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

ное состояние, что сопровождается уменьшением среднего эффектив­ ного радиуса пор, н к возрастанию влияния пористой среды на усло­ вия образования гидратов.

Влияния пористой среды на условия образования гидратов при наличии центров кристаллизации не оказывается при условии рг sc рш, где рг и ріп — упругость паров воды над гидратом и в пори­ стой среде соответственно.

Влияние пористой среды на процесс образования гидратов наблю­ дается при рг ;;ч- рш и возрастает порпорционально повышению этой

разницы.	рт упругость паров воды над гидратом равна упру­
При рг =
гости паров	воды в пористой среде.

Рис. 95. Изменение количества поровой воды, перешедшей в гндратыое состояние.

I — III — рассмотренные серин экспериментов

При дальнейшем снижении температуры и переходе части свобод­ ной поровой воды в гидратпое состояние возрастает роль пористой сре­ ды и для образования гидратов требуется более высокое давление (кри­ вая DE па рис.94), чем при свободном контакте газ — вода. Количество поровой воды, переходящей в гидрат, при изменении температуры зависит от начального давления, содержания свободной воды в порах, состава газа и эффективного радиуса пор, а также от депрессии давле­ ния и изменения эффективного радиуса пор. Чем выше содержание свободной воды в порах, больше эффективный радиус капилляра и выше депрессия давления, тем больше поровой воды переходит в гидрат.

На рис. 95 приведены зависимости отношения количества воды,, перешедшей в гидрат, к общему ее содержанию в порах от темпера­ туры для трех рассмотренных серий экспериментов.

Для получения зависимости условий начала образования гидрата в пористой среде были выполнены специальные исследования на раз­ личных пористых средах с газами различного состава. Результаты этих исследований приведены в табл. 21.

Т а б л и ц а 21

Серия	'к .
	НИ см

Р о , 1 \ Г С / С М 2

^0)	І’п к	' n r	Ро,
°С	кгс/см*	°с	мм рт. ст.

Условия начала процесса образования гидратов природного газа относительной плотности 0,6 в пористой среде

I	5.7	250	22,6		22 2	20,2	20,0
	5.7	200	21,6	220	21*1	19.1	18,9
	5.7	150	20,2	165	19.6	18,0	17.0
	5.7	100	18,0	115	17,1	15,5	14,5
	5.7	50	13,0	58,5	11.7	11.1	10.1
	5.7	25	7,8	31,1	5,9	8,0	6,9
	5.7	10	0,0	13,0	-2 ,6	4,5	3,7
II	4,9	250	22,6	240	21,9	20,2	19,5
	4,9	200	21,6		20,6	19,1	18,0
	4,9	150	20,2	190	18,7	18,0	16,1
	4,9	100	18,0	135	15,7	15,5	13,2
	4,9	50	13,0	71	10,2	11,1	9,1
	4,9	25	7,8	38	4,0	8,0	0,1
	4,9	10	0,0	17	—6,1	4,58	2,9
III	3,5	250	22,6	255	21,5	20,2	19,1
	3,5	200	21,6		19,8	19,1	17,1
	3,5	150	20,2	212	17,7	18,0	15,0
	3,5	■100	18,0	147	14,3	15,5	12,1
	3,5	50	13,0	86	8Д	И,1	8,0
	3,5	25	7,8	49	0,7	8,0	4,8
	3,5	10	0,0	23,5	10,0	4,58	2,15
Условия начала процесса образования				гидратов метана в пористой среде
I	5,7	250	20,3	265	20,0	18,0	17,54
	5,7	200	18,5	210	18,0	16,0	15,50
	5,7	150	16,2	165	15,4	13,6	13,0
	5,7	100	12,5	112	11,0	10,8	9,9
	5,7	50	6,3	59	4,5	7,3	6,3
	5,7	26	0	33,5	- 3 ,7	4,53	3,48
II	5,0	250	20,3	280	19,5	18.0	16,9
	5,0	200	18,5	225	17,5	16,0	15,0
	5,0	150	16,2	175	14,7	13,6	12,2
	5,0	100	12,6	119	10,3	10,8	9,2
	5,0	50	6,3	64	3,5	7,3	5,9
	5,0	26	0	38	- 5 ,5	4,58	3,0
III	3,5	250	20,3	310	18,5	18,0	16,0
	3,5	200	18,5	245	16,5	16,0	14,0
	3,5	150	16,2	195	13,6	13,6	11,4
	3,5	100	12,6	135	8,6	10,8	8,2
	3,5	50	6,3	79	0,5	7,3	4,7
	3,5	26	0	48	-12,0	4,58	1,93

П р и м е ч а н и е . гк—радиус капилляра; р 0,	давление и температура		образования
гидратов при свободном контакте газ—вода; р т , 1	—соответственно	давление и температу­
ра гпдратообразованпя в пористой среде; р 0 — упругость паров воды		при р 0 ,	V. Р т — упру­
гость паров воды прн рш и іт .

142

Анализируя данные, приведенные в табл. 21, можно сделать сле­ дующие выводы.

1. С уменьшением среднего эффективного радиуса капилляра влияние пористой среды на условия начала гидратообразования воз­ растает.

2. С повышением давления влияние пористой среды на условия, начала образования гидратов понижается.

Можно предположить, что в каждой реальной залежи всегда найдется микрозона, характеризующаяся свободными порами, ра­ диус которых на одни-два порядка выше среднего радиуса пор в за­ лежи. Эти зоны являются центрами начала образования гидратов, от которых зона гидратообразования распространяется на всю часть залежи, которая характеризуется наличием соответствующих термодинамических условий.

Если соблюдается условие рг < р,„, то переход газовой залежи в газогидратную происходит в условиях образования гидрата при свободном контакте газ — вода. Если же рг > р т , то даже при нали­ чии центров кристаллизации, образованных в макропорах, переход газовой залежи в газогидратную будет происходить при термодина­ мических условиях залежи, соответствующих величине упругости паров.

Таким образом, при рг ^ р,„ зоны распространения газогидратных залежей можно определять из условия их формирования при термодинамических условиях, соответствующих образованию гидра­

тов при	свободном контакте газ — вода.
§	5. Термодинамическое районирование территории суши,
	на которой могут залегать газогидратные залежи

Переход природных газов в гидрат возможен при пластовых температурах и давлениях, соответствующих равновесным условиям образования гидратов в пористой среде. Анализ термодинамических условий в разрезе осадочного чехла материков показал, что на зна- ,, чптельной части суши зоны гидратообразования (ЗГО) приурочены в основном к районам распространения мпоголетнемерзлых породг хотя в региональном плане их контуры значительно выходят за

пределы криолитозоны.			гидратообразования		находится-
В гидросфере зона	возможного
практически всюду в придонной части осадочного чехла					на глуби­
нах свыше 200—500 м.	породы	в	настоящее	время	покрывают
Многолетиемерзлые
34.5 млн. км2 Земного	шара,	или	около 23%	общей	территории

суши на планете.

На Аляске многолетняя мерзлота занимает 75 %, а в Канаде63 % их общей территории.

ВСССР «вечная мерзлота» распространена на площади около'

10.6млн. км2, что составляет более 47 % территории страны.

115

Глубина промерзания горных пород достигает 500—700 м, а в от­ дельных районах превышает 1000 м; так, бурением Мархинской опор­ ной скважины на северо-западе Якутии были выявлены нулевые температуры в породах на глубине до 1400 м.

На территории Канады и Аляски мощность многолетпемерзлых пород достигает 700 м и более.

Большая мощность криолитозоны и пониженная температура в разрезе, связанная с образованием мерзлоты, при наличии угле­ водородных газов создают благоприятные условия для образования скоплений природного газа в твердой фазе — газогидратных залежей.

Впервые выделение ЗГО и районирование территории СССР были рассмотрены в работах [19, 22, 25, 31, 38], в которых приведены схемы возможного распространения газогидратных залежей с учетом

Рис. 96. Изменение условии образовании газогидратных заложен в зависимости от термодинамической характеристики разреза

гидростатического изменения пластового давления в разрезе для природного газа относительной плотности 0,6 и фактических пла­ стовых температурах.

Для построения схем строились геотермические профили, а па них наносились равновесные кривые образования гидратов. На рис. 96 приведен график, иллюстрирующий закономерность изменения глу­ бины распространения зоны возможного существования газогидрат­ ных залежей. На данном графике приведены геоизотерма t — 0° С {кривая MN) и другие изотермы. Здесь нанесены равновесные кри­ вые гидратообразования метана и природных газов относительной плотности 0,6 и 0,8. Как видно из приведенных кривых, глубина залегания газогидратных залежей определяется термодинамической характеристикой разреза и составом газа (кроме того, она зависит и от состава пластовых вод). Зона распространения газогидратных залежей выходит далеко за пределы криолитозоны.

На	рис. 97 приведен фактический	профиль, характеризу­
ющий	распространение зоны залегания	газогидратных залежей

в районах Якутии. На рис. 97 дан профиль, построенный по резуль­ татам термометрии разведочных скважин на площадях. Глубина

Ш

залегания многолетнемерзлых пород в этих районах колеблется от 300 до 1400 м, а глубина зоны возможного гпдратообразования достигает 1000—2200 м.

Геотермический профиль залегания газогидратиых залежей по­ строены по фактическим данным термометрии на скважинах.

Построение таких профилей позволяет определить интервалы газогпдратной зоны для каждой конкретной площади и для всего региона в целом. Кроме того, знание характеристики газогпдратной зоны позволяет определить потенциальные радиусы газа и разрабо­ тать конкретные мероприятия по его отбору.

Рис. 97. Фактический профиль распространения зоны залегания газогидрат­ иых залежей в Якутии.

I — изотермы; 2 — нижняя граница образования гидратов; 3 — зона возможного образова­ ния гидратов.

Площади: I — Мариинская; I I — Вшпойская; I I I — Средне-Внлюйская; I V — Бес-Кюель-

сиая; V — Намекая; V I — окрестности Якутии; V I I — Амгннская

Определение зон возможного залегания газогидратиых залежей

изнание их поисковых признаков позволяют вести целенаправлен­ ный поиск и своевременный ввод в эксплуатацию. Большие потен­ циальные запасы природных газов в районах Западной и Восточной Сибири и мощный бассейн пониженных температур поставили задачу изучения термодинамической характеристики этих районов

ипостроения карт районирования зон возможного залегания газо­ гидратиых залежей.

Для построения схемы распространения ЗГО были составлены карты глубин залегания геоизотерм для различных температур. При построении этих схем были использованы результаты мерзлотных и геотермических исследований на территории СССР.

Анализ фактических геоизотерм показывает, что глубины рас­ пространения зоны вечной мерзлоты и геоизотерм подмерзлотиой зоны неравномерны. Отмечается зависимость глубины распростра­ нения зоны вечной мерзлоты и изменения температуры пород под­ мерзлотной зоны от многих факторов, основными из которых явля­ ются климатические и географические условия, гидродинамический режим осадочной толщи пород и рельеф кристаллического фунда­ мента.

'10 Заказ 633

М5

Гидродинамические потоки перемещаются вдоль пластов и ока­ зывают иногда значительное влияние как па тепловой режим пла­ стов, по которым происходит фильтрация флюида, так и на окружа­ ющие пласты. Температура пород будет в значительной мере опре­ деляться параметрами потока, при этом пониженные температуры отмечаются в зонах уменьшения минерализации пластовых вод.

Рис. 98. Карта распространения зоиы образования гидратов в пла­ стовых условиях на территории суши СССР

Характер расположения кристаллического фундамента влияет на профили геоизотерм. Отсутствие массообмена в кристаллическом фундаменте, связь с высокотемпературными нижележащими массами фундамента и высокая теплопроводность приводят к значительному повышению температуры пластов в местах подхода кристалличе­ ского основания близко к поверхности. При исследовании влияния на профиль геоизотерм кристаллического фундамента были исполь­ зованы карты рельефа фундамента Э. Э. Фотиадн для Западной Сибири и Г. Д. Бабаяна, А. А. Гудкова, К. К. Макарова, К.Ф. Мокшанцева, Г. И. Шхета для Восточной Сибири.

На основании рассмотренных карт геоизотерм была построена карта глубины распространения зоиы гидратообразования в пласто­ вых условиях (рис. 98).

Наиболее значительным при построении изогипс гидратообразоваиия в пористой среде пластов было допущение идентичности уело-

вий образования гидратов в пористой среде со свободным контак­ том газ — вода.

Для определения глубины зоны залегания газогидратных зале­ жей в каждом конкретном районе должны учитываться как характе­ ристика пористой среды, так и характеристика флюида, в ней содер­ жащегося. Кроме того, необходимо учитывать условия формирования газогидратиой залежи и изменение термодинамических параметров в период древних оледенений.

Более четверти территории суши нашей планеты имеет термоди­ намический режим на различных глубинах разреза, соответствую­ щий условиям образования гидратов и сформированию газогпдратных залежей.

Мощность зон с соответствующим термодинамическим режимом достигает 500—2000 м на территории материков.

В пределах акватории мировых океанов свыше 90% территории дна характеризуется термодинамическим режимом, соответствующим условиям накопления гидратов газов. Однако мощность зоны суще­ ствования газа в гидратном состоянии в пределах акватории меньше, чем в пределах материков, так как геотермический градиент в при­ донной части океана значительно выше, чем иа материках.

§ 6. Выявленные перспективные площади залегания газогидратных залежей

Может показаться парадоксальным то, что перспективные районы возможного залегания газогидратных залежей составляют более четверти территории суши и практически весь осадочный чехол акватории, а фактически открытых газогидратных залежей еще не­ много. Такое положение можно объяснить несколькими причииамп.

1. Существование газогидратных залежей получило признание только в последние годы.

2.До последнего времени отсутствовали какие бы то ии было методы поисков п разведки газогидратных залежей.

3.Обнаружить газогпдратпую залежь по открытым выходам газа

практически невозможно, даже если оиа находится на небольшой глубине.

4. Чаще всего для выявления газогидратиой залежи: путем вызова притока газа в скважину требуются значительные депрессии па пласт, превышающие депрессии на обычных месторождениях.

В результате экспериментально определенной зависимости термо­ динамических условий образования гидратов в пористой среде и разработанного аналитического метода их определения появилась возможность прогнозировать распространение зои залегания газо­ гидратных залежей иа основе анализа данных баротермометрии и параметров газовмещающих коллекторов.

Разработанный способ электрометрического определения интер­ валов залегания газа в пластах в твердом состоянии позволил выя­ вить ряд перспективных газогидратных залежей на территории суши СССР.

10*

і 'і і

К настоящему времени проведен некоторый анализ условий возможного залегания газогидратных залежей на территории Вос­ точной Сибири [5, 31, 53], Западной Сибири [9, 10, 14, 54] и Орен­ бургской области [27]. В результате этих работ проведена оценка потенциальных возможностей гидратообразовапия на площадях территории Восточной Сибири (табл. 22) и на территории УстьЕнисейской it Хатангской впадин: Джанготская, Мессояхская, Нпжне-Хетская, Чайдахская, Южио-Тпгянская, Сыидаская, СухоТунгусская, Болыпе-Порожская, Южио-Гоясипская.

			Т а б л и ц а 22
		Мощность	Глубина залегания
			зоны гидр ітообразо-
Площадь		ІфПОЛПТО-	ваш я, м
		ЗШ1Ы,
		м	кровли	подошвы
Усть-Бпрлокская . . . .		150	100	425
Соляпская ...................		200	100	700
Олекмішская ...............		100	150	2000
Наманшюкая ...............		85	200	1650
Русско-Речеиская . . .		90	100	1100
Плычирская...................		100	100	500
Средне-Ботуобішская . .		620	100	2000
Амишская ...................		150	100	1000
Мархннская...................		1440	юо	2200
Джаржііская...................		—	450	800
Бахыпаііская ...............		—	300	1200
Усть-Внлюііская . . . .		—	100	370
Олоііская			100	570
		—
Бергшзская ...................		—	200	350
Нпжпс-Внлюйская . . .		—	250	1120
Неджелнпская	. . . .	—	270	900
...................Мастахская		—	250	900
...................Толонекая		—	320	800
Средне-Внлюііская . . .		—	370	1100
Вплюйская			330	1180
		■------
...........................Намекая		—	300	850

Следует отметить, что перечисленные в табл. 22 перспективные структуры приурочены к зоне распространения криолитозоны. Однако далеко за ее пределами также могут быть обнаружены мощ­ ные газогидратные залеяш. Например, в Оренбургской области тер­ модинамический режим разведаппого Оренбургского и Совхозного месторождений практически соответствует режиму образования гид­ ратов непосредственно в пластовых условиях. Вероятно, часть газа в этих залежах содержится в гидратном состоянии.

Данные по нахождению газогидратпых залежей за рубежом крайне ограничены. Обнаружены только первые публикации о не­ которых перспективных районах залегания газогидратных залежей на Аляске. В.табл. 23 приведены глубины залегания указанных газогидратных залежей.

148

		Т а б л и ц а 23
Месторождение	Зона вечной	Нижняя граница
	мерзлоты,	газогпдратноіі
	м	залежи, м
Cape Simpson ......................................	300	650
Barrow ..................................................	450	1100
Cape T hom son ......................................	380	1500
Resolute ..............................................	400	800
Pruclhoo Bay ......................................	650	1200

§ 7. Мессояхское месторождение природного газа, содержащее гидраты в пласте

Из перспективных газогидратных месторождений наиболее раз­ веданным является Мессояхское месторождение, открытое в 1967 г. на северо-востоке Западной Сибирп, в Еиисейско-Хатангском про­ гибе, в 250 км западнее г. Норильска.

Мессояхская структура имеет размеры 12,5 X 19 км по кровле долганской свиты альб-сеиоманского возраста п амплитуду — 84 м. Геологический разрез, вскрытый глубоким разведочным и эксплуа­ тационным бурением, представлен песчано-глинистыми отложениями среднеюрского, нижие- и верхнемелового палеоценового возраста, перекрытых четвертичными осадками.

Выявленная газовая залежь приурочена к верхней части долган­ ской свиты, этаж газоносности равен 76 м. Коэффициент открытой пористости изменяется в пределах 16—38% при средней величине ее 25 %. Остаточная водонасыщенность изменяется в пределах 29— 50 % , средняя — 40 %. Коэффициент проницаемости изменяется в широких пределах — от нескольких миллиардов до нескольких сот мпллидарси.

В связи с относительно неглубоким залеганием продуктивных горизонтов (800—900 м) и наличием зоны многолетней мерзлоты, мощность которой в районе месторождения достигает 450 м, место­ рождение имеет жесткую термодинамическую характеристику: при среднем пластовом давлении 78 кгс/см2 температура в залежи изме­ няется от Ң-8 до +12° С.

На рис. 99 даны термограммы нескольких скважин Мессояхского месторождения, а на рис. 100 приведены осредненные зависи­ мости температуры 1 и давления 2 по разрезу Мессояхского место­ рождения, построенные по результатам фактических измерений.

Для определения интервалов залегания газа в гпдратном состоя­ нии в разрезе Мессояхского месторождения нами экспериментальнобыли определены температуры образования гидратов непосредственно на кернах, отобранных из продуктивных горизонтов при соответст­ вующих влагонасыщеиности и составе газа.

149

На рис. 100 нанесена полученная экспериментально равновесная температура 3 образования гидрата в разрезе Мессояхского место­ рождения, как функция давления [38].

Для пластового давления 78 кгс/см2 температура образования гидрата оказалась равной +10° С, т. е. геонзотерма +10° С для Мессояхского месторождения определяет нижнюю границу сущест­ вования гидратов газа в пласте и разделяет месторождение па две залежи: газогидратную — над геопзотермой +10° С и залежь сво­ бодного газа — под дайной изотермой. Из рис. 100 видно, что зона

существования пластов, со­

	держащих			газ	в	гидрат-
	ном	состоянии			в	разрезе
	Мессояхского месторожде­
	ния, находится в преде­
	лах глубин 870—250 м.
	В	результате				анализа
	данных		комплексных гео­
	физических			исследований,
	выполненных				в	боль­
	шинстве из 62 пробурен­
	ных	скважин,			выявлена
	аномальная геофизическая
	характеристика отдельных
	частей		разреза		сеноман­
	ских	отложений			Мессоях-
	ской залежи [31.					Обнару­
	жено, что			хорошо прони­
	цаемым песчаным пластом
Рис. 99. Термограммы скважші Мессояхского	на каротажных				диаграм-
месторождеішя	мах	соответствует				необы­

чайно слабая дифференциа­ ция кривой ПС. Кроме того, вместо уменьшения диаметра скважин (за счет глинистой корки) наблюдается значительное образование каверп диаметром до 15 см и более, т. е. разбуриваемые песчаные пласты уподобляются плотным глинистым пластам, однако лабора­ торные и геофизические исследования показывают их хорошие кол­ лекторские свойства (т = 25—30%, к = 100—500 мД). Анализы результатов гамма-каротажа показывают слабую глинистость этих пород. Таким образом, имеем имитацию мерзлых пород, залегающих

на глубине на 500—600 м ниже			криолитозоны,	при температурах
+ 8 —10° С. Это		объясняется тем,	что гидраты,	накапливающиеся
в	порах пласта,	резко снижают	их фильтрационную способность
и	препятствуют	проппкповению	фильтрата бурового раствора

в пласт и тем самым снижают эффект, вызываемый диффузионно-сорб­ ционными процессами на границах раздела скважина — газоносный пласт — вмещающие породы, что приводит к сглаживанию отрица­ тельной аналогии на кривой ПС, хотя продуктивным пластам всех газовых месторождений Усть-Еиисейского района (в том числе и

150