Файл: Макогон, Ю. Ф. Гидраты природных газов.pdf

810 см. Некоторые колонки, поднятые в Черном и Каспийском морях, «пузырились» сверху донизу.

При разломе свежеподиятых колонок можно наблюдать гидраты в виде пнееподобных кристаллов в порах.

Керны более крупных размеров (диаметром 18 см и длиной до нескольких десятков метров) были подняты из придонной части Тихого океана, они содержали газ в гидратном состоянии. Гидрат можно было наблюдать визуально на изломах кернов. Кроме того, газ бурно выделялся при повышении температуры керна. В ряде случаев происходил разрыв кернов в кернодержателях. Известно, что при повышении температуры происходит разложение гидрата и в замкнутом объеме (объем норового пространства керна), резко воз­ растает давление газа, что приводит к разрыву керна. Разрыв керна будет тем интенсивнее, чем менее проницаемы торцевые части керна.

Важность проблемы гидратов газов в океане выдвигает ряд неот­ ложных задач, решение которых позволит поставить по-новому принципиальные вопросы формирования и поисков залежей угле­ водородов не только в пределах акватории, но и, особенно, в зоне сочленения зоны шельфа с материками.

Кратко рассмотрим существо проблемы гидратов в придонной части океана.

Большая часть дна Мирового океана сложена осадочными поро­ дами, мощность которых составляет от нескольких десятков метров до нескольких километров.

Термодинамический режим придонной части океана, начиная с глубин 250—500 м, практически полностью соответствует усло­ виям существования гидратов газов.

Полярные моря характеризуются незначительными колебаниями температуры воды, величина которой близка к 0° С. Температура воды любого экваториального океана на глубине около километра практически не превышает 5° С, а на глубине свыше 2000 м она практически остается постоянной в пределах 1—3° С.

На рнс. 104 приведен график для определения глубины образо­ вания гидратов отдельных газов в океане в зависимости от темпера­ туры и давления. На рис. 104 нанесены равновесные кривые образо­ вания гидрата азота, метана, углекислоты, сероводорода и природ­ ного газа относительной плотности 0,6 в зависимости от гидростати­ ческого давления (от глубины). Здесь же нанесены две температур­ ные кривые в зависимости от глубины океана: для субтропической зоны Тихого океана и для Арктического океана. Точка пересечения равновесной кривой образования гидратов с кривой изменения температуры определяет положение границы (верхней) зоны воз­ можного гидратообразования в осадочном чехле океана. Как видно из рис. 104, для субтропиков сероводород может образовывать гид­ рат на глубинах в несколько десятков метров, углекислота — свыше 250 м, метан 500 м, азот —1700 м. Природный газ с относитель­ ной плотностью 0,6 образует гидрат при данных термодинамических условиях на глубинах свыше 300 м.

160

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