resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2025-30-2-177-185resar-927Research ArticleНауки о Земле. Геология и полезные ископаемыеEarth sciences. Geology and mineral resourcesРавновесные условия и кинетика гидратообразования природного газа в глинистых грунтах Мархинского месторожденияEquilibrium conditions and kinetics of natural gas hydrate formation in the clay soils of the Markhinskiy deposithttps://orcid.org/0000-0002-4839-1384ИвановаИ. К.IvanovaI. K.

ИВАНОВА Изабелла Карловна, доктор химических наук, доцент, главный научный сотрудник

ResearcherID: К-7120-2017, Scopus Author ID: 55867199100

г. Якутск

IVANOVA, Izabella Karlovna, Dr. Sci. (Chem.), Associate Professor, Chief Researcher

ResearcherID: K-7120-2017, Scopus Author ID: 55867199100

Yakutsk

iva-izabella@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6346-0456КалачеваЛ. П.KalachevaL. P.

КАЛАЧЕВА Людмила Петровна, кандидат химических наук, исполняющий обязанности заведующего лабораторией техногенных газовых гидратов, ведущий научный сотрудник

ResearcherID: I-8374-2018, Scopus Author ID: 15839298100

г. Якутск

KALACHEVA, Liudmila Petrovna, Cand. Sci. (Chem.), Acting Head of the Laboratory of Technogenic Gas Hydrates, Leading Researcher

ResearcherID: I-8374-2018, Scopus Author ID: 15839298100

Yakutsk

lpko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5257-0142ПортнягинА. С.PortnyaginA. S.

ПОРТНЯГИН Альберт Серафимович, научный сотрудник

ResearcherID: I-8448-2018, Scopus Author ID: 51562176000

г. Якутск

PORTNYAGIN, Albert Serafimovich, Researcher

ResearcherID: I-8448-2018, Scopus Author ID: 51562176000

Yakutsk

al220282@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-1445-4787БубноваА. Р.BubnovaA. R.

БУБНОВА Алла Родионовна, младший научный сотрудник

ResearcherID: JWP-9863-2024, Scopus Author ID: 58627018000

г. Якутск

BUBNOVA, Alla Rodionovna, Junior Researcher

ResearcherID: JWP-9863-2024, Scopus Author ID: 58627018000

Yakutsk

bubnova03121999@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4253-1400ИвановВ. К.IvanovV. K.

ИВАНОВ Виктор Климентьевич, младший научный сотрудник

ResearcherID: HKN-9909-2023, Scopus Author ID: 58455764300

г. Якутск

IVANOV, Viktor Klimentyevich, Junior Researcher

ResearcherID: HKN-9909-2023, Scopus Author ID: 58455764300

Yakutsk

viktorklimentievich@gmail.comЛукинаЮ. В.LukinaYu. V.

ЛУКИНА Юлия Вячеславовна, студент

г. Якутск

LUKINA, Yulia Vyacheslavovna, student

Yakutsk

yulechka-lukina-2000@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6459-8951АлександровА. Р.AlexandrovA. R.

АЛЕКСАНДРОВ Александр Романович, научный сотрудник

ResearcherID: AAD-8376-2021

г. Якутск

ALEXANDROV, Alexander Romanovich, Researcher

ResearcherID: AAD-8376-2021

Yakutsk

sutuka56@mail.ruИнститут проблем нефти и газа СО РАНРоссияInstitute of Oil and Gas Problems, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияAmmosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation202509072025302177185Copyright © Иванова И.К., Калачева Л.П., Портнягин А.С., Бубнова А.Р., Иванов В.К., Лукина Ю.В., Александров А.Р., 20252025Иванова И.К., Калачева Л.П., Портнягин А.С., Бубнова А.Р., Иванов В.К., Лукина Ю.В., Александров А.Р.Ivanova I.K., Kalacheva L.P., Portnyagin A.S., Bubnova A.R., Ivanov V.K., Lukina Y.V., Alexandrov A.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/927

Подмерзлотные водоносные горизонты характеризуются низкими пластовыми температурами и давлениями, близкими к условным гидростатистическим, что позволяет их рассматривать в качестве геологических формаций для организации подземных хранилищ газа в гидратном состоянии. Для проектирования таких подземных хранилищ газа требуется проведение экспериментальных исследований гидратообразования в пористых средах. В настоящей работе рассматриваются подмерзлотные водоносные горизонты Вилюйской синеклизы, где зона стабильности гидратов охватывает меловые и юрские отложения, которые представляют собой терригенно-глинистые толщи. На условия гидратообразования влияют свойства пористой среды: минералогический и гранулометрический состав, плотность, пористость и влажность, наличие органических и неорганических примесей, в особенности глин. Следовательно, исследование гидратообразования в глинистых грунтах – это важная составляющая, которая будет основой для создания подземных хранилищ газа. Для изучения термобарических условий гидратообразования использовался метод дифференциального термического анализа. Образцы пористых сред представляли собой глинистые грунты с различной влажностью в диапазоне от 15 до 40 %. Обнаружено, что в грунтах с влажностью 20 % и более формируется механическая смесь гидратов практически чистого метана и газа с более высокой молекулярной массой. Установлено, что при повышении влажности глинистых грунтов кинетические характеристики гидратообразования снижаются. На основе проведенного исследования можно заключить, что для организации подземных хранилищ газа в гидратном состоянии подходят пористые среды, в которых глинистые прослои обладают минимальной влажностью.  

Subpermafrost aquifers are distinguished by their low stratum temperatures and pressures that approximate conventional hydrostatic pressures, rendering them suitable geological formations for the organization of underground gas storage facilities in a hydrate state. The design of such facilities requires the execution of experimental studies focused on hydrate formation within porous media. This paper examines the subpermafrost aquifers located in the Vilyui syneclise, where the hydrate stability zone covers Cretaceous and Jurassic deposits, specifically terrigenous-clayey strata. The mineralogical and granulometric composition, density, porosity, and moisture content, along with the presence of clays in the porous medium, influence the conditions conducive to hydrate formation. Therefore, the investigation of hydrate formation in clayey soils is a critical component that will support the development of underground gas storage facilities. To analyze the thermobaric conditions associated with hydrate formation, the method of differential thermal analysis was employed. The samples of porous media comprised clayey soils with varying moisture content, ranging from 15% to 40%. The results indicate that in soils with a moisture content of 20% or greater, a mechanical mixture of hydrates consisting of nearly pure methane and gases with higher molecular weights is produced. Additionally, it was observed that an increase in the moisture content of clay soils correlates with a decrease in the kinetic characteristics of hydrate formation. Based on the conducted research, it can be concluded that porous media characterized by clay layers with minimal moisture content are optimal for the establishment of underground gas storage facilities in a hydrated state.  

природный газгидратглиныР–Т-условия образования гидратовтермический анализкинетические характеристики гидратообразованияnatural gashydrateclaysP–T-conditions of the hydrate formationthermal analysiskinetic characteristics of the hydrate formationИсследование проведено в рамках выполнения государственного задания Министерства науки и образования РФ (№ 122011100157-5) на научном оборудовании центра коллективного пользования ФИЦ ЯНЦ СО РАН.This study was conducted within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Education of the Russian Federation (No. 122011100157-5) using the scientific equipment of the Core Shared Research Facilities of the Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”.ReferencesMalagar B.R.C., Lijith K.P., Singh D.N. Formation & dissociation of methane gas hydrates in sediments: A critical review. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019;65:168–184. http://doi.org/10.1016/j.jngse.2019.03.005Malagar B.R.C., Lijith K.P., Singh D.N. Formation & dissociation of methane gas hydrates in sediments: A critical review. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019;65:168–184. http://doi.org/10.1016/j.jngse.2019.03.005Kalacheva L.P., Ivanova I.K., Portnyagin A.S., et al. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the subpermafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters. SOCAR Proceedings, Special. 2021;(2):1–11. http://doi.org/10.5510/OGP2021SI200549Kalacheva L.P., Ivanova I.K., Portnyagin A.S., et al. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the subpermafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters. SOCAR Proceedings, Special. 2021;(2):1–11. http://doi.org/10.5510/OGP2021SI200549Сафронов А.Ф. Геология нефти и газа. Якутск: ЯФ Издательства СО РАН; 2000. 166 с.Safronov A.F. Geology of Oil and Gas. Yakutsk: Yakut Branch of the Publishing House SB RAS; 2000. 166 p. (In Russ.)Железняк М.Н., Семенов В.П. Геотемпературное поле и криолитозона Вилюйской синеклизы. Новосибирск: Издательство СО РАН; 2020. 123 с.Zheleznyak M.N., Semenov V.P. Geotemperature Field and Cryolithozone of the Vilyui Syneclise. Novosibirsk: Publishing House SB RAS; 2020. 123 p. (In Russ.)Saw V.K., Udayabhanu G., Mandal A., Laik S. Methane hydrate formation and dissociation in the presence of silica sand and bentonite clay. Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles. 2015; 70(6):1087–1099. http://doi.org/10.2516/ogst/2013200Saw V.K., Udayabhanu G., Mandal A., Laik S. Methane hydrate formation and dissociation in the presence of silica sand and bentonite clay. Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles. 2015; 70(6):1087–1099. http://doi.org/10.2516/ogst/2013200Yan K., Li X., Chen Z., et al. Methane hydrate formation and dissociation behaviors in montmorillonite. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019;27(5):1212–1218. http://doi.org/10.1016/j.cjche.2018.11.025Yan K., Li X., Chen Z., et al. Methane hydrate formation and dissociation behaviors in montmorillonite. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019;27(5):1212–1218. http://doi.org/10.1016/j.cjche.2018.11.025Давлетшина Д.А., Чувилин Е.М. Экспериментальная оценка возможности газогидратообразования в тонкодисперсных грунтах при отрицательных температурах. Криосфера Земли. 2020;24(4):25–33. http://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2020-4(25-33Davletshina D.A., Chuvilin E.M. Estimation of potential gas hydrate formation in finely dispersed soils at negative temperatures: Experimental modeling. Earth’s Cryosphere. 2020;24(4):25–33. http://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2020-4(25-33 (In Russ.)Wu Z., Li Y., Sun X., et al. Experimental study on the effect of methane hydrate decomposition on gas phase permeability of clayey sediments. Applied Energy. 2018;230:1304–1310. http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.053Wu Z., Li Y., Sun X., et al. Experimental study on the effect of methane hydrate decomposition on gas phase permeability of clayey sediments. Applied Energy. 2018;230:1304–1310. http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.053Гурьева О.М. Процессы гидратообразования при захоронении СО2 в криолитозоне: Автореф. дис. … канд. геол.-минерал. наук. М.; 2011. 173 с.Gur’eva O.M. Hydrate formation processes during CO2 burial in the cryolithozone: Abstr. … Diss. Cand. Sci., Moscow; 2011. 173 p. (In Russ.)Чувилин Е.М., Гурьева О.М. Экспериментальное исследование образования гидрата газа CO2 в пористых средах из замороженных и замерзающих отложений. Криосфера Земли. 2009;13(3):70–79.Chuvilin E.M., Gur’eva O.M. Experimental investigation of CO2 gas hydrate formation in porous media of frozen and freezing sediments. Earth’s Cryosphere. 2009;13(3):70–79. (In Russ.)Yu C., Sun B., Hasan M., et al. Experimental investigation and modeling on the dissociation kinetics of methane hydrate in clayey silt cores in depressurization. Chemical Engineering Journal. 2024;486(4):150325. http://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150325Yu C., Sun B., Hasan M., et al. Experimental investigation and modeling on the dissociation kinetics of methane hydrate in clayey silt cores in depressurization. Chemical Engineering Journal. 2024;486(4):150325. http://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150325Li Y., Chen M., Song H., et al. Effect of cations (Na+, K+, and Ca2+) on methane hydrate formation on the external surface of montmorillonite: insights from molecular dynamics simulation. ACS Earth and Space Chemistry. 2020;4(4):572–582. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.9b00323Li Y., Chen M., Song H., et al. Effect of cations (Na+, K+, and Ca2+) on methane hydrate formation on the external surface of montmorillonite: insights from molecular dynamics simulation. ACS Earth and Space Chemistry. 2020;4(4):572–582. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.9b00323Chen C., Zhang Y., Li X., et al. Experimental investigation into gas production from methane hydrate in sediments with different contents of illite clay by depressurization. Energy. 2024;296:131181. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131181Chen C., Zhang Y., Li X., et al. Experimental investigation into gas production from methane hydrate in sediments with different contents of illite clay by depressurization. Energy. 2024;296:131181. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131181Ren J., Liu X., Niu M., Yin Z. Effect of sodium montmorillonite clay on the kinetics of CH4 hydrate-implication for energy recovery. Chemical Engineering Journal. 2022;437:135368. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135368Ren J., Liu X., Niu M., Yin Z. Effect of sodium montmorillonite clay on the kinetics of CH4 hydrate-implication for energy recovery. Chemical Engineering Journal. 2022;437:135368. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135368Ren J., Yin Z., Chen G., et al. Effect of marine clay minerals on the thermodynamics of CH4 hydrate: Evidence for the inhibition effect with implications. Chemical Engineering Journal. 2024;488:151148. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151148Ren J., Yin Z., Chen G., et al. Effect of marine clay minerals on the thermodynamics of CH4 hydrate: Evidence for the inhibition effect with implications. Chemical Engineering Journal. 2024;488:151148. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151148Объяснительная записка к обзорной карте месторождений строительных материалов Якутской АССР масштаба 1:2 500 0000. В двух томах. Министерство геологии СССР, объединение «Союзгеолфонд», 1 том. М.; 1988. 422 с.Explanatory note to the overview map of the deposits of building materials of the Yakut ASSR on a scale of 1:2,500 0000. In two volumes. Ministry of Geology of the USSR, Soyuzgeolfond association, 1 volume. Moscow; 1988. 422 p. (In Russ.)ГОСТ 25584-2016 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации. Взамен ГОСТ 25584-90; введ. 01.05.2017. М.: Стандартинформ; 2019. 25 с.GOST 25584-2016 Soils. Methods of laboratory determination of the filtration coefficient. Instead of GOST 25584-90; introduced. 01.05.2017. Moscow: Standartinform; 2019. 25 p. (In Russ.)Kalacheva L.P., Ivanova I.K., Portnyagin A.S., et al. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the subpermafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters. SOCAR Proceedings, Special. 2021;(2):1–11. http://doi.org/10.5510/OGP2021SI200549Kalacheva L.P., Ivanova I.K., Portnyagin A.S., et al. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the subpermafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters. SOCAR Proceedings, Special. 2021;(2):1–11. http://doi.org/10.5510/OGP2021SI200549Linga P., Daraboina N., Ripmeester J.A., Englezos P. Enhanced rate of gas hydrate formation in a fixed bed column filled with sand compared to a stirred vessel. Chemical Engineering Science. 2012;68(1):617−623. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.10.030Linga P., Daraboina N., Ripmeester J.A., Englezos P. Enhanced rate of gas hydrate formation in a fixed bed column filled with sand compared to a stirred vessel. Chemical Engineering Science. 2012;68(1):617−623. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.10.030Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра; 1992. 236 с.Istomin V.A., Yakushev V.S. Gas Hydrates in Natural Conditions. Moscow: Nedra; 1992. 236 p. (In Russ.)Ivanova I.K., Kalacheva L.P., Portnyagin A.S., et al. Experimental study of natural gas hydrate formation in a porous medium in the presence of aqueous solutions of sodium chloride and sodium bicarbonate. Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2023;59(4):679–685. http://doi.org/10.1007/s10553-023-01570-0Ivanova I.K., Kalacheva L.P., Portnyagin A.S., et al. Experimental study of natural gas hydrate formation in a porous medium in the presence of aqueous solutions of sodium chloride and sodium bicarbonate. Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2023;59(4):679–685. http://doi.org/10.1007/s10553-023-01570-0Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра; 1974. 208 с.Makogon YU.F. Natural Gas Hydrates. Moscow: Nedra; 1974. 208 p. (In Russ.)Булейко В.М., Вовчук Г.А., Григорьев Б.А. и др. Фазовое поведение углеводородных систем в водонасыщенном песчаном коллекторе при условиях гидратообразования. Вести газовой науки. 2014;20(4):156–163.Bulejko V.M., Vovchuk G.A., Grigor’ev B.A., et al. Phase behavior of hydrocarbon systems in a water-saturated sand reservoir under hydrate formation conditions. Vesti Gazovoy Nauki. 2014;20(4):156–163. (In Russ.)Kang S.P., Lee J.W. Formation characteristics of synthesized natural gas hydrates in meso-and macroporous silica gels. The Journal of Physical Chemistry B. 2010; 114(20):6973–6978. http://doi.org/10.1021/jp100812pKang S.P., Lee J.W. Formation characteristics of synthesized natural gas hydrates in meso-and macroporous silica gels. The Journal of Physical Chemistry B. 2010; 114(20):6973–6978. http://doi.org/10.1021/jp100812pZaripova Y., Yarkovoi V., Varfolomeev M., et al. Influence of water saturation, grain size of quartz sand and hydrate-former on the gas hydrate formation. Energies. 2021;14(5):1272. https://doi.org/10.3390/en14051272Zaripova Y., Yarkovoi V., Varfolomeev M., et al. Influence of water saturation, grain size of quartz sand and hydrate-former on the gas hydrate formation. Energies. 2021;14(5):1272. https://doi.org/10.3390/en14051272

The authors declare that there are no conflicts of interest present.