Диссертация: Закономерности изменения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при различных термобарических условиях

Актуальность исследований. Одной из возможных форм нахождения газовой составляющей в мерзлых породах являются газовые гидраты, которые представляют собой льдоподобные соединения воды и газа. К настоящему времени в природе выявлено достаточно много газогидратных скоплений, в том числе и в областях распространения многолетнемерзлых пород. Наличие газовых гидратов в мерзлых толщах оказывает существенное влияние на их свойства, строение, а также поведение и условия существования. Кроме того, крупные скопления газовых гидратов в толще мерзлых пород и в подмерзлотных горизонтах могут рассматриваться как нетрадиционные источники энергии.
Несмотря на большой практический интерес к проблеме газовых гидратов в криолитозоне, их выделение и картирование в мерзлых толщах затруднительно традиционными геофизическими методами. В основном это связано со схожестью большинства физических характеристик для гидратных и ледяных образований в горных породах. Поэтому в настоящее время наличие природных газовых гидратов в многолетнемерзлом разрезе устанавливают в основном в лабораторных условиях по комплексу специальных методов исследования кернов (рентгеноструктурный, спектральный анализы), либо по ряду косвенных признаков (интенсивное газовыделение при высокой льдонасыщенности, шипение и растрескивание при нагревании, тепловые аномалии и др.).
Исходя из этого, проведение экспериментальных исследований, направленных на изучение параметров и характеристик, имеющих резкие отличия для льда и гидрата, в частности теплопроводности, являются актуальными.
Цель работы заключается в экспериментальном изучении закономерностей изменения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при различных фазовых переходах поровой влаги.
Основные задачи исследования:
1. Разработать методику изучения теплопроводности газо- и гидратонасыщенных пород при различных термобарических условиях;
2. Выявить закономерности изменения теплопроводности газонасыщенных дисперсных пород при различных условиях гидратонакопления;
3. Оценить влияние процессов промерзания и протаивания на теплопроводность гидратонасыщенных пород при давлениях выше равновесного;
4. Установить закономерности изменения теплопроводности мерзлых гидратосодержащих пород в неравновесном состоянии;
5. Выявить особенности изменения теплопроводности газосодержащих охлажденных и мерзлых пород в субаквальных условиях.
Фактический материал и личный вклад автора.
В основу диссертационной работы положены результаты экспериментальных исследований, проведѐнных автором в составе экспериментальной группы на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с 2006 по 2012 гг., а также фактические материалы, полученные в ходе двух международных научных экспедиций по изучению метанового потенциала морей Восточной Арктики, организованных ТОИ ДВО РАН в 2011-2012 гг.
При непосредственном участии автора в лаборатории кафедры геокриологии было проведено, обработано и проанализировано более 40 длительных экспериментов (продолжительность отдельных опытов достигала 3 и более месяцев). Было выполнено более 500 определений газо- и гидратосодержания и более 1000 измерений теплопроводности в дисперсных породах.
Методика исследования.
Основным методом исследования в работе являлось физическое моделирование гидратосодержащих грунтов и определение их теплопроводности методами цилиндрического зонда постоянной мощности и стационарного теплового режима. Для оценки параметров гидратосодержания образцов в барокамере использовался PVT метод. Гидратосодержание мерзлых грунтов в условиях самоконсервации при атмосферном давлении определялось методом измерения удельного газосодержания при оттаивании грунта в насыщенном растворе NaCl.
Основные физические свойства пород (влажность, плотность, пористость и др.) определялись по стандартным методикам, принятым в грунтоведении.
Научная новизна исследования:
1. Разработана методика изучения теплопроводности газо- и гидратосодержащих пород при гидратонасыщении, замораживании, оттаивании, а также при условии проявления самоконсервации поровых газовых гидратов.
2. Выявлены закономерности изменения теплопроводности пород при гидратонакоплении в условиях отрицательных и положительных температур, в процессе замерзания и оттаивания, а также в условиях проявления эффекта самоконсервации.
3. Предложены модели структурно-текстурных преобразований газонасыщенных пород для объяснения закономерностей изменения теплопроводности при различных условиях гидратонакопления.
4. Получены данные по теплопроводности охлажденной толщи донных отложений арктического шельфа в пределах моря Лаптевых.
Практическая значимость исследования:
Полученные данные могут быть использованы для моделирования процессов гидратообразования в криолитозоне, а также для количественной оценке процессов диссоциации газогидратных скоплений в толщах мерзлых пород при техногенном воздействии. Помимо этого экспериментальные данные по теплопроводности газо- и гидратонасыщенных пород необходимы для расчета ореолов оттаивания при тепловом воздействии, вызванном бурением и эксплуатацией скважин.
Полученные экспериментальные данные создают предпосылки для разработки нового метода диагностики и выявления газогидратных скоплений в разрезе мерзлых пород, основанного на различии теплопроводности гидрата и льда.
Защищаемые положения:
1. Разработанная комплексная методика, позволяющая исследовать теплопроводность газо- и гидратосодержащих пород в широком диапазоне положительных и отрицательных температур при различных давлениях.
2. Основными факторами, оказывающими принципиальное влияние на направленность изменений теплопроводности гидратосодержащих пород, являются температурные условия гидратонакопления, промораживание, оттаивание.
3. При проявлении самоконсервации газовых гидратов теплопроводность мерзлых гидратосодержащих пород определяется кинетикой диссоциации порового гидрата, гидрато- и льдонасыщенностью, а также структурно-текстурными изменениями.
4. Измеренная теплопроводность охлажденной толщи пород арктического шельфа (на примере моря Лаптевых) контролируется дисперсностью, степенью литификации и фазовым составом поровой влаги.