Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Мая 2013 в 17:25, реферат
Многолетнее промерзание горных пород начинается в случае, если их среднегодовая температура на подошве слоя сезонного промерзания переходит через ноль градусов в сторону отрицательных значений. Глубина промерзания, соответственно, и мощность мерзлых толщ, как следует из законов Фурье, определяется температурой и амплитудой ее колебаний на поверхности пород, а также длительностью периода колебаний.
В заключение следует остановиться на все еще слабо изученном влиянии на мощность многолетнемерзлых пород газовых залежей. Считается, что понижение температуры пород только за счет адиабатического расширения газа может достигать 5°С. Наиболее благоприятные условия для проявления этого процесса должны наблюдаться в зонах повышенной трещиноватости пород.
В последнее время повышенное внимание уделяется газогидратам, продукту взаимодействия природных газов с подземными водами. При образовании этих соединений выделяется значительное количество тепла, равно как и поглощается при разложении – порядка 520-540 кДж/кг, поэтому тепловой эффект процесса может быть весьма существенным. Газовые гидраты – это кристаллические, макроскопические льдоподобные вещества, образующиеся при сравнительно низких (но не обязательно отрицательных по шкале Цельсия) температурах из воды и газа при достаточно высоких давлениях (Истомин, Якушев, 1992). В газогидратах молекулы газа заключены в кристаллические ячейки, состоящие из молекул воды, удерживаемые водородной связью. Общая формула соединения: M ×n H2O, где М – молекула газа – газообразователя, n – количество молекул воды. Большинство компонентов природного газа способны образовывать гидраты кубической структуры I или II типов. В гидратах структуры I (метан, пропан, углекислый газ, сероводород и др.) в элементарной ячейке содержится 46 молекул воды, которые образуют 8 полостей (две малых и 6 больших). В элементарной ячейке структуры II (большинство из не названных газов) находится 136 молекул воды, которые образуют 16 малых и 8 больших полостей.
Газогидраты существуют на достаточно больших глубинах под дном морей и в пределах континентов. Регистрация этого открытия датируется 1969 г. (Васильев В.Г., Макагон Ю.Ф., Требин Ф.А. и Трофимук А.А.). Субмаринные газовые гидраты впервые наблюдались и были описаны в 1979 г. (Каспийское море, Тихоокеанское побережье Америки). Первоначально все находки газогидратов регистрировались как мерзлые отложения. В дальнейшем было доказано, что это своеобразные запасы газа в твердом виде. Мессояхское газовое месторождение, например, переданное в эксплуатацию в 1970 г., кроме свободного газа содержит в верхней части газогидратную залежь (Макагон, 2003). «Можно считать достоверно установленным научным фактом, что природные газовые гидраты образуют скопления, вплоть до формирования газогидратных залежей как на суше, так и под дном морей, а также находятся в рассеянном состоянии» (Кузнецов и др., 2003).
Газовые гидраты могут образовываться и стабильно существовать в широком интервале давлений и температур (для метана: от 2×10-8 до 2×103 МПа при температуре от 70 до 350 К). Один объем воды связывает в гидратное состояние до 160 объемов метана. При этом ее удельный объем возрастает на 26% (при замерзании воды ее объем увеличивается на 9%) (Макагон, 2003). Теплопроводность газогидратов обычно очень низкая: 0.4 Вт/(м×К) для метана и пропана. Процесс образования газогидрата, как уже было сказано, происходит с выделением тепла, а его разложение – с поглощением тепла. Причем, теплота фазовых переходов выше, чем у воды. «На разложение природных гидратов в пласте необходимо затратить от 6 до 12% энергии, содержащейся в гидратированном газе» (Макагон, 2003, стр.71).
Зоной образования гидрата является толща пород, в которой давление и температура соответствуют термодинамическим условиям стабильного существования гидрата газа. Мощность этой зоны в геологическом разрезе может достигать многих сотен метров. Так, например, для образования гидрата метана при температуре 0°С необходимо давление свыше 26 атм. (2.6 МПа), а при температуре равной минус 10°С достаточно давления 19 атм. При давлениях более 26 атм. гидраты метана могут находится в стабильном состоянии при положительных температурах. Таким образом, в районах криолитозоны, на глубинах 250-300 м и ниже существуют условия для формирования газогидратной метановой залежи. В то же время, гидраты сероводорода при температуре 0°С могут быть в стабильном состоянии непосредственно у поверхности земли (Макагон, 2003).
Процесс образования и разложения газогидратов сходен с образованием водного льда и его таянием. Весьма важное отличие (кроме теплофизических свойств) состоит в том, что температура их образования с падением давления не повышается, как температура замерзания воды, а понижается. Как показывают исследования А.А.Коновалова и И.Д.Данилова (1999), при резком снижении давления (в условиях регрессии морского бассейна) и скачкообразном понижении равновесной температуры, начинается разрушение газогидратной залежи. Это, в свою очередь, вызывает охлаждение контактирующих с ней пород и (при достаточной интенсивности процесса) – их переход в мерзлое состояние. Согласно концепции этих авторов формирование многоярусного строения криолитосферы морских равнин на севере Западной Сибири происходило не только в результате палеотемпературных изменений, но и под воздействием менявшихся в ходе трансгрессий и регрессий давления и фазового состояния газогидратных залежей.
Благоприятные условия для гидратообразования существовали и в горных породах суши в периоды резкого похолодания климата, как это было, например, в сартанское время. Глубокое промерзание недр и понижение температуры пород должны были способствовать образованию гидратов газа (Типенко и др., 1999).В процессе разложения газогидратов при отрицательной температуре (при падении давления) обнаруживается эффект самоконсервации (замедление процесса) вследствие покрытия поверхности гидрата пленкой льда.
Кроме природных широко распространены техногенные газогидраты, образующиеся в призабойной зоне и стволе буровых скважин, в промысловых коллекторах, шлейфах и пр.