Лабораторное изучение акустических свойств неконсолидированных образцов, содержащих гидраты метана Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.834

ЛАБОРАТОРНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕКОНСОЛИДИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ, СОДЕРЖАЩИХ ГИДРАТЫ МЕТАНА

Антон Альбертович Дучков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-34-18, e-mail: [email protected]

Альберт Дмитриевич Дучков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Аркадий Николаевич Дробчик

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)333-14-18, e-mail: [email protected]

Никита Александрович Голиков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)333-31-38, e-mail: [email protected]

Михаил Евгеньевич Пермяков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, и. о. зав. лабораторией, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Приводятся результаты лабораторных измерений акустических свойств неконсолидированных образцов, содержащих гидраты метана. Проведена серия экспериментов для образцов с разным начальным содержанием воды, которая затем переходит в гидратную форму. Показана регрессионная зависимость между массой гидрата и скоростями P- и £-волн.

Ключевые слова: гидраты метана, акустические свойства пород, лабораторные измерения.

LABORATORY STUDIES OF ACOUSTIC PROPERTIES OF UNCONSOLIDATED SAMPLES CONTAINING METHANE GAS HYDRATE

Anton А. Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Head of the Laboratory, tel. (383)333-34-18, e-mail: [email protected]

Albert D. Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Doctor of Science, Principal Scientist, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

Arkadii N. Drobchik

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Junior Researcher, tel. (383)333-14-18, e-mail: [email protected]

Nikita А. Golikov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Scientist, tel. (383)333-31-38, e-mail: [email protected]

Mikhail E. Permyakov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Head of the Laboratory, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]

We present the results of laboratory measurements of acoustic properties of unconsolidated samples containing methane hydrate. A series of experiments was carried out for samples with different initial water content, which is further converted into the hydrate. We show regression relation between the hydrate mass and P- and S-wave velocities.

Key words: methane hydrates, acoustic properties of rocks, laboratory experiments.

Большинство скоплений (месторождений) природных газовых гидратов найдено в неконсолидированных донных осадках морей и океанов, где эти скопления обычно связаны с активными подводными газо-флюидными источниками, которые располагаются на глубинах более 300-500 м, включая оз. Байкал (см. [1]). При этом основное внимание обычно уделяется изучению акустических свойств, так как сейсмические методы преимущественно применяются при поисках и разведке скоплений газовых гидратов в морских осадках (см. [2]).

Изучение физических свойств гидратосодержащих осадков проводится в лабораторных условиях с использованием специальных установок, позволяющих моделировать образцы, содержащие гидраты метана, и проводить соответствующие измерения (например, [3]). В 2014 г. авторами была создана первая в России лабораторная установка для изучения акустических свойств гидратосодержащих осадков [4]. В настоящей статье кратко приведены результаты серии экспериментов, проведенных на этой установке, и их анализ.

При формировании гидратосодержащих образцов нами в основном использовался кварцевый песок с размером частиц 0,1-0,5 мм и метан в качестве гидратообразователя. После загрузки ячейки в камеру смесь замораживается до -15 °С, и производится промывка системы метаном для удаления остатков воздуха. Затем в камере устанавливается рабочее поровое давление (порядка 8-10 МПа); для ускорения гидратообразования образец циклически нагревается и охлаждается в диапазоне от +2 до -18 °С, в результате чего вода претерпевает фазовые переходы (вода-лед), а гидрат остается в зоне стабильности. Эксперимент длится 1 -4 суток, в течение него проводились акустические измерения и контроль параметров эксперимента (давление и температура).

Установка позволяет измерять скорости продольных и поперечных волн в процессе образования гидрата метана в песчано-водяной смеси (при осевом и боковом давлении в пределах 15-25 МПа, а поровом давлении порядка 1

0 МПа). Для акустических измерений используются пьезокерамические датчики Р- и 5-волн; датчики имеют резонансную частоту 75 МГц (рабочий частотный диапазон - 300-700 КГц). В качестве источника используется импульс длительностью 1 мкс, запись поля производится с частотой дискретизации 250 МГц. Для обеспечения хорошего контакта пуансонов с неконсолидированными осадками к ним прикладывается осевое давление (не менее 10 МПа). Скорости Р-и 5-волн рассчитываются по ГОСТ 21153.7-75. С учетом повторяемости экспериментов по формированию гидратсодержащих образцов точность определения скоростей составляет 5-6 %. Рассчитав скорости Р- и 5-волн, а также плотность образцов, можно определить коэффициент Пуассона и модуль Юнга.

Большинство экспериментов длительностью 2-4 суток были ориентированы на изучение акустических свойств песчаных образцов, содержащих разное количество гидрата метана. Обычно эти эксперименты включали до 10 циклов замерзания/оттаивания. Развитая система автоматизации эксперимента позволяет проводить такие длительные эксперименты, осуществляя регулярные измерения и сохранение на диск данных по температуре, давлению и акустическим данным. Потом для данных проводилось автоматическое пикирование времен прихода Р- и 5-волн и расчет скоростей.

Результаты измерений скоростей в течение одного из длительных экспериментов показаны на рис. 1. Были проведены 10 циклов изменения температуры (циклов замерзания/оттаивания), ускоряющих формирование гидратов метана. Фазовые переходы «вода-лед» хорошо отслеживаются по изменениям скоростей акустических волн. При замораживании образца скорости растут, при последующем нагревании лед тает и скорости падают. Но с каждым циклом в «оттаявшем» состоянии можно видеть постепенное увеличение скоростей (для Р- и 5-волн), что указывает на формирование метангидратов, остающихся стабильными и при положительной температуре.

л \ \ л \ г V J V /V л J "V _ —Ур —

1 1 V. ✓ обр 10,00

1/ 1 / У 5,00 и а. ?

р а и с -5.Ю 1

-10,00 -15,00 20,00

Ч

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00

Время, ч

Рис. 1. Результаты измерений скоростей Р-волн (синий график), 5-волн (красный график) и температуры (зеленый график) в процессе длительного эксперимента по формированию гидрата метана в песчаном образце

Из графиков видно, что по мере увеличения количества газогидрата нижний предел изменения скорости на каждом температурном цикле увеличивается от 1000 до 3340 м/с для Р- волн и от 720 до 2020 м/с для 5-волн. В конце эксперимента (35-39 часов) скоростные различия между интервалами с положительной и негативной температурами почти исчезают. Так, к концу эксперимента скорости продольных и поперечных волн оставались высокими, меняясь примерно на 50 м/с при отрицательных и положительных температурах. Стабильная акустическая картина при переходе температуры образца через ноль является индикатором почти полной наработки гидрата (в образце не остается воды, которая может замерзать или таять).

Была проведена серия экспериментов по созданию гидратов метана в образцах песка с различным начальным удельным содержанием воды. Примерно рассчитать массу гидрата (Мг), наработанного в процессе эксперимента, можно по первоначальному содержанию воды или льда в образце (верхняя оценка) или по измеренному объему газа, выделившегося из образца после завершения эксперимента (нижняя оценка). Значения Мг, рассчитанные обоими способами, показывают в большинстве случаев их хорошее совпадение.

По результатам каждого эксперимента получаются оценки удельного содержания воды в начальном образце, массы образовавшегося гидрата, скоростей продольных и поперечных волн, а также коэффициентов Пуассона и модуля Юнга. По результатам самых надежных экспериментов были построены зависимости скоростей Р- и 5-волн (в образцах с максимальным содержанием гидрата метана) от верхних (по воде) оценок массы гидрата в образцах (рис. 2). Данные свидетельствуют о существовании корреляции между параметрами: чем больше гидрата образуется в образце, тем выше значения скоростей. При построении зависимости на рис. 2 не учитывались данные по скоростям для образцов со значительным начальным содержанием поровой влаги, так как в таких образцах не происходило полной наработки гидрата за время эксперимента (в конце эксперимента отмечались заметные изменения скоростей при переходе через нулевую температуру).

В качестве заключения отметим, что в статье кратко приведены описание и результаты экспериментов на лабораторной установке по формированию гидратов метана в неконсолидированных осадках и изучению их акустических свойств. Тестирование установки на повторяемость акустических свойств образцов при одинаковой их подготовке показали, что точность измерения скоростей для неконсолидированных песчаных образцов составляет 5-6 % (при сохранении постоянного осевого давления). Акустические записи для различных циклов замерзания/оттаивания показывают хорошую повторяемость волновых форм, указывающую на то, что удалось добиться устойчивого контакта датчика с образцом в течение длительных экспериментов. Это подтверждает пригодность установки для проведения успешных экспериментов по формированию гидратосодержащих образцов и измерению их акустических свойств.

5000

4500

4000

■¿i 3500 s

jT

t 3000 o

EL

o

5 2500 2000 1500 1000

V • maxVp (м/с) • = 485,96х +2855,9 R2 = 0,7487 * .........■"■"Ti

%.........

.....•*

• • = 265,38х +1861,5

• • Rz = 0,692

0,5

1,5 2 2,5

Масса гидрата, г

3,5

Рис. 2. Сопоставление скоростей Р- и S-волн с оценками массы гидрата в образцах, полученными по количеству воды в начальном образце

Акустические измерения гидратосодержащих образцов, подготовленных по описанной выше методике, показали увеличение скоростей при формировании метангидратов в порах до значений, характерных для замерзших образцов. Это является косвенным признаком того, что сформировавшиеся газовые гидраты - «цементирующего» типа, т. е. они образуются на контакте зерен, эффективно связывая минеральные зерна друг с другом. Данные свидетельствуют о существовании корреляции между скоростями Р- и S-волн и массой образовавшегося метангидрата в образце.

Серию этих экспериментов планируется продолжить для выявления более надежных связей между параметрами. В частности, планируется увеличить время эксперимента и опробовать альтернативные способы формирования гид-ратосодержащего образца для случая высокого уровня начального флюидона-сыщения. Подробный анализ полученных результатов и их интерпретация с точки зрения связей между параметрами и механических свойств будут возможны при увеличении массива данных.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-17-00511) в ИНГГ СО РАН и ИНХ СО РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. - СПб: ВНИИОкеан-геология, 1994. - 199 с.

2. Riedel M., Willoughby E.C., Chopra S. (Eds.). Geophysical characterization of gas hydrates (SEG Geophysical Developments Series; No. 14). Tulsa: SEG, 2010, 390 p.

3. Waite W.F., Santamarina J.C., Cortes D.D. et al. Physical properties of hydrate-bearing sediments // Reviews of Geophysics. - 2009. Vol. 47. RG4003, P. 1-38.

4. Дучков А.Д., Голиков Н.А., Дучков А.А., Манаков А.Ю., Пермяков М.Е., Дробчик А.Н. Аппаратура для изучения акустических свойств гидратосодержащих пород в лабораторных условиях // Сейсмические приборы. - 2015. - Т. 51. - № 2. - С. 44-55.

© А. А. Дучков, А. Д. Дучков, А. Н. Дробчик, Н. А. Голиков, М. Е. Пермяков, 2016