Введение к работе
Актуальность исследования. В результате хозяйственной деятельности человека образуется большое количество диоксида углерода. Основными источниками выбросов СОг, в том числе в областях распространения многолетнемерзлых пород, являются крупные промышленные предприятия и тепловые электростанции. Дополнительным источником антропогенного СОг могут стать предприятия по сжижению газа. Природные газы многих газовых и газоконденсатних месторождений России, в том числе на севере Западной Сибири, содержат примеси С02 (порядка 0,5 - 1,0 мол.%). В настоящее время активно обсуждаются проекты разработки ряда месторождений полуострова Ямал со сжижением природного газа и последующей доставкой потребителям танкерами. Технология сжижения предполагает практически полное отсутствие СОг в природном газе, поэтому при подготовке газа к сжижению природный газ предварительно очищается от С02. При этом образуется большое количество С02, которое необходимо утилизировать.
В связи с этим в мире разрабатываются проекты по захоронению С02 в геологических формациях, некоторые из которых уже имеют применение в промышленном масштабе. В последнее время подмерзлотные горизонты также рассматриваются в качестве возможной среды для захоронения С02, в том числе в виде газовых гидратов. Аргументами в пользу захоронения С02 в подмерзлотные горизонты является низкая проницаемость вышележащих мерзлых толщ, низкие температуры и, соответственно, устойчивость газогидратных образований, а также возможность захоронения на небольшую глубину.
Захоронение С02 в криолитозонс - технически очень сложная задача. Для лучшего понимания процессов гидратообразования, которые происходят при захоронении в криолитозоне, необходимо проведение специальных экспериментальных исследований.
Цель работы состоит в экспериментальном изучении процессов образования и разложения гидратов С02 в поровом пространстве дисперсных пород в связи с возможным захоронением С02 в криолитозоне.
Основные задачи исследования:
1. Разработать методику экспериментального изучения процессов гидратообразования в поровом пространстве пород из жидкого и газообразного С02 при
положительных и отрицательных температурах, а также процессов разложения гидратов С02 в мерзлых породах.
-
Установить закономерности гидратонакопления в системе: жидкий С02 -поровая вода.
-
Выявить закономерности накопления гидрата С02 в газонасыщенных породах при охлаждении и замерзании.
-
Выявить особенности накопления гидрата СОг в системе: газообразный СОг -поровый лед.
-
Установить закономерности разложения гидратов С02 в мерзлых породах при снижении равновесного давления и нагревании.
Фактический материал и личный вклад автора.
В основу диссертационной работы положены результаты экспериментальных исследований, проведенных автором в составе экспериментальной группы на кафедре геокриологии геологического факультета Московского Государственного Университета с 2005 по 2011 гг., а также в Национальном Исследовательском Центре Канады в 2008 -2009 гг.
При непосредственном участии автора в лаборатории кафедры геокриологии было проведено, обработано и проанализировано более 30 длительных экспериментов (продолжительность некоторых опытов составляла около 2 месяцев). Было выполнено более 500 определений газо- и гидратосодержания в дисперсных породах. В Национальном Исследовательском Центре Канады было проведено 37 экспериментов по изучению гидратообразования из жидкого С02 при помощи метода ядерного магнитного резонанса.
Методы исследования.
В работе применялись методы лабораторного изучения процессов образования и разложения гидрата С02 в поровом пространстве, а также свойств гидратосодержащих пород. Основным методом исследования являлся PVT метод, адаптированный для исследования кинетики накопления гидрата С02 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород, а также для изучения диссоциации газовых гидратов в мерзлых образцах грунта при неравновесном давлении и при термическом воздействии. Исследование кинетики гидратообразования в поровом пространстве из жидкого и газообразного С02 и поровой воды проводилось с помощью метода ЯМР-томографии.
Для оценки проницаемости использовалась специальная экспериментальная установка по фильтрации газа в грунтовых образцах в условиях гидратообразования и замораживания.
Научная новизна исследования:
-
Разработана методика изучения гидратообразования в системе «жидкий С02 -поровая вода» и «газообразный С02 - поровый лед».
-
Выявлено, что при насыщении поровой влаги диоксидом углерода температура замерзания понижается на 1,5 - 3 С. Также установлено, что температура замерзания остаточной поровой влаги в С02-гидратосодержащих образцах достигает -2,5 -*- -3 С.
3. Выявлены зависимости гидратообразования из газообразного С02 от
термобарических условий, дисперсности, минерального состава и влагонасыщенности
пород, а также от фазовых переходов вода-лед. При этом установлено, что при
замерзании остаточной поровой влаги в С02-гидратонасыщенных грунтах
интенсифицируется процесс гидратообразования, и дополнительно образуется до 30%
газогидрата.
-
Впервые получены экспериментальные данные по особенностям образования гидрата С02 в мерзлых породах. При этом выявлено, что при отрицательных температурах, когда в поровом пространстве влага находится в основном в форме льда, протекают активные процессы накопления гидрата С02.
-
Впервые получены экспериментальные данные по гидратообразованию из жидкого С02 и поровой воды. При этом показано, что скорость гидратообразования увеличивается при снижении температуры и влагонасыщенности песчаных пород, и практически не зависит от давления (в интервале 4,0 - 5,4 МПа)
Практическая значимость исследования:
Выполненные экспериментальные исследования существенно расширили представления о механизмах и закономерностях накопления газогидратов, в том числе и гидрата С02 в поровом пространстве горных пород, а также об условиях их разложения. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования захоронения С02 в виде газогидрата в криолитозопе и прогноза поведения гидратной залежи при изменении термобарических условий. Методические разработки были использованы ОАО «Газпром» для оценки метастабильности газовых гидратов криолитозоны в пределах Бованенковского газоконденсатного месторождения.
Защищаемые положения:
1. Комплексная методика изучения образования гидрата СОг в поровом
пространстве пород при положительных и отрицательных температурах и его
диссоциации при снижении давления ниже равновесного и повышении температуры.
2. Закономерности гидратообразования из жидкого С02 и поровой воды.
-
Закономерности гидратообразования в поровом пространстве пород при положительных и отрицательных температурах и оценка влияния фазовых переходов вода - лед на накопление порового гидрата СОг.
-
Особенности проявления эффекта самоконсервации гидрата СОг в мерзлых породах при снижении давления ниже равновесного.
Апробация результатов исследования. Результаты и основные положения работы представлялись на международных и российских конференциях: Международная конференция «Рудные минералы Мирового океана - перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2006); 11 и 12 Международные конференции по физике и химии льда (Бремерхафен, 2006 и Саппоро, 2010); Международная конференция по газовым гидратам (Иркутск, 2007); Международная конференция по газовым гидратам (Тайвань, 2007); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2009; Девятая Международная конференция по мерзлотоведению (Аляска, 2008); Шестая и Седьмая Международные конференции по газовым гидратам (Ванкувер, 2008 и Эдинбург, 2011); Международная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений» (Москва, 2009); Третья Европейская конференция по мерзлотоведению (Свальбард, 2010); Конференция Европейского геологического союза (Вена, 2010).
Публикации. Основные положения работы изложены в 17 публикациях, в том числе в 1 статье, рекомендованной ВАК и 2 статьях в международных рецензируемых сборниках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 173 страницы текста, состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа содержит 55 рисунков и 31 таблицу. Список использованной литературы включает 44 отечественных и 127 зарубежных наименований.
