Формування покладів газогідратів та їх поширення природних

У покладах газогідратів газ частково або повністю знаходиться в твердому стані гідрату. Для їх формування необхідними умовами є наявність газу і води, знижені температури і певний тиск. Стабільність покладів газогідратів залежить від інтенсивності процесів генера­ції, міграції і дифузійного розсіювання газів в розрізі порід і динаміки температурного режиму в регіоні. Термодинамічна зона утворення і ста­бильного існування гідратів досягає декількох сотів метрів. Верхній кордон існування газогид­ратных покладів в акваторіях зазвичай знаходиться біля по­верхні дна незалежно від складу газу. В межах суші розташування верхнього кордону зони утворення гідрату залежить від складу газу. Наприклад, гідрати сірководню в грунтах з температурою біля 0 °С можуть бути в стабільному стані безпосередньо біля поверхні землі, тоді як для гідратів метану верхня границя розташовується на глибині більше 260 м.

Існують два основні види газогідратних покладів: первинні і вторинні. Первинні – це ті, після формування яких в них не відбувалося циклічних фазових переходів гідрат – вільний газ – вода – гідрат. Вони зазвичай приурочені до аквато­рій, де донні температури змінюються украй повільно. Більшість первинних покладів формується з розчинених у воді пласта газів і знаходиться в придонних відкладах, які характеризуються високою пористістю, низькою температурою і малою міцністю вміщуючих порід. Часто первинні поклади не мають літологічних покришок. Утворений в порах гідрат є «цементом» і служить непроникною покришкою, під якою йде накоп­ичення гідрата. В результаті розкладання гідрата вміщуючі породи можуть перетворюватися на напіврідку масу (зі всіма витікаючими звідси наслідками для інженерних об'єктів, розташованих в зоні гідратоутворення).

Газогідрат в первинних покладах може знаходитися в диспергованому стані або у вигляді моноліту. Первинні поклади займають зазвичай великі площі незалежно від наявності стратиграфічних струк­тур. На нижньому кордоні первинного покладу, що утворюється, немає великих ємкісних змін, порис­тость і проникність порід залишається практично незмінною і досить високою, що необхідно враховувати при виборі методів розробки.

Вторинні поклади газогідратів зазвичай знаходят­ься на материках. Вони формуються з скупчень вільного газу, розташованих під непроникни­ми літологічними покришками, при пониженні температур в розрізі порід нижче рівноважною для даного газу. За геологічний час температура в розрізі порід на материках неодноразово циклічно змінювалася, що приводило до циклічних фазових переходів з утворенням покладів газових гідратів і вільного газу. У перехідний період під газогідратним покладом може існувати поклад вільного газу або нафти. Саме до цієї категорії відноситься Мессояхське родовище, яке знаходиться в завершуючій стадії розкладення гідратів (за рахунок підвищення температури в розрізі порід).В результаті неодноразових фазових переходів на газоводяному контакті вторинних покладів має місце значна кольматація пор (закупорювання пор мікрочастками осадкових порід) з різким зниженням проникності. Саме цей чинник сприяє ефективній розробці газогідратів родовищ шляхом зниження тиску пласта нижче рівноважного.

Зоною утворення гідрата є товща порід, в якій тиск і температура відповідають термодинамічним умовам стабільного існування гідрата газу. Зона гідратоутворення може бути визначена математично шляхом спільного вирішення рівняння зміни термічного градиєн­та в розрізі порід і рівняння рівноважного стабіль­ного існування гідрата в даному пористому середовищі.

З підвищенням мінералізації води зона гідратоутворення зменшується, а за наявності важких газів зростає. Товщина зони гідратоутворення сильно залежить від донних температур і геотермоградиєнта. З підвищенням донних температур і геотермоградиєнта вона зменшується.

Скупчення природних газогідратів на суші при­урочено до охолоджених зон осадкового чохла зем­ної кори. У районах багатолітньої мерзлоти товща порід, в якій існують поклади газогідратів, може досягати 400—800 м, а в деяких випадках перевищує 1000 м. У акваторіях Світового океану зона гідратоутворення починається від дна океану і зазвичай складає декілька сотів метрів. Субмаринні покладу приурочені, головним чином, до глибоководного шельфу і океанічного схилу при глуби­нах води від 200 м – для умов приполяр'я, і від 500 –700 м – для екваторіальних регіонів.

Механізм формування покладів газогідратів визначається багатьма чинниками: термодинамічним режимом розрізу порід в регіоні, інтенсивністью генерації і міграції вуглеводнів, складом газу, ступенем газонасиченості і мінералізації вод пластів, структурою пористого середовища, літологічною характеристикою розрізу, геотермічним градієнтом в зоні гідратоутворення і в підстилаючих породах, фазовим станои гідратоутворювачів і ін.

Перша модель формування газогідратних покладів була дана в роботі «Об одном из возможных механизмов образования залежей природного газа» (Трофимук и др.. Геология и геофизика, 1972 № 9).

Генезис вуглеводнів в осадковому чохлі земної кори і формування покладів газогідратів в аква­ториях Світового океану нерозривно зв'язані, оскільки велика частка вуглеводнів, що генеруються, в донних выдкладах не розсівається, дифундуючи в придонні води, а накопичується у вигляді гідратів в безпосередні близькості від дна, незалежно від наявності літологічних покришок. Накопичення окремих компонентів природного газу в твердій фазі відбувається вже на пер­ших стадіях перетворення органічної речовини при його біохімічному перетворенні, якщо цей процес здійснюється в зоні гідратоутворення.

Верхній кордон зони утворення гідрата в аква­торіях завжди знаходиться в товщі води, нижній – в розрізі порід. Виходячи з термічної характеристики глибоководних районів океану, а також з фактів накопичення більшої частки осадкових порід і органічної речовини в периферичних районах океа­нів, що охоплюють шельфи, континентальні схили і приконтинентальні глибоководні жолоби, слід вважати за найбільш перспективні зони накопичення гідратів газу глибоководні шельфові осади і осади континентального схилу. Що стосується абіс­сальних зон величезного океанського ложа, то осідання, що є тут, дуже бідні органічною речовиною, геотермічні градієнти високі, так що немає підстав пов'язувати з ними серйозні перспек­тивы відносно накопичення гідратів.

Умови стабільного існування покладів газогідратів в межах материків і в акваторіях принципово різні. На поклади газогідратів, що сформувалися в акваторіях, слабий с вплив має зміна температури на поверхні Землі. Навіть при значному зростанні приповерхневої темпера­тури в придонних водах температура залишається практи­чно незмінною. Проте поклади газогідратів в акваторіях схильні до впливу зміни рівня Світового океану, викликаного формуванням значних об'ємів льоду і його таненням за геологічний час. У багатьох районах Світового океану наявність газогідрат­них покладів виявляють на глибині від декількох десятків або навіть сотень метрів від дна, що є результатом зниження рівня океану протягом останніх зледенінь, а також результатом тектонічних і стратигра­фічних переміщень. В період крупних зледенінь рівень Світового океану знижувався при практично незмінних придонних температурах. Зниження гід­ростатичного тиску приводило до розкладання гид­рата в придонних осадах. Придонні осади зазвичай слабо зцементовані і высокопроникні. Газ, вивільняючись при розкладанні гідрата, поступає в придонні води, розчиняється і мігрує в атмосфе­ру, підсилюючи парниковий ефект.

В межах суші стабільно існують лише вторинні поклади газогідратів, що утворилися в пе­риод останнього заледеніння зі скупчень вільного газу, що збереглися під літологічно непроникними покришками.

Спільним результатом динаміки зміни умов стабільного існування покладів газогідратів на суші і в акваторіях є перерозподіл запа­сів газу – в акваторіях зосереджено до 98% і лише близько 2% на материках від загального потенціалу.

Виключно важливу роль при формуванні покладів газових гідратів і вільного газу грає розчинність газу у свіжоконденсованій воді і в пла­стовій воді, яка контактує з гідратом, що утворюється.

Як відомо, всі природні води містять розчинені гази. Саме у системах газ –вода формуються, стабільно існують і руйнуються поклади природних газів і нафти. Сумарний об'єм вуглеводневих газів, розчинених в підземних водах, складає 10¹³ т (Корценштейн, 1984). У надрах Землі розчинений газ виділяється з водного насиченого розчину у вигляді мікробульбашок. В разі сприятливих термобаричних умов скупчення мікробульбашок, об'єднуючись, можуть формувати крупні поклади вільного газу або покладу газогідрата. При вертикальній або латераль­ній міграції газонасичених водних розчинів змінюються тиск, температура і ступінь газона­сиченості розчину, при цьому гази можуть як розчинятися, так і виділятися з розчину. Наявність газогідрата, що контактує з водою пласта, різко змінює структуру води і, як наслідок, розчинність газу у воді знижується.

Вже перші дослідження розчинності природ­них газів у воді в умовах утворення гідрата (Ма­когон, 1971) показали різку зміну співвідношення кількості молекул води і газу до утворення і після утворення гідрата. Подальші дослідження дозволили пояснити умови формування і руйнування покладів вільного газу і газогідратних покладів в системах газ – вода (Макогон і ін., 2001).

Зародження гідрата завжди відбувається на свобод­ній поверхні контакту газ – вода. У недонасиченому газом розчині процес утворення гідрата не може розпочатися. Проте в разі утворення центрів кристалізації (на поверхні мікробульбашок або на поверхні конденсату води в об'ємі газу) може розвинутися активний процес росту кристалів гідрата з формуванням крупних скупчень гідрата з розчиненого газу в недонасиченому розчині. У оса­дковому чохлі порід газові поклади формуються лише з вільного газу, що виділяється з пере­сыченого розчину при зміні тиску і тем­пературы. Поклади газогідратів можуть формуватися і стабільно існувати в умовах дефіциту розчиненого газу у водах пластів. Саме ця властивість води (формувати поклади газогідратів в умовах дефіциту розчиненого газу у воді) забезпечило збереження на Землі величезних ресурсів природних газів в межах акваторій Світового океану за гео­логічний час. Ця ж властивість визначає интер­вали глибин існування газових і газогідратних покладів в різних термобаричних умовах.

При цьому виключно важливу роль грає величина геотермічного градієнта в межах зони утворення гідрата і в підстилаючих породах. Якщо геотермоградіент в підстилаю­чих гідратонасичених породах перевищує його вели­чину в зоні гідратоутворення, відбувається руйнування гідрата на нижньому кордоні покладу. В результаті під покладом газогідрата скупчуватимуться гази у вільному стані. В умовах постійного геотермогра­дієнта в розрізі порід гідрат в пластах в зоні гідратоутворення знаходиться в стабільному стані. Якщо градієнт в підстилаючих породах нижче за його величину в зоні гідратоутворення, відбувається формування гідрата і, відповідно, покладу газогідрата.

Поширення природних газогідратів Дослідження умов утворення, стабільного існування і властивостей гідратів в природних умовах дозволяють упевнено прогнозувати їх наявність в різних регіонах суші і Світового океану. Цілеспрямовані пошукові роботи, що проводяться як на суші, так і в акваторіях, завжди виявляли поклади газогідратів. Зрозуміло, газогідрати не лежать суцільним килимом в термодина­мічній зоні гідратоутворення – одних відповідних температури і тиск недостатньо. Потрібен високий вміст органічної речовини в породах (від 0,5 до 4% і вище), активна генера­ція і міграція вуглеводнів в зону утворення гідрата. Величезні перспективні поклади газогідратів виявлені в межах полярних акваторій на глибинах вод від 200 м, в районах Атлантичного, Індійського і Тихого океанів – на глибинах від 500 – 700 м. Лише в межах Мексиканської затоки выяв­лено більше 70 покладів газогідратів. У акваторії Австра­лії, в районі Нової Каледонії сейсмічна розвідка виявила поклад газогідрата масивом площею більше 80 тис. км² на глибині води від 1 до 4 км. (ОGJ Newslettеr Now., 15, 1999). Запаси газу в гідратному стані тут можуть бути від 20 до 200 трильйонів м³.

Газогідрати широко поширені і в космосі. Вода і різні гази є постійними компонентами в космічному просторі і будь-які природ­ні гази за певних умов в космосі утворюють гідрати. Відзначимо ще раз, що природні газогідрати грали важливу роль при формуванні планет Солнеч­ной системи, їх атмосфери і гідросфери.

На Марсі існує шар гідратонасичених порід завтовшки близько 6 км. Аналіз термобаричних умов показав, що відношення маси води до спільної маси планет на Землі і Марсе однакове. Це ще раз підтверджує, що планети формувалися з единородної початкової речовини. Вода на Марсі існує в рідкому, пароподібному і твердому (у вигляді льоду і гид­рата) станах. Залежно від положення плане­ты, від температури на різних ділянках її поверхно­сти об'єм гідрата змінюється, міняється тиск і маса парів води і газу в атмосфері. Відбувається активне перенесення речовини між полюсами, що супроводжується сильними вітрами і осьовим розгойдуванням планети.

Газ в покладі газогідрата може знаходитися у вільному, звязано- гідратованому і розчиненому стані.

Найбільш складним при оцінці ресурсів газу в складі гідратних покладів є визначення коефіцієнта гідратонасичення. Сучасні сейсмічні методи високої роздільної здатності дозволяють успішно виконати цю роботу.