Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие представления о перспективах газоносности гидратосодержащих отложений и мировая практика опытно-методических работ на континентальные газогидраты
1. Существующие представления об условиях формирования, физико-химических и геологических особенностях гидратосодержащих отложений
2. Мировая практика опытно-методических работ на континентальные газогидраты
Глава 2. Факторы, контролирующие формирование газогидратных скоплений в областях распространения многолетнемерзлых пород 32
1. Климатические и термобарическими факторы
2. Геологические факторы 38
Глава 3. Природные и геолого-структурные условия надсєноманского разреза района исследования, определяющие его гидратоностость 44
1. Структурно-тектоническое и геологическое строение района исследования 44
2. Характеристика природных и геокриологических условий территории севера Западной Сибири 51
3. Цитологические и геохимические особенности пород и характериcтика пластовых флюидов надсєноманского разреза района исследований
Глава 4. Метод оценки ресурсов газа в гидратосодержащих пластах 77
Глава 5. Перспективы освоения и ресурсный потенциал надсєноманского разреза севера Западной Сибири 86
1. Закономерности гидратопроявлении в надсеноманскои части разреза района исследования
2. Районирование территории исследований по перспективам вовлечения в разработку надсеноманскои части разреза
Выводы
- Существующие представления об условиях формирования, физико-химических и геологических особенностях гидратосодержащих отложений
- Климатические и термобарическими факторы
- Структурно-тектоническое и геологическое строение района исследования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время интерес к нетрадиционным источникам природного газа растет во всем мире, что обусловлено такими факторами, как истощение традиционных месторождений вблизи основных регионов-потребителей газа, огромными прогнозными ресурсами газа нетрадиционных источников и их широким распространением в земной коре.
Наиболее перспективными для вовлечения в разработку среди нетрадиционных источников газа, наряду с угольным метаном, сланцевым газом и газом плотных коллекторов, являются природные газогидраты.
Во-первых, прогнозные ресурсы газа в газогидратных скоплениях по существующим оценкам превышают ресурсы газа традиционных месторождений. В связи с этим за рубежом крупные скопления газогидратов являются объектами специализированных опытно-методических работ и планируются к промышленной разработке в ближайшем будущем.
Во-вторых, большинство базовых уникальных по запасам газовых месторождений на севере Западной Сибири вступили в стадию падающей добычи. Существующая в их ареалах добывающая и транспортная инфраструктура может быть использована еще длительное время при условии загрузки новыми объемами газа, которые, в том числе, могут быть получены из надсено-манских гидратосодержащих отложений.
В-третьих, скопления газогидратов могут быть индикаторами интенсивных перетоков газа, связанных с глубокозалегающими нефтегазовыми месторождениями.
И, наконец, при освоении месторождений в северных регионах изучение гидратонасыщенности отложений имеет важное значение для предотвращения аварийных ситуаций, связанных с разложением пластовых газогидратов.
Поэтому оценка перспектив гидратоносности надсеноманских отложений севера Западной Сибири является актуальной темой исследований.
Цель работы - оценка перспектив гидратоносности надсеноманских отложений севера Западной Сибири для обоснования постановки опытно-методических работ на источник газа.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
анализ современных представлений о перспективах газоносности гидра-тосодержащих пластов и мирового опыта их исследований;
обоснование факторов, определяющих перспективность гидратоносности надсеноманского разреза севера Западной Сибири как потенциального источника нетрадиционных углеводородов;
анализ геологических, геокриологических и термобарических условий образования и консервации газогидратов в разрезе надсеноманских отложений севера Западной Сибири;
выявление источников газа при формировании гидратосодержащих интервалов в разрезе надсеноманских отложений;
адаптация объемного метода оценки ресурсов газа для гидратосодержащих пластов;
оценка ресурсного потенциала гидратосодержащих интервалов разреза надсеноманских отложений севера Западной Сибири;
обоснование и выбор первоочередных объектов для постановки опытно-методических работ на природные газогидраты в районе исследований.
Научная новизна работы.
Определены условия образования, консервации и распространения в разрезе газовых скоплений в газогидратной форме в надсеноманских отложениях севера Западной Сибири. На основе проведенных исследований с использованием материалов, характеризующих термобарический режим надсеноманских отложений, установлены закономерности газогидратонакопления и выполнена оценка перспектив гидратоносности надсеноманских отложений. Разработаны рекомендации по проведению опытно-методических работ и даны предложения по выбору первоочередных объектов поиска и разведки континентальных газогидратных скоплений в России.
Основные защищаемые положения:
Обоснование факторов, контролирующих процессы образования газогидратов и формирования их скоплений в районах распространения многолетнемерзлых пород на севере Западной Сибири.
Районирование территории севера Западной Сибири по перспективам газогидратоносности и оценка масштабов накопления газа в разрезе надсеноманских отложений.
Обоснование рекомендаций по выбору первоочередных объектов -опытных полигонов для поиска и разведки континентальных газогидрат-ных скоплений на севере Западной Сибири.
Практическая значимость результатов работы.
Результаты оценки перспектив гидратоносности надсеноманских отложений и обоснования выбора первоочередных объектов проведения опытно-методических работ могут быть использованы ОАО «Газпром» при проведении поисково-разведочных работ на севере Западной Сибири.
Результаты прогноза гидратоносности разреза и обоснование закономерностей распространения гидратосодержащих горизонтов имеют важное практическое значение для предотвращения осложнений при их вскрытии и проходке разведочными и эксплуатационными скважинами.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались автором на второй Международной конференции «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа» (1998), XV Губкинских чтениях (1999), Международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (2004), 5th International Conference on Gas Hydrates, Норвегия (2005), третьей конференции геокриологов России (2005), Международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли» (2005), 2nd European Conference on Permafrost, Германия (2006), Международной научно-технической конференции «Нефть, газ Арктики» (2006), Международной конференции «Газогидратные исследования»
(2007), Международной конференции «Полезные ископаемые Мирового океана - 3» (2006), 1 Международной конференции «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения» (2007), Международной конференции «Полезные ископаемые Мирового океана - 4» (2008).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 17 работ, в т.ч. 1 - в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы.
Существующие представления об условиях формирования, физико-химических и геологических особенностях гидратосодержащих отложений
Газовые гидраты - твердые кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды (а также водного раствора, льда, водяных паров) и газов с низкой молекулярной массой (метана, этана, пропана, изобутана, азота, диоксида углерода, сероводорода, водорода и многокомпонентных природных газовых смесей). Это клатратные, нестехиометрические соединения (т.е. соединения переменного состава) по внешнему виду напоминающие рыхлый лед или снег.
Химическая (клатратная) природа газовых гидратов была понята после рент-геноструктурных исследований и нейтронографических исследований в 40-60 гг. прошлого столетия. Само понятие и термин «клатрат» в его современном толковании были введены в 1947 г. Г. Пауэллом (Powell, 1948). При помощи рентгеност-руктурного анализа он показал, что «молекулы-гости» удерживаются в полостях кристаллического каркаса, состоящего из «молекул-хозяев» при помощи ван-дер-ваальсовых сил без химического взаимодействия между ними. В 50-е годы прошлого столетия структура многих гидратов была определена при помощи рентге-ноструктурных исследований и кристаллохимического моделирования такими специалистами как: М. Штакельберг, В.Клауссен, Л. Полинг, Р. Марш (Von Stackelberg, 1949; Claussen, 1951; Pauling, Marsh, 1952).
Первоначально термодинамические модели газовых гидратов разработали Я. Ван-дер-Ваальс и Р. Баррер и У.Стюарт (1956 - 1962 г.г.) по аналогии с теориями мономолекулярной адсорбции (Van der Waals, Platteuw, 1959; Barrer, Stuart, 1957). Газогидратную природу «ледяных» пробок при положительных температурах в газопроводах, транспортирующих неосушенный попутный нефтяной газ, впервые описал американский специалист Е.Г.Хаммершмидт (Hammerschmidt, 1934) в 1934 году, предложивший ингибиторные методы борьбы с гидратами в промысловых трубопроводах.
Возможность образования газогидратов в пористых средах, а, следовательно, и в природных условиях, была показана в лабораторных исследованиях под руководством Ю.Ф. Макогона (1966). Результаты исследований В.Г. Васильева, А.А. Трофимука, Н.В. Черского, В.П. Царева, СП. Никитина, Ф.Г. Требина и др. с оценкой масштабов газогндратообразования в природных условиях, впоследствии оформлены как научное открытие (Васильев и др., 1970).
Приоритет в отборе керна природных газогидратов из морских отложений также принадлежит отечественным ученым. Сотрудники ВНИИГАЗа А.Г. Ефремова и Б.П. Жижченко при донном пробоотборе в глубоководной части Черного моря в 1972 году визуально наблюдали вкрапления гидратов в кавернах извлеченного со дна фунта (Ефремова, Жижченко, 1974). Фактически, это первое, официально признанное в мире наблюдение природных газовых гидратов в осадочных отложениях. На основе их исследований в США были разработаны первые методы отбора образцов субмаринных газогидратов. Позже А. Г. Ефремова, также впервые в мире установила гидратоносность донных отложений Каспийском моря (Ефремова и др., 1979), что позволило позднее при более детальных исследованиях (Гинсбург, Соловьев и др., 1992) выделить в Южном Каспии гидратоносную провинцию, связанную с грязевым вулканизмом.
Исследования газовых гидратов расширялись и их итоги отражены в публикациях многих исследователей: С.Ш. Бык (1980) , В.И. Фомина (1980), Д.Ю. Сту-пин, Э.В. Маленко, А.Г. Гройсман (1985, 1990), В.Р. Белослудов (1987, 1988) и др. Позднее- Ю.А. Дядин (1986, 1999-2007), Ф.А. Кузнецов, В.И. Косяков, В.Л. Богатырев, Т.В. Родионова, Д.В. Солдатов, Е.Ж. Ларионов, Ф.В. Журко, В.Г. Мартынец, П.П. Безверхий, Э.А. Бондарев, Э.Д. Ершов, Е.М. Чувилин (1989-2009), Г.Д. Гинсбург (1989, 1990, 1994, 2000), В.А. Соловьев (1989, 1990, 1994, 2000), Н.Н. Романовский (1986, 1988-2007), В.А. Истомин (1985, 1989-2007), А.Н. Нестеров (2000-2007), B.C. Якушев (1986, 1988-2009), Е.В. Перлова (1998-2009), В.Г. Квон (1985, 1989, 2000-2007), А.Ю. Монаков (1999-2007), А.Д. Дучков (2002), СЕ. Агалаков (1987-2004), Б.М. Валяев (2002), Ю.А. Бяков (2004), Т.В. Матвеева (2002, 2003), Л.Л. Мазуренко (2003), А.В. Егоров (2004), К.С Басниев (2004), А.И. Обжиров (2002, 2004), О.М. Хлыстов (2002-2009), за рубежом - Д. Давидсон. (1978, 1984, 1986), Т.С. Коллетт, (1983, 1988, 1996, 1999) К.А. Квенволден. (1988, 1996, 1998), СР. Деллимор, (1996, 1999). Е.Д. Слоан (1987, 1997), М.А. Ховланд (1997, 2002), Т. Учида (2002), Т.Эбинума (2004), X. Нарита (2004), Я.Х. Ханда (1986-), Дж.Д. Хол-дер (1982-), Б. Тохиди (2000 - 2004), А. Вассилев (2002), Л. Димитров (2002), Р. Сассен (2001), А.Б. Милков (2000-2004) и др.
Исследованиями природных газогидратов на севере Западной Сибири занимались, в основном, СЕ. Агалаков с соавторами, чьи данные мы привлекали в данной работе.
По своему химическому составу существуют как газогидраты индивидуальных газов, которые могут быть описаны общей формулой М#лН20 (М-молекула газа- гидратообразователя, п- гидратное число), так и смешанные гадраты, в состав которых входят несколько газов - гидратообразователей. Число п, характеризующее состав гидрата, т.е. количество молей воды, приходящихся на моль включенного газа (либо моль смеси газов, если речь идет о смешанных гидратах) - величина переменная и зависящая, в основном, от термобарических условий получения гидратов. Она может меняться в широких пределах от 6 до 19 (а по последним данным и значительно выше). Состав природных газогидратов зависит от степени заполнения полостей в газогидратных каркасах и может быть рассчитан по данным фазовых равновесий. Для газогидратов, образованных из природных газовых смесей, характерные значения гидратных чисел л = 6 -н 7 (для метана при умеренных давлениях п «6,1) (Истомин, Якушев, 1992). Наиболее распространенными в природе газогидратами (и соответственно, наиболее интересными для нас с практической точки зрения) являются гидраты метана, которые и будут рассматриваться в работе в дальнейшем.
В естественных условиях газогидраты природных газов образуются из многокомпонентных углеводородных смесей и в зависимости от состава газовой фазы могут образовываться гидраты двух кубических структур. Природные газы моно газовых месторождений, например, сеноманские газы Западной Сибири (содержание пропана и изобутана в сумме менее 0,4 %), а также газы, содержащие значительное количество неорганических примесей (H2S, С02) образуют гидраты структуры KC-I, в то время как для газов газоконденсатных месторождений характерно образование структуры КС-П (Кузнецов, Истомин, Родионова, 2003). Кроме того, на оз. Байкал из придонных гидратосодержащих осадков был поднят образец газогидрата, где на расстоянии 10 см были зафиксированы две структуры (KC-I и КС-II) непосредственно в одном образце (Kida, Khlystov, et.al, 2006). Гидрат структуры КС-П имел примесь этана, что обусловило его образование. В образовании KC-I участвовал чистый метан. Состав газа и кристаллографический анализ показали участие в формировании образца двух различных источников газа, как биохимического, так катагенного генезиса.- Эта находка должна послужить толчком к развитию новых представлений о гидратообразовании в природных условиях.
В нефтегазовых системах принципиально возможно образование газогидратов гексагональной структуры ГС-Ш. Доказательством этого факта служит подъем образцов грунта, содержащего гидраты данной структуры, рядом с нефтегазовым месторождением Джоллиет в Мексиканском заливе (Sassen, MacDonald, 1994). Другие структуры гидратов могут реализовываться как метастабильные.
История отечественных и зарубежных физико - химических исследований газовых гидратов рассмотрена в публикациях В.А.Истомина и В.СЯкушева (2000, 2001) в которых приведены основные результаты фундаментальных исследований гидратов в России, а также рассмотрены актуальные проблемы физико-химических исследований.
К основным направлениям физико - химических исследований газовых гидратов можно отнести следующие:
1) Разработка термодинамических моделей газовых гидратов, исследования фазовых равновесий и параметров гидратообразования. Первая простейшая термодинамическая модель газогидратов была разработана еще в середине прошлого века Я. Ван-дер-Ваальсом и Р. Баррером (1956-1962 гг.). Однако первую термодинамическую модель, которая легла в основу практически всех последующих работ по моделированию газогидратных равновесий, построили В. Пэрриш и Дж. Праустниц (1972 г.). Значительный интерес представляют опубликованные позже работы Г. Гуо с соавторами (1992), Дж. Манка и П. Рас-смуссена (1988), А. Данеша и А. Тодда (1994), Б. Тохиди с соавторами (1996-2003),а также А.Г. Малышева, В.Р. Белослудова (1991), Ю.А. Дядина (1991, 1998) и В.А. Истомина. На современном этапе исследований наибольший инте pec представляет изучение поведения газогидратов в пористых средах (песках, супесях, глинах) и сопоставление полученных результатов с модельными дисперсными средами. В этом направлении ведутся исследования групп Е.М. Чу-вилина, Б. Тохиди и Т. Эбинумы.
2) Исследования кинетики процессов образования и разложения газовых гидратов и морфологии наиболее полно проводились в 80-е годы группой профессора П. Бишнои (1987, 1989), а позднее профессором Е. Слоаном (1997), который в настоящее время изучает особенности гидратообразования в водных растворах полимеров. Исследования гистерезисных эффектов при образовании и разложении гидратов в пористых средах ведет группа Б. Тохиди. В России ранее кинетикой процессов гидратообразования занимались А.А. Краснов, Ю.Ф. Ма-кагон, Э.В. Маленко, А.Г. Гройсман, Д.Ю. Ступин. В настоящее время данной тематике посвящены исследования Е.М. Чувилина - вопросы гидратообразования в дисперсных средах, В.П. Мельникова и А.Н. Нестерова (1989, 2006) -изучение влияния добавок ПАВ на кинетику гидратообразования, а также эффекты разложения газогидратов с получением метастабильных фаз.
3) Изучение стабильности газовых гидратов, их консервации и самоконсервации.
В последнее время большую актуальность приобрели исследования кинетических аспектов разложения газогидратов. Кинетику разложения гидратов при отрицательных (по Цельсию) температурах изучали еще Д. Давидсон (1986) и Я. Ханда (1988). Они отметили, что при повышении температуры диссоциации газогидраты разлагаются не полностью. Похожие исследования проводились в России Е.М. Чувилиным, Ю.П. Лебеденко и др. (1989), В.А. Истоминым и др. (1988, 1992). Они показали, что при разложении гидрата, на его поверхности образовывается пленка льда, препятствующая дальнейшему разложения образца. Это явление получило название эффекта самоконсервации. Другим направлением исследований В.А. Истомина и Е.М. Чувилина с соавторами стало изучение эффекта принудительной консервации - замедления разложения газогидрата за счет покрытия его термодинамически стабильным слоем другой твердой фазы. Исследованиями механизма перехода гидрата в лед при эффекте самокон сервации занимались также В.П. Мельников и А.Н. Нестеров (2003), предположивших двухступенчатый переход гидрата в лед через метастабильную воду.
Открытие данных эффектов имеет большое значение для технологий добычи, хранения и транспорта газа, а также обосновывает возможность длительной сохранности природных газогидратов, в том числе вне зон стабильности гидратов (ЗСГ) - реликтовых (метастабильных) газогидратов. Так, группа Дж. Гудмундсена (1996) провела ряд экспериментов по возможностям и разработке технологии хранения и транспорта газа в гидратном состоянии при отрицательных температурах.
Природные (естественные) гидраты метана могут образовывать скопления (как на суше, так и под дном морей), имеющие в перспективе промышленное значение, а также находиться в рассеянном состоянии (Соловьев и др., 1987; Гинсбург, Соловьев, 1998).
Образование и накопление газогидратов в земной коре происходит в ЗСГ природного газа. Долгое время этот термин был дискуссионным, однако в данной работе под ЗСГ понимается та часть литосферы и гидросферы Земли, где термобарический и геохимический режимы соответствуют условиям образования и устойчивого существования гидратов газа определенного состава. При этом следует отметить, что наличие ЗСГ в разрезе не говорит об обязательном нахождении газогидратов в данном интервале. Для этого необходимо помимо благоприятного сочетания термобарических и геохимических условий также наличие достаточных объемов газа-гидратообразователя.
Термодинамические условия, необходимые для формирования ЗСГ метана на континентах, существуют в полярных регионах в зоне распространения много-летнемерзлых пород (ММП) мощностью не менее 250-300 м. Это всегда является следствием длительного и глубокого охлаждения разреза пород. При этом, мощность ЗСГ метана обычно пропорциональна мощности ММП. Помимо термобарических условий, для формирования газогидратов необходимо наличие газонасыщенных пород. Газогидраты могут возникать в промерзающих влажных газосо-держащих породах при достижении термобарических условий гидратообразования, а также в мерзлых и охлажденных газосодержащих породах криолитозоны в пределах современной ЗСГ. На равновесные условия гидратообразования влияют так же минерализация порового раствора, состав газа-гидратообразователя, наличие глинистых частиц и органических примесей.
В последнее время, в связи с появлением новых данных о реликтовых газогидратах в многолетнемерзлых отложениях, залегающих существенно выше кровли современной ЗСГ, появилась необходимость введения нового термина - «зона существования газовых гидратов в метастабильном состоянии» или, короче, «зона метастабильности газогидратов (ЗМГ)». Под ЗМГ следует понимать часть разреза многолетнемерзлых пород выше кровли зоны стабильности гидратов, в которой температурный режим пород соответствует условиям самоконсервации газовых гидратов при отрицательных температурах. Это часть многолетнемерзлого разреза, где газовые гидраты не могут образовываться, но могут существовать в метастабильном (законсервированном) состоянии геологически длительное время при условии сохранения льда в разрезе. Именно с реликтовыми гидратами в сочетании со свободным газом связаны внутримерзлотные скопления газа.
Реликтовые газогидраты, по всей вероятности образовались в прошлом и существуют в настоящее время благодаря эффекту самоконсервации газогидратов. Он заключается в том, что если монолитный газогидрат, полученный при обычных равновесных условиях, охладить до температуры ниже О С и сбросить давление над ним до атмосферного, то после первичного поверхностного разложения, газогидрат самоизолируется от окружающей среды тонкой пленкой льда, препятствующей дальнейшему разложению. Результаты этих исследований подтвердили существование гидратов метана в "законсервированном" виде в мерзлой толще, а также позволили установить новый тип газогидратных скоплений - реликтовые га-зогидратные скопления, распространенные вне современной ЗСГ. Такие скопления из-за малой глубины залегания и метастабильного состояния наиболее склонны к активному разложению при изменении термобарических условий их залегания (Истомин, Якушев, 1992; Чувилин, Перлова, 1998 и др.).
На настоящий момент известно несколько регионов, где континентальные газогидраты были обнаружены либо путем отбора керна, либо при анализе каротажных данных: северный склон Аляски, дельта р. Маккензи, Арктические острова Канады, Мессояхское ГКМ, Восточная Сибирь (устье р. Оленек), Западная Сибирь (р-н Ямбургского и Заполярного НГКМ), Западная Якутия. На северном склоне Аляски в районе нефтяных месторождений Купарук Ри-вер и Прадхо-Бей по результатам исследований керна выделено шесть гидратосо-держащих горизонтов с различной степенью гидратонасыщенности, которая увеличивается по падению пласта. Изотопный анализ газа показал, что в формировании газогидратов участвовал как местный, биохимический газ, так и катагенный, мигрировавший снизу (Collett et al, 1983, 1988, 1990).
В районе дельта р. Макензи проводились наиболее полные в континентальных условиях исследования газогидратов. Первые газопроявления во время бурения добывающих скважин здесь были отмечены еще в 70-х годах (Bily, Dick, 1974). В ходе каротажных исследований было установлено, что суммарная мощность гид-ратосодержащих слоев достигает 110 м (Dallimore, Collett, 1999). В последующем, в центральной части дельты, было идентифицировано еще пять потенциально гидра-тоносных слоев и получены образцы мерзлого гидратосодержащего керна.
На Канадском арктическом архипелаге при проведении каротажных исследований также зафиксированы гидратосодержащне прослои в высокопористых песках. При этом мощность ЗСГ метана достигает 1800 м (Judge, 1982).
Одним из первых объектов газогидратных исследований в России стало Мессояхское газовое месторождение в Западной Сибири. Вопросами его гидрато-носности занимались Н.В.Черский, Г.Д.Гинсбург, В.П.Царев, Ю.Ф.Макагон и др. Сначала предполагалось, что гидраты содержаться в толще верхнего продуктивного горизонта на глубинах 810-830 м. Однако более поздние исследования (Гинс-бург и др. 2000) говорят о сильно завышенных оценках гидратосодержания. Высказано предположение, что гидраты образуются в призабойной зоне при депрессии на пласт, т.е. имеют техногенное происхождение. Однако по другим исследованиям (Закиров, 1989) не отрицается возможность нахождения газа в гидратной форме в пластах Мессояхского месторождения, однако объемы его не превышают 5 % запасов.
В устье реки Оленек (Улахан-Юряхинская площадь) гидратосодержащне породы залегают в интервале глубин 300-780 м в пределах современной ЗСГ как в мерзлых породах, так и в подмерзлотных отложениях (Черский, Царев, 1973).
На Ямбургском и Заполярном месторождениях Западной Сибири в верхней части разреза отмечены газопроявления различной интенсивности, по ряду призна ков, свидетельствующие о наличии в разрезе- мерзлых пород мощностью до 500 м скоплений газогидратов (Якушев, Перлова, 2005). Наиболее интенсивные газопроявления отмечены на Бованенковском месторождении п-ва Ямал в интервале глубин 50-130 м. Здесь мощность ММП составляет около 200 м. Проведенные исследования мерзлого керна показали наличие реликтовых газогидратов (Чувилин, Перлова и др., 1996-2000).
Климатические и термобарическими факторы
Для определения перспектив разработки скоплений континентальных газогидратов необходима постановка специализированных комплексных опытно-методических работ. Как показывает опыт последних лет, работы, направленные на картирование скопления и оценку ресурсов газогидратного газа, а также экспериментальную добычу с апробацией различных методов разработки скопления, должны проводиться в несколько этапов, включающих полевые (сейсмические работы, бурение исследовательских скважин, проведение комплекса ГИС и т.д.) и лабораторные исследования.
На стадии полевых работ проводится 2-D/3-D сейсмические исследования для выявления и картирования перспективных резервуаров; бурение разведочных скважин с отбором керна специальным керноотборником, опробованием его на присутствие газогидратов, проведением комплекса специальных скважинных исследований с целью определения площадного распространения и особенностей залегания гидратосодержащих пород.
Следующая стадия - лабораторные исследования - включают в себя петрофи-зические, изотопно-геохимические, геофизические, микробиологические и др. исследования гидратосодержащих кернов, а также исследованиями по оценке перспектив гидратоносности при моделировании резервуара с учетом оценки пористости, проницаемости, фазового поведения флюида, оценки ухудшения коллектор-ских свойств пласта при разложении газовых гидратов и т.д.
На основе результатов полевых и лабораторных исследований определяется место и интервалы для проведения экспериментальной добычи газогидратного газа. В ходе экспериментальной добычи проводится тестирование различных методов добычи и технологий, для выбора наиболее рентабельных, а также осуществляется более точная оценка ресурсного потенциала газогидратного скопления.
Наиболее представительные по объему полученных данных опытно-методических работы на континентальные газогидраты проводятся в США на северном побережье Аляски и в Канаде в дельте реки Макензи. На северном побережье п-ова Аляска (США) открыто одно из крупнейших в мире месторождений континентальных газогидратов. Территория распространения гидратосодержащих горизонтов расположена между нефтяными месторождениями Купарук Ривер и Прадхо-Бей (рис. 1.1). Здесь же обнаружены глубинные разломы Эллиан и Ниакук, по которым возможна миграция флюидов из этих месторождений. Существование природных газогидратов было подтверждено бурением разведочной скважины Эллиен Стейт-2 в 1972 г. на месторождении Прадхо-Бей.
Проведенные геофизические исследования и анализ керна выявили наличие трех гидратосодержащих скоплений. В дальнейшем при изучении разреза 445 скважин, зафиксировано, что как минимум в 50 из них отмечено нахождение газогидратов в шести горизонтах песчаников и конгломератов на глубинах от 300 до 700 м (рис. 1.2).
Ниже по разрезу выявлены два скопления свободного газа, при этом верхнее - непосредственно подстилает нижний горизонт с газогидратами. Площадь распространения отдельных горизонтов колеблется в диапазоне от 3 до 404 км". Ресурсы газа в гидратном состоянии оцениваются в пределах от 1 до 1,2 трлн. м3.
После проведения в 1995 г. оценки ресурсов, Министерство энергетики США (совместно с компаниями Анадарко и Мурер) в рамках национальной программы газогидратных исследований реализует проект бурения трех разведочных скважин для изучения возможности промышленной добычи газогидратов.
На северном склоне Аляски проводился большой комплекс исследовательских работ по оценке ресурсов газогидратных скоплений на территории Купарук Ривер - Прадхо-Бей. Здесь ставились задачи идентификации и картирования газогидратных скоплений и подстилающих залежей свободного газа, изучения свойств резервуаров и построения их моделей, разработки и апробации различных схем добычи газогидратов.
Присутствие газогидратов было подтверждено при анализе керна, а также по промыслово-геофизическим данным скважины Эйлин Стэйт-2. Проведенный в дальнейшем анализ каротажных данных по 50 скважинам и результаты обработки 3-D сейсмики западной части месторождения Купарук Ривер и южной части месторождения Милн Пойнт также показали наличие нескольких крупных скоплений
свободного газа, экранированных четырьмя газогидратными слоями. В 2000 г. на месторождении Тарн были проведены испытания двух пробуренных разведочных скважин: геофизические исследования в необсаженном стволе скважины и газовый каротаж. В 2002 г. такие же исследования были осуществлены на юге территории Милн Пойнт.
Анализ данных этих исследований показал наличие нескольких наиболее крупных пластов газогидратов.
В целом исследования по картированию и определению свойств скоплений газогидратов включали в себя:
- геофизические исследования скважин;
- модернизация методики газового каротажа;
- анализ первоначальных, выявленных по ГИС скоплений газогидратов с оценкой гидратонасыщенности;
- переоценка глубин и мощностей ЗСГ на севере п-ова Аляска с использованием результатов недавних исследований температур в стволе скважины;
- построение подробных корреляционных разрезов;
- получение, обработка и анализ данных каротажного зондирования и газового каротажа;
- 2-D/3-D сейсмические исследования.
В 2003 г. на основе детального анализа и интерпретации 2-D/3-D сейсмических данных, совместно со специально обработанными каротажными данными, была разработана методика выделения подмерзлотных скоплений в пределах ЗСГ и ассоциированных подгидратных залежей свободного газа. Сейсмические данные, в сочетании с результатами моделирования, использовались для выявления признаков и методов, которые можно использовать для оконтуривания газогидратного скопления по сейсмическим данным, а также для анализа свойств флюида в коллекторе.
На п-ове Аляска благоприятная для скоплений гидратов территория имеет протяженность около 950 км от Чукотского моря до Канадской границы и имеет максимальную ширину 320 км. Максимальная мощность криолитозоны достигает 1000 м. Ниже подошвы криолитозоны геотермический градиент варьируется от 1,6 до 5,2 С / 100 м. Здесь были выделены два отдельных гидратоносных участка -верхний (северный) и южный складчатый.
Верхний участок характеризуется наличием стратиграфических ловушек в песчаных коллекторах мелового и третичного возраста. Мощность ЗСГ в пределах участка достигает максимума (1000 м) на территории месторождения Прадхо-Бей. Данный участок включает в себя как континентальную часть, так и прибрежные воды.
Второй участок представлен антиклинальными ловушками в меловых и третичных резервуарах в северной части хребта Брукс. Мощность ЗСГ достигает своего максимума в северной и центральной частях участка.
Проведенные здесь геофизические исследования и анализ керна, а также детальное изучение разреза скважин, позволило выделить шесть газогидратных горизонтов на глубинах от 300 до 700 м. Ниже по разрезу выявлены две залежи свободного газа, при этом верхняя залежь непосредственно подстилает нижний горизонт с газогидратами.
Коллектора представлены песчаниками и конгломератами и могут составлять до 75 % всей мощности ЗСГ, несмотря на то, что отдельные слои редко превышают 20 м. Пористость песчаников колеблется от 5 до 20 %. Соленость порового раствора составляет от 0,5 до 19/00 (Collett, 1993).
Изотопно-геохимический анализ газа, отобранного в районе исследования, показал, что метан здесь, в основном, катагенного генезиса (среднее значение 5 С около -49 /00). Газ из отобранных образцов газогидратов состоял практически из метана - до 99 %.
Скопления газогидратов на севере п-ова Аляска обусловлены главным образом наличием значительного количества катагенного газа, который мигрировал снизу по системе разломов. Эти приповерхностные разломы прослеживаются на региональных сейсмопрофилях и могут служить путями миграции как газа, так и воды.
К моменту написания работы опытно-промышленные эксперименты по добыче газа из гидратных скоплений п-ова Аляска не дали значительных положительных результатов. В 2003 году был запущен проект по бурению скважины Хот Айс № 1. Целью проекта была разработка и внедрение программы по экологически безопасному и экономически выгодному бурению, отбору керна и пробной добыче газа из гидратов. Были поставлены задачи по подъему и анализу гидратосодержа-щего керна и тестированию различных технологий, разработанных для повышения рентабельности добычи. Скважина, смонтированная на специальной платформе, была пробурена до глубины около 700 м. Здесь проводился почти 100 % отбор керна, и были обнаружены два песчаных пласта коллектора мощностью 170 и 65 м. В них были отмечены многочисленные газопроявления, однако гидратосодержащих интервалов не обнаружено (Williams et al, 2005).
В феврале 2007 года в Милн Пойнте (п-ов Аляска) компанией ВР совместно с министерством энергетики и США пробурена структурно-поисковая скважина для отбора керна, проведения каротажа, изучения свойств пласта и флюида. По результатам бурения и анализа полученных данных будет принято решение о пробной добыче газа из газогидратов.
Первые сообщения о газопроявлениях в районе дельты р. Маккензи (Канада) были сделаны канадскими исследователями К. Били и Дж. Диком в 1974 г. (Bily and Dick, 1974). Выбросы газа фиксировались во время бурения двух добывающих скважин Ивик и Маллик из интервалов глубин порядка 900 - 1200 м (ниже подошвы ММП, из интервала ЗСГ).
По результатам проведенного комплекса каротажных исследований показано, что суммарная мощность гидратосодержащих прослоев в скважинах Маллик и Ивик составляет 110 м и 27 м соответственно (Dallimore, Collett, 1999). В дальнейшем эти исследования были продолжены S.Dallimore, T.Collett и др. (1992, 1996, 1999), в ходе которых на основе анализа разрезов скважин в центральной части дельты, пять горизонтов были идентифицированы как возможно гид-ратосодержащие.
После этого была пробурена скважина 92 GSC TAGLU с использованием специального оборудования для снижения физических и термальных воздействий, что позволило извлечь три образца мерзлого гидратосодержащего керна. Два из них были глинистого состава и содержали видимые включения газовых гидратов, а песчаный образец выделял при оттаивании значительные объемы газа, существенно превосходящие объем порового пространства. В 1998 г. в районе дельты р. Маккензи - моря Боффорта была начата газо-гидратная исследовательская программа Mallik 2L-38 (рис. 1.3). Предположительно гидратосодержащие горизонты были выделены в 17 % скважин (25 скважин), пробуренных на континенте, и в 63 % - в морских скважинах. Был проведен полный комплекс геологических, геофизических, геохимических и других исследований (рис. 1.4).
В 2002 г. эти работы были продолжены в рамках новой исследовательской программы Mallik 5L-38, в ходе которой была сделана попытка добычи газа из газовых гидратов. Были пробурены две наблюдательные скважины Mallik 3L-38 и Mallik 4L-38 и одна добывающая скважина Mallik 5L-38. Полевые исследования включали отбор гидратосодержащих образцов и скважинные геофизические исследования до и после откачки (пробной эксплуатации) газа из скважины. В дальнейшем были проведены петрофизические, геохимические, геофизические, микробиологические исследования гидратосодержащих кернов.
В целом исследования по поиску и картированию скоплений в дельте р. Ма-кензи, равно как и на севере Аляски, помогли выявить следующие закономерности.
Существуют значительные сложности при дифференциации газогидрата и льда при геофизических исследованиях в пределах ЗСГ, поскольку удельное сопротивление и акустические свойства льда и газогидрата очень схожи.
В пределах ЗСГ акустические свойства водонасыщенных неконсолидированных песчаных коллекторов, зон с низкой гидратонасыщенностью и глинистых сланцев весьма схожи из-за низкой отражательной способности. Однако высокоамплитудные зоны могут быть отнесены к пластам (мощность более 6 м) с высокой (более 60 %) гидратонасыщенностью.
Структурно-тектоническое и геологическое строение района исследования
Район исследований относится к северной части Западно-Сибирская плиты, которая является частью молодой эпипалеозойской платформы, где выделяются допалеозойско-палеозойский фундамент, верхнепермско-триасовый терригенно-вулканический переходный комплекс и юрско-кайнозойский осадочный чехол.
Фундамент плиты представляет собой масштабную депрессию, с наиболее погруженной северной частью (8-12 км), расколотой системой рифтов (рис. 3.1). Являясь гетерогененным, он состоит из допалеозойских, байкальских, каледонских и герцинских блоков. При этом большая часть рассматриваемой территории относится к герцинской складчатости. В восточной части плиты фундамент фрагментарно представлен также элементами байкальской складчатой системы, а в юго-западных районах - каледонской (Сурков, Жеро, 1981).
Переходный (доплитный) комплекс представлен осадочно-вулканогенными и осадочными угленосными породами континентального происхождения, мощностью до 3-5 км (Сурков, 1982). Возрастной диапазон зависит от времени консолидации подстилающего фундамента и характеризуется фрагментарностью распространения, большой глубиной залегания. Его образования встречены в грабен-рифтовых зонах расчленяющих фундамент, а также в многочисленных локальных депрессиях.
Платформенный чехол на рассматриваемой территории представлен мощным мезозойско-кайнозойским мегакоплексом, объединяющим осадочные отложения от юрского комплекса до четвертичного.
Рассматриваемый район относится к северной тектонической области Западно-Сибирской провинции, где основной тектонической структурой осадочного чехла является Ямало-Тазовская мегасинеклиза. В ее пределах выделяются Ямало-Гыданская синеклиза, Мессояхская гряда и Надым-Тазовская синеклиза. Основные структурные элементы платформенного чехла представлены на рисунке 3.2.
Площадь структур разного ранга колеблются в широких пределах: от 6-10 до 500-1000 км". Амплитуда - от первых десятков до нескольких сотен метров. Общая мощность осадочного чехла на севере Западной Сибири увеличивается с юга на север от 3,5 км (Надым-Пур-Тазовское междуречье) до 8 км (п-ов Ямал).
На территории района исследований в объеме осадочного чехла установлены разрывные нарушения различного генезиса и простирания, с амплитудами смещения пород от первых десятков метров (большинство) до нескольких сотен метров.
Залегающие в основании чехла юрские отложения на рассматриваемой территории представлены двумя основными фациальными толщами - преимущественно континентальной нижне-среднеюрской и морской верхнеюрской. Мощность нижне-среднеюрских отложений изменчива. Она увеличивается в зонах тектонических погружений и достигает максимальных величин во впадинах и прогибах (до 2000 м для отложений тюменской свиты). Верхнеюрские отложения, в среднем, достигают мощности 200-300 м (Строганов, Скоробогатов, 2004).
В разрезе выделяется верхнеюрский нефтегазоносный комплекс (НГК) (пласты Юі - аналоги васюганской свиты и Юо - баженовская свита).
Отложения меловой системы представлены двумя литолого-стратиграфическими комплексами: нижним (отложения неокома - нижнего апта) и верхним (от пород верхнего апта - сеномана и до отложений маастрихт-датского возраста) (рис. 3.3).
Неоком-нижнеаптский комплекс. В низах мела выделяются песчано-глинистые отложения ачимовской толщи, относящейся к берриасу - нижнему ва-ланжину. Наибольшее распространение ачимовская толща имеет в центральной части НПТР (Скоробогатов, Строганов, 2003).
Ачимовские отложения перекрываются неокомским комплексом, представленным чередованием песчаников, алевролитов и глин, общей мощностью 1500-2000 м. Наибольшая мощность песчаных пластов отмечается в НПТР (Уренгойское и Ямбургское хместорождения). В отложениях нижнего мела выделяются 2 НГК: берриасс-нижневаланжинский (пласты Ач), связанный с песчано-глинистыми отложениями ачимовской толщи и нижнеапт-неокомский НГК (пласты БЯ, НП, ТП, БГ, БП, БУ, БТ, БС, БН).
Апт-сеноманский комплекс представлен чередующимися слабосцементиро-ванными песчаниками и алевролитами с невыдержанными по простиранию прослоями глин континентального и прибрежно-морского происхождения. Отложения комплекса залегают между двумя региональными покрышками. На п-овах Ямал и Гыдан прослеживается покрышка альбского возраста, разделяющая разрез на два комплекса: альб-сеноманский и аптский. Южнее, в НПТР отложения комплекса выделены в покурскую свиту. С отложениями сеномана (пласты ПК) связаны газовые скопления на всей рассматриваемой территории в т.ч. на Уренгойском, Ям-бургском и Заполярном месторождениях и т.д., и нефтегазовые залежи на Тазов-ском месторождении. Залежи по строению преимущественно пластовые сводовые, в верхней части разреза в основном пластово-массивные (Строганов, Скоробогатов, 2004).
Разрез верхней части мела представлен глинисто-алевритововыми отложениями кузнецовской свиты туронского возраста, мощностью около 40-80 м, с увеличением к северу до 200 м, глинами с прослоями алевролитов часельской свиты.
На севере рассматриваемой территории распространены отложения бере-зовской свиты ипатовского горизонта (коньяк-сантон), представленные опоковид-ными, алевритистыми глинами с прослоями песчаников и алевритов, мощностью до 400 (на п-ове Ямал) и слабоалевритистыми глинами ганькинской свиты (возраст пород - кампан-маастрихт-дат), мощностью от 25 до 240 м.
В западной и центральной частях НПТР региона породы ганькинской свиты представлены серыми глинами, в верхней части разреза - алевритистыми, сильно слюдистыми, в средней части - глинами слюдистыми плотными, в нижней части -глинами песчанистыми с прослоями алевритов и мергелей. Исходя из литологиче-ского состава, породы ганькинской свиты на западе, юго-западе и в центре рассматриваемой территории не представляют интереса как возможный резервуар для скоплений природных газогидратов. Восточнее и северо-восточнее (по направлению к Заполярной и Тазовской площадям), верхнемеловые отложения ганькинской свиты фациально замещаются верхнемеловыми отложениями танамской свиты маастрихт-датского ярусов, являющиеся опесчаненным фациальным аналогом верхней части разреза ганькинской свиты. Для отложений танамской свиты характерно наличие хороших коллекторов, перекрытых литологическими экранами, и крупных структурных ловушек, которые являются перспективными резервуарами для скоплений природных газогидратов.
Отложения кайнозойского возраста, в которых и предполагается преимущественное распространение скоплений газогидратов, в настоящее время малоизученны. Породы разреза, перекрывающие верхнемеловые отложения, представлены чередованием песков, алевролитов, глин и достигают мощности 300-400 м (рис. 3.3). На рассматриваемой территории отложения кайнозоя представлены породами называевского серии, состоящего из талицкого горизонта палеоцена, представленного тибейсалинской и талицкой свитами, и люлинворской свиты эоцена (Строганов, Скоробогатов, 2004). Тибейсалинская свита делится на две подсвиты. Нижняя - представлена в основном алевритистыми глинами с прослоями алевролитов мощностью до 110 м, а верхняя — в основном песчаными отложениями с прослоями серых глин мощностью до 140 м. Отложения характеризуются наличием хороших региональных коллекторов, литологически экранированных перекрывающими глинистыми породами люлинворской свиты, и наличием крупных структурных лову шек. Мощность отложений континентальной- подсвиты тибейсалинской свиты колеблется от 100 метров (и менее) на юго-западе (в районе г. Надым) и северо-западе региона до 180-220 м в его центральной и восточной частях.
Разрез регионального, предположительно гидратоносного коллектора (породы континентальной подсвиты тибейсалинской свиты) представлен песчаными отложениями, включающими преимущественно мелкозернистые кварцевые и квар-цево-палевошпатовые пески с примесью каолина, с прослоями алевритистых серых и темно-серых глин. В восточной части региона количество алевритового материала значительно увеличивается. Часто встречаются обугленные растительные остатки и редко прослои бурого угля. Отложения континентальной подсвиты подстилаются отложениями, представленными преимущественно алевритистыми, слюдистыми или опоковидными глинами с прослоями алевролитов. Люлинворская свита эоценового отдела представлена в основном серыми опоковидными глинами с редкими прослоями песчаников. Мощность свиты достигает 150 м на Ямбургском и 200 м на Заполярном месторождениях.
Четвертичные отложения перекрывают палеогеновые и распространены на рассматриваемой территории практически повсеместно. Наиболее полные разрезы и максимальная мощность установлены в древних переуглубленных эрозионных врезах, которые в подавляющем большинстве совпадают с современными долинами рек Обь, Таз, Пур. На водоразделах разрез неполный, мощность сокращается и на сводах неотектонических поднятий, не превышаяет первых десятков метров. Среди четвертичных отложений, кроме моренных отложений, широко распространены слоистые, сравнительно хорошо отсортированные супесчано-суглинистые породы, содержащие подчиненные прослои и пачки песчано-гравийно-галечникового материала. В наиболее полных разрезах описаны представительные остатки макро- и микрофауны нижнего, среднего и верхнего отделов плейстоцена.
