонной части океана, которая обра­ зует антиклинальную структуру мощных размеров, простираю­ щуюся вдоль берега Северного Ледовитого океана. В районе купола этой антиклинали следует сосредоточить поиск залежей природного газа и нефти.

Открытые газопроявления на острове Врангеля, в Хатырской • впадине на Чукотке, открытие мощных залежей газа в акватории северных морей Европы и в прибрежных районах материка в Тю­ мени и иа Таймыре подтверждают данные изложенные положения.

164

§10. К вопросу о газовых выбросах

вуголыіорудиых выработках

Известно, что.при разработке угольных пластов на определенных глубинах происходят мощные внезапные выбросы газа и породы.

Обычно выбросоопаспыми являются гранулярные породы, пред­ ставленные хорошо отсортированными, мелкозернистыми, слабо сцементированными песчаниками, характеризующимися относи­ тельно низкой пористостью и водонасыщеиностыо.

Выбросы породы при разработке угольных пластов отмечаются с определенной глубины для заданного района. Например, в районе Донбасса выбросы отмечаются, начиная с глубины 181 м. При этом температура пород на минимальной глубине выбросов составила 12—14° С, а максимальная температура грунтов, в которых были отмечены внезапные выбросы в Донецком бассейне, не превышала 42° С (па глубине 1200 м, шахта Петровская-Глубокая).

Гидростатическое и горное давления обычно определяются глу­ биной залегания пород, их составом и термодинамическими пара­ метрами региона.

Наиболее характерным показателем внезапных выбросов явля­ ется повышенное выделение легких газов в период выброса. Выде­ ляющийся газ состоит в основном из метана. Содержатся также углекислый газ и инертные газы.

Мощность выбросов достигает сотен и тысяч тонн. Объем выделя­ ющегося при этом газа достигает многих десятков тысяч кубомет­ ров. Часто внезапные выбросы породы сопровождаются взрывами газовоздушной смеси в шахтах.

Следует отметить, что многолетняя практика выработала ряд способов борьбы с внезапными выбросами в шахтах.

Однако до сих пор нет общепризнанного объяснения причин, порождающих внезапные выбросы.

Нами предлагается один из возможных варпантов объяснения причин внезапных выбросов: при определенных термодинамических условиях происходит разрядка энергии локальных скоплений газа, находящегося в порах породы в твердом, гидратном состоянии, ѵ Такой газ обладает высокой внутренней энергией, определяемой давлением газа в молекулярной решетке гидрата, величина которого достигает 2—7 тыс. кгс/см2.

Условия образования гидратов газов определяются гетерогенной диаграммой состояния в координатах: температура Т, давление р. Для объяснения поставленной проблемы наибольший интерес пред­ ставляет характер кривых BD и ED на рис. 4: BD определяет усло­ вия образования гидрата; ED характеризует потенциальную энер­ гию газа в гидратном состоянии. Кривая BD может быть использо­ вана для определения условий образования гидрата метана только при свободном контакте вода — газ.

Для современных условий Донбасса, где внезапные выбросы отмечены на глубинах начиная со 180 м (шахта «Пролетарская —

165

Глубокая») при температуре пород 12—14° С гидраты метана могли образоваться при давлениях свыше 100 кгс/см2.

На шахте «Петровская — Глубокая» выбросы породы были отме­ чены на глубинах до 1200 м при температуре пород 42° С. При дан­ ной температуре для образования гидратов уже потребовалось бы давление свыше 2 тыс. кгс/сма, а при существующих гидростатиче­ ских давлениях на указанной глубине температура гпдратообразованпя СН4 равна 14° С.

Рис. 108. Распространение южной границы плейстоценового оледенения в Северном полушарии.

1 — 1900—1940 гг.; г — около 1800 г.; 3 — предполагаемый плейстоценовый максимум

Таким образом, ясно, что в период образования гидратов газов термодинамическая характеристика пластов должна была характе­ ризоваться более низкими температурами или более высокими гидростатическими давлениями, чем в современных условиях.

Палеонтология четвертичного периода доказывает наличие не­ скольких значительных похолоданий климата.

В периоды похолодания климата средняя температура в умерен­ ных широтах (30—60° С) была ниже современных на 8—10° С , что приводило к крупным оледенениям.

Распространение южной границы оледенения в Северном полу­ шарии показано на рис. 108 [48].

166

В период максимального оледенения материковые льды покры­ вали до 30% всей суши, или около 45 млн. км2, уровень океана при

этом-понижался на 80—200 м.

Оледенения суши сопровождались распространенпем мерзлых грунтов как по мощности, так и по простиранию. Мощность ледни­ ков достигала 600—1500 м. При этом мощность многолетнемерзлых грунтов превышала 500—1000 м.

Рис. 109. Корректировочные кривые, учитывающие влияние изменения геотермического градиента п гидростатического давления на условия

образования гидратов

Как показывает анализ районов, характеризующихся внезап­ ными выбросами пород, их распространение совпадает с районами оледенения суши в четвертичный период.

На рис. 109 приведены корректировочные кривые, учитывающие влияние изменения геотермического градиента на условия образо­ вания гидратов метана в районе [26] Донецкого бассейна (h0 при наличии криолитозоны мощностью 100—2000 м). На этом же ри­ сунке даны корректировочные кривые, учитывающие изменение гидростатического давления в период формирования гидратов в пла­ стах (hp — при превышении существующего гидростатического дав­ ления иа 10—100 кгс/см2).

167

Учитывая изменение термодинамической характеристики разре­ зов в районах, характерных внезапными выбросами породы, можно определить зоны образования и накопления гидратов в пористых породах в четвертичный период п глубины их верхней и нижней границы.

Для определения нижней и верхней границы зон внезапных вы­ бросов необходимо знать геотермический градиент и гидростатиче­ ское давление в период наибольших похолоданий климата в данном районе. Кроме того, необходимо знать характеристику газовмещающнх пород, их пористость, влагоиасыщенность, капиллярное давление, состав газа, современную термодинамическую характе­ ристику разреза п т. д.

Исходя пз рис. 109, можно сделать основной вывод: максималь­ ная глубина выбросоопасных пород в районах Донецкого бассейна не превышает 1500 м (если же мощность криолитозоны в четвертич­ ный период превышала 1000 м и достигала, например, мощности 2000 м, то, соответственно, глубина выбросоопасных пород может достигать 2250 м).

Таким образом, для определения интервалов выбросоопасных зон необходимо знать не только современные параметры газовмещающпх пород, но и их термодинамическую характеристику в период формпрованпя.

Геологическая характеристика рассматриваемых районов, в част­ ности Донецкого бассейна, в течение четвертичного периода изменя­ лась незначительно. Термодинамическая характеристика разреза резко и неоднократно за этот период изменялась. Изменение термо­ динамической характеристики разреза влекло за собой изменение состояния газа в пористой среде. Часть газа,содержащегося в крупно­ пористых породах, из гидратного состояния перешла в свободное п рассеялась диффузионным и миграционными потоками в вышеле­ жащие пласты. Гидраты, содержащиеся в мелкопорпстых участках пород, характеризующихся высоким капиллярным давлением, со­ хранялись в метастабильном состоянии даже при значительном повы­ шении температуры. Этому способствовали интенсивные восходящие диффузионные подтоки газов из нижележащих горизонтов.

Образование гидрата в пористой среде при отсутствии газонепро­ ницаемых покрышек при наличии центров кристаллизации имеет объемно-диффузионный характер. При этом образуется монолитный плотный гидрат, практически заполняющий и прорастающий все поровое пространство. При отсутствии свободного газа условия обра­ зования гидрата определяются упругостью газа в гидрате и в его вод­ ном растворе, находящемся в контакте с гидратом.

Содержание газа в его водном растворе зависит от диффузионных

Образовавшиеся в пористой среде объемно-диффузионным спосо­ бом гидраты не имеют контакта со свободным пузырьковым газом. Условия их существования при повышении температуры определя-

168

выше температура разреза, тем выше должны быть капиллярное давление и величина восходящего газового потока (D,).

Для определения выбросоопасных зон необходимо знать характер миграции пластовых вод, ее интенсивность и газонасыщенность вод. Чем меньше интенсивность миграции пластовых вод и выше их газо­

соопасной, если подток газа из нижележащих пластов незначителен и газонасыщенность поровой воды у линзы С ниже растворимости газа в воде, контактирующей с гидратом. При этих условиях гидрат в линзе С диссоциировал и газ диффузионно рассеялся в окружаю­ щую воду. Современные способы борьбы с внезапными выбросами основаны на общем принципе нарушения статических взаимодейст­ вий газа,и породы, его вмещающей, путем: 1) создания повышенных депрессий на выбросоопасные зоны (опережающее бурение скважин); 2) искусственной дегазации зон скопления газа (закачка раз­ личных водных растворов); 3) мощных динамических им­ пульсов на зоны метастабильного состояния газа (сотрясательные взрывы).

170