Равновесные условия и кинетика гидратообразования природного газа в глинистых грунтах Мархинского месторождения

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.  

1. Malagar 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.2019.03.005

2. 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/OGP2021SI200549

3. Сафронов А.Ф. Геология нефти и газа. Якутск: ЯФ Издательства СО РАН; 2000. 166 с.

4. Железняк М.Н., Семенов В.П. Геотемпературное поле и криолитозона Вилюйской синеклизы. Новосибирск: Издательство СО РАН; 2020. 123 с.

5. 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/2013200

6. Yan 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.2018.11.025

7. Давлетшина 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(25-33

8. 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.2018.09.053

9. Гурьева О.М. Процессы гидратообразования при захоронении СО2 в криолитозоне: Автореф. дис. … канд. геол.-минерал. наук. М.; 2011. 173 с.

10. 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.

11. 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.2024.150325

12. Li 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.9b00323

13. Chen 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.2024.131181

14. Ren 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.2022.135368

15. Ren 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.2024.151148

16. Объяснительная 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.

17. ГОСТ 25584-2016 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации. Взамен ГОСТ 25584-90; введ. 01.05.2017. М.: Стандартинформ; 2019. 25 с.

18. 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/OGP2021SI200549

19. Linga 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.2011.10.030

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

21. 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/s10553-023-01570-0

22. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра; 1974. 208 с.

23. 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.

24. 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/jp100812p

25. Zaripova 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