ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2020, том 21, № 2, с. 61-77. https://doi.org/10.21455/gr2020.2-5

УДК 550.367

Аннотация  Литература  Полный текст

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ГИДРАТА CO2 В ЛАБОРАТОРНЫХ ОБРАЗЦАХ С ПОМОЩЬЮ ДВУХИГОЛЬЧАТОГО ЗОНДА

© 2020 г. И.И. Фадеева(1,2), А.А. Дучков(1,2), А.Ю. Манаков(2,3), Д.Е. Аюнов(1)

(1) Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск, Россия

(2) Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск, Россия

(3) Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, г. Новосибирск, Россия

Предложен новый подход к оценке гидратосодержания в породе геотермическим методом. Известно, что переход поровой воды в гидрат заметно понижает теплоемкость осадка. Это открывает возможность количественной оценки гидратосодержания по измерению объемной теплоемкости осадка в двух состояниях – с гидратом в порах и без гидрата, когда после полного его разложения в порах остается одна вода. Тепло- и температуропроводность осадков может быть определена с помощью двухигольчатого зонда по предлагаемой авторами методике. Для оценки количества содержащегося в порах гидрата используется объемная теплоемкость, которая рассчитывается как отношение теплопроводности к температуропроводности (l/а).

Предлагаемый подход проверен в лабораторных экспериментах на образцах песка с сформированным синтетическим гидратом СО2 в термостатируемой камере высокого давления (объем полученного гидратосодержащего образца составлял около 1000 см(3)). При измерении объемной теплоемкости образца в разных его состояниях использовалась не стандартная методика импульсного нагрева, а методика на основе постоянного нагрева среды линейным источником, которая повышает точность определения теплоемкости среды за счет описания всего полезного интервала экспериментальной термограммы. Представлена оценка содержания гидрата СО2 в модельном образце по измерениям его тепловых свойств до и после формирования гидрата в порах. Приведена дополнительная независимая оценка количества наработанного в образце гидрата СО2, полученная по записям температуры и давления в процессе гидратоформирования.

Полученные результаты подтверждают возможность определения гидратосодержания по измерениям теплоемкости среды в двух состояниях. Минимальная доля гидрата, которая может быть зафиксирована в порах донного осадка, при разбросе значений теплоемкости ±0.05×10(6) Дж/(м(3)·К) должна составлять примерно 10%.

Ключевые слова: количественная оценка гидратосодержания, лабораторный эксперимент, гидрат СО2, теплопроводность, температуропроводность, объемная теплоемкость.

Литература

Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 384 с.

Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. 280 с.

Голубев В.А. Свидетельства присутствия газогидратов в верхнем слое донных осадков озера Байкал: результаты измерений теплопроводности in situ // Докл. Академии наук. 1998. Т. 358, № 3. С.384–388.

Дучков А.Д., Манаков А.Ю., Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Огиенко А.Г. Измерение теплопроводности синтетических образцов донных осадков, содержащих гидраты метана // Физика Земли. 2009. № 8. С.42–50.

Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992. 236 с.

Казанцев С.А., Фадеева И.И. Устройство для оперативного измерения температуропроводности слабосцементированных пород // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2015. Т. 2, № 2. С.82–85.

Калинин А.Н., Соколова Л.С., Дучков А.Д., Черепанов В.Я. Исследования теплового компаратора применительно к измерениям теплопроводности горных пород // Геология и геофизика. 1983. № 3. С.116–122.

Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.

Кутас Р.И., Кравчук О.П., Бевзюк М.И. Диагностика газогидратности придонного слоя осадков Черного моря по результатам измерения их теплопроводности in situ // Геофизический журнал. 2005. Т. 27, № 2. С.238–244.

Лысов В.Г., Рыков Ю.Г. О вычислении фазового равновесия в задачах многокомпонентной фильтрации // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014. № 94. 20 с.

Никитин Д.С., Хуторской М.Д., Никитин А.С. Бесконтактные измерения теплофизических свойств горных пород на установке ТС14 // Процессы в геосредах. 2016. № 7. С.246–254.

Пермяков М.Е. Эффективная теплопроводность гидратосодержащих образцов по результатам лабораторных измерений при различных Р-Т-условиях: Дис. … канд. техн. наук. Новосибирск, 2010. 89 с.

Попов Ю.А., Семенов В.Г., Коростелев В.М., Березин В.В. Определение теплопроводности горных пород с помощью подвижного источника тепла // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. № 7. С.86–93.

Суетнова Е.И. Аккумуляция газовых гидратов в порах в процессе уплотнения наращиваемой реологически слоисто-неоднородной среды осадков // Геофизические исследования. 2013. Т. 14, № 1. С.71–78.

Фадеева И.И., Аюнов Д.Е., Дучков А.А. Исследование возможностей развития нестационарного метода определения теплофизических свойств линейным источником // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. 2019. Т. 2, № 3. С.174–180.

Фадеева И.И., Дучков А.А., Пермяков М.Е. Теплофизический метод количественной оценки гидратосодержания в образцах, имитирующих донные осадки // Геология и геофизика. 2016. Т. 57, № 6. С.1251–1261.

Филиппов П.И. Приложение теории теплопроводности к теплофизическим измерениям. Новосибирск: Наука, 1973. 62 с.

Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н., Козлов В.П. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973. 336 с.

Assael M.J., Antoniadis K.D., Wakeham W.A. Historical evolution of the transient hot-wire technique // Int. J. Thermophys. 2010. V. 31, N 6. P.1051–1072.

ASTM D 5334-00, Standard test method for determination of thermal conductivity by thermal needle probe procedure. 2000. 6 p.

Bristow K.L., Kluitenberg G.J., Horton R. Measurement of soil thermal properties with a dual-probe heat-pulse technique January // Soil Science Society of America Journal. 1994. V. 58, N 5. P.1288–1294.

Campbell G.S., Calissendorff C., Williams J.H. Probe for measuring soil specific heat using a heat-pulse method // Soil Science Society of America Journal. 1991. V. 55, N 1. P.291–293.

Circone S., Stern L.A., Kirby S.H., Durham W.B., Chakoumakos B.C., Rawn C.J., Rondinone A.J., Ishii Y. CO2 hydrate: synthesis, composition, structure, dissociation behavior, and a comparison to structure I CH4 hydrate // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107, N 23. P.5529–5539.

de Wilde P., Griffiths R., Goodhew S. Validation of data analysis routines for a thermal probe apparatus using numerical data sets // Build. Simul. Springer-Verlag. 2008. V. 1, N 1. P.36–45.

Kluitenberg G.J., Ham J.M., Bristow K.L. Error analysis of the heat pulse method for measuring soil volumetric heat capacity // Soil Science Society of America Journal. 1993. V. 57, N 6. P.1444–1451.

Lee T.-C., Duchkov A.D., Morozov S.G. Determination of thermal conductivity and formation temperature from cooling history of friction-heated probes // Geophysical Journal International. 2003. V. 152, N 2. P.433–442.

Ochsner T.E., Horton R., Ren T. Simultaneous water content, air-filled Porosity, and bulk density measurements with thermo-time domain reflectometry // Soil Science Society of America Journal. 2001. V. 65, N 6. P.1618–1622.

Popov Yu., Tertychnyi V., Romushkevich R., Korobkov D., Pohi J. Interrelations between thermal conductivity and other physical properties of rocks: experimental data // Pure and Applied Geophysics. 2003. V. 160. P.1137–1161.

Riedel M., Willoughby E.C., Chopra S. Geophysical characterization of gas hydrates. Tulsa: SEG geophysical developments series. 2010. 412 p.

Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural gases. Boca Raton; London; New-York: CRC Press, 2007. 752 p.

Von Herzen R., Maxwell A.E. The measurement of thermal conductivity of deep sea sediments by a needle probe method // Journal of Geophysical Research. 1959. V. 64, N 10. P.1557–1563.