§ 5. Краткая характеристика газогидратных залежей

Исследованиями советских ученых доказано, что в опреде­ленных термодинамических условиях природный газ в земной коре вступает в соединение с пластовой поровой водой, обра­зуя твердые соединения — гидраты газов, крупные скопления которых образуют газогидратные залежи.

Природный газ в связанном гидратном состоянии характе­ризуется иными свойствами, чем в свободном состоянии.

Гидраты газов представляют собой твердые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных дав­лениях и температурах заполняют структурные пустоты кри­сталлической решетки, образованной молекулами воды с по­мощью прочной водородной связи. Молекулы воды при обра­зовании гидрата и сооружении ажурных полостей как бы раздвигаются молекулами газа, заключенными в эти полости,— удельный объем воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26—1,32 см³/г (удельный объем воды в состоянии льда со­ставляет 1,09 см³/г).

В настоящее время получены и изучены равновесные пара­метры гидратообразования практически всех известных при­родных и синтетических газов. Исключение составляют водо­род, гелий и неон.

Элементарная ячейка гидрата газа состоит из определен­ного количества молекул воды и газа. Молярное соотношение воды и газа зависит от размера молекул газа — гидратообразователя. Один объем воды в гидратном состоянии связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа. Для газов, размер молекул которых не превы­шает 0,59 нм, образуется гидрат, так называемой первой структуры, в котором на восемь мо­лекул газа приходится 46 мо­лекул воды. Элементарная ячейка гидрата первой струк­туры содержит две малые по­лости, с диаметром 0,52 нм и 6 больших, с диаметром 0,59 нм. Более крупные моле­кулы газов (размер которых не превышает (0,69 нм) обра­зуют гидрат второй структу­ры, элементарная ячейка ко­торой состоит из 16 малых (0,48 нм) и восьми больших (0,69 нм) полостей, образуе­мых 136 молекулами воды.

Процесс образования гид­рата определяется составом газа, состоянием воды, внеш­ним давлением и температу­рой. Условия образования гид­ратов выражаются диаграм­мой гетерогенного состояния в координатах р — Т. На рис. IV. 15 приведены равновесные кривые образования гидратов отдельных компонентов и природных газовых смесей относительной плотности 0,6 и 0,8 по воздуху.

Для заданной температуры повышение давления выше рав­новесной кривой сопровождается соединением молекул газа с молекулами воды и образованием твердого соединения — гидрата. Обратное снижение давления (или повышение температуры при неизменном давлении) сопровождается разложением гидрата на газ и воду. Плотность гидратов отдельных газов изменяется в довольно широких пределах: от 0,8 г/см³ до 1,8 г/см³. Для природных газов плотность гидрата находится в пределах 0,9—1,1 г/см³.

Р ис. IV. 15. Равновесные кривые гид­ратообразования газов.

Гидраты газов характеризуются низкой упругостью газа — гидратообразователя. Например, в области отрицательных тем­ператур упругость газа — гидратообразователя над гидратом на один-два порядка ниже упругости пара чистого гидратооб­разователя. Это свойство гидратов сыграло большую роль в сохранении и накоплении газов и воды в начальный период формирования Земли, ее атмосферы и гидросферы.

Процесс образования гидратов происходит с выделением тепла от 14 до 134 кДж/моль (или около 418 кДж/кг) при t> 0 °С. При t<0 °С теплота гидратообразования составляет 16—30 кДж/моль.

Кристаллогидраты газов характеризуются высокой механи­ческой прочностью, упругостью и низкой проницаемостью. Ско­рость прохождения сейсмоволн через пористую среду, насыщен­ную гидратом, на 60—100 % выше, чем через аналогичную среду, не насыщенную гидратом. Проницаемость гидрата близка проницаемости водонасыщенных глин.

Гидраты газов, полученные из пресной воды, обладают в 10—15 раз более высокой электропроводностью, чем у льда (10^-7 Ом/см). Гидраты, полученные из растворов солей с ми­нерализацией 10 г/л, имеют электропроводность в 3—4 раза ниже электропроводности исходного раствора. Для раствора минерализации 50 г/л это отличие составляет всего 40—70 %.

Газогидратные залежи (ГГЗ) характеризуются рядом осо­бенностей, основные из которых следующие: объем газа, со­держащегося в единице объема гидрата, практически не зави­сит от состава газа; гидратонасыщенность порового простран­ства определяется давлением, температурой, составом поровой воды и газа — гидратообразователя; формирование ГГЗ может происходить из недонасыщенных газом пластовых вод; для формирования и сохранения ГГЗ не нужны литологические покрышки; ГГЗ являются непроницаемыми экранами, под кото­рыми могут накапливаться залежи свободного газа и нефти.

Открытие советскими учеными свойства природных газов образовывать в земной коре газогидратные залежи позволило пересмотреть вопросы формирования залежей углеводородов и значительно прирастить прогнозные запасы газа на планете.

Газогидратные залежи — это залежи, содержащие в зависимости от термодинамических условий и стадии формирования газ частично или полностью в гидратном состоянии.

Газогидратная залежь снизу может контактировать с пла­стовой, подошвенной или крыльевой водой, со свободной газо­вой, газоконденсатной или нефтяной залежью; сверху — со сво­бодной газовой залежью или газонепроницаемыми пластами. ГГЗ приурочены к охлажденным разрезам осадочного чехла земной коры на материках и в акватории Мирового океана.

Как правило, в пределах материков ГГЗ приурочены к районам распространения многолетнемерзлых пород. На материках глубина залегания этих залежей достигает 700—1500м.

Как известно, большая часть дна мирового океана сложена осадочными породами мощностью от десятков до тысячи и бо­лее метров. Современный термодинамический режим придонной части океана, начиная с глубин 150—500 м, соответствует усло­виям существования гидратов газов.

Полярные моря характеризуются незначительными колеба­ниями температуры воды по глубине, значение которой близко к О °С. Температура воды на глубине около 1 км даже на эк­ваторе не превышает 5 °С, а на глубине свыше 2000 м она ос­тается постоянной в пределах 1—3 °С.

Физические методы обнаружения газогидратных залежей могут быть разработаны на основе использования различных свойств гидратов, в част­ности, таких, как низкие электропроводность и проницаемость, повышенная скорость прохождения акустических волн через толщу осадочных пород, на­сыщенных гидратами газов, аномальные значения теплового потока над газогидратными залежами; аномальные значения диффузионных газовых по­токов над газогидратными залежами и др.

Региональные поиски и обнаружение ГГЗ как на суше, так и в аквато­риях могут осуществляться путем сейсмоакустического зондирования при частотах 0,1—10 кГц в комплексе с региональной газо- и термометрией. Эти способы позволяют установить площадь, мощность, глубину залегания кровли и подошвы ГГЗ, определить гидрато- и газонасыщенность продуктив­ных пластов.

Уточнение параметров ГГЗ необходимо проводить путем использования комплекса геофизических методов в интервале ГГЗ, а также исследованием кернов, отобранных из интервала ГГЗ.

В настоящее время для поисков и разведки газогидратных залежей ис­пользуются метод сейсмоакустического зондирования разреза осадочных по­род, в основе которого лежит экспериментально установленный факт увели­чения скорости прохождения сейсмических волн на 60—100 % через пла­сты, насыщенные гидратами газов, в сравнении с прохождением сейсмоволн через пласты, насыщенные свободным газом или жидкостью.

При наличии скважин, вскрывших толщу осадочных пород, присутст­вие гидратов можно обнаружить стандартными методами каротажа.

Основные критерии гидратосодержащих пластов:

1) незначительная амплитуда ПС;

2) отсутствие или малое значение приращения МПЗ над МГЗ;

3) интенсивность вторичной -активности, близкая к водонасыщенным пластам;

4) отсутствие глинистой корки и наличие каверн;

5) различное сопротивление в зависимости от минерали­зации остаточной воды. Учитывая, что сопротивление гидрата, как и газа, достаточно велико, в большинстве случаев сопротивление гидратного пласта будет значительным.

Для обнаружения и выделения газогидратных залежей во время буре­ния и при эксплуатации скважин в охлажденных разрезах могут быть ис­пользованы газовый каротаж, термометрия продуктивного разреза, поинтервальная дебитометрия, контроль утяжеления состава добываемого газа и опреснение поступающих в скважину пластовых вод и др. Разработка газо­гидратных залежей принципиально возможна. Пути решения этой проблемы известны.

При вскрытии и разработке ГГЗ необходимо учитывать специфические свойства гидратов, такие, как резкое увеличение объема газа при его пере­ходе из гидратного в свободное состояние, резкое возрастание давления газа при термическом разложении гидрата, постоянство пластового давления, со­ответствующего определенной изотерме разработки ГГЗ, высвобождение больших объемов свободной воды при разложении гидрата и т. д.

В основе разработки материковых ГГЗ лежит один общий принцип: не­обходимо газ из гидратного состояния в залежи перевести в свободное состояние и отбирать традиционными методами с помощью обычных скважин. Перевод из гидратного в свободное состояние может быть осуществлен пу­тем закачки в пласт катализаторов разложения гидрата; повышением тем­пературы залежи выше температуры разложения гидрата; снижением дав­ления ниже давления разложения гидрата в пласте; путем термохимиче­ского, электроакустического и других воздействий на ГГЗ.