Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе выполнения проекта проведен анализ опубликованных данных о газо- и гидратопроявлениях в криолитозоне Российской Арктики. В результате была составлена таблица газопроявлений на территории криолитозоны Российской Арктики как на суше, так и на шельфе, в которой отражены характерные признаки газопроявлений и возможные источники газа, включая газогидратные образования в породах криолитозоны. Эти данные были использованы для построения схематической карты распространения газо- и гидратопроявлений в Российской Арктике. Для оценки возможности образования и существования газогидратов в Арктической криолитозоне было проведено математическое и экспериментальное моделирование. На основе математического моделирования получены данные по эволюции криолитозоны и зон стабильности газовых гидратов в среднем-позднем неоплейстоцене и голоцене для исследуемых районов. В результате моделирования динамики мощности криолитозоны показано, что на территории Бованенковского НГКМ её мощность в первой половине позднего неоплейстоцена достигала 450-500 м, а в настоящее время составляет 250-350 м в зависимости от величины теплового потока, изменяющегося от 40 до 60 мВт/м2. Во время существования наземного оледенения на территории Ямала мощностью до 500 м за счёт избыточного давления под ним было возможно формирование зоны стабильности гидрата метана мощностью более 550-650 м, причем верхняя граница зоны стабильности располагалась в теле ледникового покрова, а нижняя – ниже подошвы криолитозоны. Из этого следует, что после исчезновения ледника зона стабильности сильно сократилась по мощности преимущественно сверху, однако в настоящее время может существовать в диапазоне глубин 250-300 м при относительно высоких тепловых потоках снизу и в диапазоне глубин 250-600 м при значения теплового потока в 1.5 раза меньшем. По данным моделирования для района арктического шельфа моря Лаптевых свойственны значительно более мощная криолитозона (до 600-800 м) и ЗСГГ (до 1200-1300 м), однако на территории собственно шельфа в настоящее время идёт активная деградация сверху и мёрзлых толщ и ЗСГГ, оказавшихся в субмаринных условиях. Это негативно влияет на возможность сохранения реликтовых газовых гидратов в верхних горизонтах разреза, что требует дальнейшего изучения. Для выявления условий существования реликтовых газогидратов в толщах мерзлых пород Арктики было проведено экспериментальное моделирование процессов диссоциации поровых гидратов в мерзлых породах и оценка условий их самоконсервации в поровом пространстве при отрицательных температурах. В качестве объекта исследования использованы песчано-супесчаные грунты, наиболее характерные для газопроявляющих (выше зоны стабильности газогидратов) горизонтов Арктических мерзлых толщ. Выполненные эксперименты показали, что для всех исследуемых мерзлых гидратонасыщенных песчаных и супесчаных образцов в интервале температур от -16 оС до - 2 оС было характерно неполное разложение порового гидрата при сбросе давления газа, ниже равновесного. В ходе анализа экспериментальных данных было выявлено, что при характерной для арктической криолитозоны температуре -6 оС сохранность порового газогидрата в мерзлых грунтовых образцах при снижении давления ниже равновесного может достигать 60%. С увеличением дисперсности и повышением температуры эффект самоконсервации порового гидрата снижался, однако даже при температуре – 2 оС в незасоленных песчаных образцах фиксировалось остаточное содержание порового гидрата метана. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о возможности геологического проявления эффекта самоконсервации поровых газогидратов в мерзлых породах. На основе физического и математического моделирования для районов исследования показана возможность существования реликтовых газогидратных скоплений в мерзлых породах, благодаря геологическому проявлению эффекта самоконсервации поровых гидратов, несмотря на то, что в геологическом прошлом были периоды, когда вся мерзлая толща имела высокую отрицательную температуру (до -1,5... -2 оС). Кроме того, отмечено, что определенное стабилизирующее влияние на устойчивость реликтовых газогидратных образований в мерзлых породах будет оказывать давление вышележащих грунтовых толщ, а также низкая проницаемость мерзлых пород. В ходе выполнения задач, поставленных в проекте, была разработана методика определения равновесного содержания жидкой фазы в гидратосодержащих (гидрат метана) породах при низких положительных и отрицательных по Цельсию температурах. Методика включает экспериментальные определения активности поровой влаги при атмосферном давлении и последующий термодинамический пересчет равновесного весового содержания остаточной влаги в образце (т.е. количества незамерзшей и неклатратной воды) при заданных термобарических условиях. Сравнительный анализ результатов определения незамерзшей и неклатратной воды по предлагаемому методу показал хорошую сходимость с прямым экспериментальным контактным методом. На основе этой методики проведена оценка содержания незамерзшей и неклатратной воды в мерзлых и содержащих гидрат метана модельных и природных пористых средах. Выявленные термодинамические особенности содержания жидкой фазы в мерзлых гидратосодержащих породах следует рассматривать как важный фактор формирования реликтовых газогидратных образований в мерзлых толщах. В ходе методических исследований были отработаны методики экспериментальной оценки газопроницаемости, теплопроводности и прочности мерзлых гидратосодержащих песчаных пород при неравновесных условиях в процессе самоконсервации порового гидрата метана. Определение газопроницаемости проводилось на основе фильтрации газа через мерзлые образцы мелкозернистого кварцевого песка при различных значениях гидратонасыщенности. Теплопроводность мерзлых пород, содержащих метастабильные поровые гидраты, определялась методом цилиндрического зонда. В качестве прибора для определения теплопроводности образцов был использован аналитический зонд KD-2, характеризующийся минимальным тепловым воздействием на исследуемый объект. Прочность (кратковременная) мерзлых гидратосодержащих пород определялась методом одноосного сжатия в режиме быстрого испытания. Опробование данного подхода на грунтовых образцах-близнецах показало хорошую сходимость получаемых результатов. Результаты экспериментальных исследований показали, что величины газопроницаемости и теплопроводности мерзлых гидратосодержащих пород могут увеличиваться в несколько раз в процессе медленной диссоциации порового гидрата при неравновесных условиях. Что связано с изменением соотношения льда и газогидрата в поровом пространстве, а также со структурно-текстурными преобразованиями льдо-газогидратной компоненты вследствие процесса самоконсервации порового гидрата. Экспериментально показано, что снижение гидратонасыщенности мерзлых образцов при неравновесных условиях сопровождается понижением их прочности, несмотря на то, что общая степень заполнения порового пространства гидратом и льдом практически не меняется.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения проекта был проведен анализ экспериментальных и теоретических данных по влиянию пластового давления на степень сохранности порового гидрата в дисперсных породах в условиях проявления эффекта самоконсервации. Исследуемые породы были отобранны из газовыделяющих горизонтов в толще многолетнемерзых пород полуострова Ямал. В результате экспериментального моделирования отмечено, что внешнее газовое давление (метан до 0,9 МПа) существенно (почти в 2 раза) увеличивает сохранность гидрата метана в мерзлых гидратосодержащих образцах, находящихся в метастабильном состоянии, вследствие более эффективного проявления эффекта самоконсервации. Полученные результаты подтверждают наличие более благоприятных условий для сохранности реликтовых гидратов на глубинах 60-100 метров, где чаще всего фиксируются активные газопроявления при бурении скважин в криолитозоне (север Западной Сибири). При термодинамическом описании эффекта самоконсервации порового гидрата в мерзлых породах был проведен анализ существующих физических моделей разложении и самоконсервации газогидратов в свободном объеме при отрицательных температурах. Недостатком имеющихся моделей является наличие ряда физико-химических коэффициентов, значение которых затруднительно определить экспериментально, что делает их слабо пригодными для решения конкретных прогнозных задач по оценке стабильности газогидратных образований в криолитозоне. Поэтому нами предложена фильтрационная модель самоконсервации газовых гидратов в мерзлых породах, которая была откалибрована по экспериментальным данным диссоциации газовых гидратов в мерзлых песчано-супесчаных породах и аппроксимирована в виде простой аналитической зависимости. На основе разработанной модели было показано, что реликтовые газогидратные скопления в многолетнемерзлых толщах благодаря проявлению эффекта самоконсервации могут сохраняться тысячи и десятки тысяч лет. Результаты математического моделирование мощности криолитозоны и зоны стабильности гидрата метана (ЗСГМ) показали, что возможность формирования газогидратов в верхних горизонтах (150 - 200 м) многолетнемерзлых пород (ММП) для исследованных районов связано, прежде всего, с прошедшими оледенениями, а также с криогенными давлениями в локальных скоплениях газа (газовые карманы). Так, в западном секторе Арктики в результате оледенений в неоплейстоцене (90-70 тыс.л.н) зона стабильности газогидратов доходила почти до поверхности. Опускание кровли ЗСГГ в толще мёрзлых пород, как показывают экспериментальные исследования, не должно сопровождается быстрым разложением внутримерзлотных газогидратов. По термодинамическим расчетам, основанным на экспериментальных данных, продолжительность существования метастабильных (реликтовых) газогидратных образований в многолетнемерзлых породах может составлять десятки тысяч лет. Что касается анализа условия существования газогидратных образований на территории восточно-арктического шельфа, то для данной территории положение зоны стабильности гидрата метана определяется в основном температурами пород (т.е. климатическими условиями), глубиной моря (фактор дополнительного давления), гидростатическим давлением в поровой воде отложений и степенью засолённости. При комплексном анализе результатов математического моделирования и экспериментальных исследований в толще мерзлых пород на арктическом шельфе можно ожидать реликтовые газогидраты в верхних горизонтах криолитозоны до глубин 150-200 метров, которые в прошлом формировались в континентальных условиях и имеют низкие значения засоленности, высокую льдистость, внешнее давление и преимущественно песчано-супесчаный состав. Эти факторы, не смотря на достаточно высокие значения отрицательных температур субаквальной мерзлоты (-1…-2 оС) позволяют предполагать наличие газогидратных скоплений в метастабильном состоянии при небольшой глубине оттаивании ММП (менее 100 метров). Результаты экспериментальных испытаний показали, что разложение порового гидрата при нагревание мерзлого незасоленного образца происходит в два этапа. Сначала при температурах порядка -1,5…-1 оС наблюдается слабое разложение которые резко усиливается при более высоких отрицательных температурах. Результаты экспериментов по взаимодействию мерзлых гидратосодержащих пород с солевыми растворами позволяют говорить об активной миграции ионов солей в мерзлых породах, содержащих газовые гидраты, результатом которой является разрушение внутригрунтовых газогидратных образований и эмиссия метана. При этом отмечаются критические концентрации солей, при которых в льдосодержащей породе реликтовый гидрат полностью разложился. Реакция реликтовых газогидратных скоплений в толщах мерзлых пород на снижение давлений, как показывают эксперименты, приводит к активизации их диссоциации в результате чего происходит уменьшение гидратосодержания мерзлых горизонтов пород и активизация процессов эмиссии метана. В ходе опытов были получены экспериментальные данные по газопроницаемости мерзлых гидратонасыщенных песков при различных термобарических условиях. Было выявлено, что в процессе диссоциации порового гидрата при отрицательных температурах (-5…-3 °С) и давлении ниже равновесного происходит повышение проницаемости мерзлых песчаных пород, которое сильно зависит от их гидрато- и льдонасыщенности. Анализ полученных материалов показал, что газовая проницаемость засоленного мерзлого песчаного образца, содержащего реликтовые гидраты, значительно выше, чем незасоленного, что связано с высоким содержанием незамерзшей воды и активным разложением порового гидрата во времени. На основе анализа экспериментальных данных авторами установлено, что одним из наиболее важных факторов, определяющие закономерности изменения теплопроводности гидратосодержащих пород, являются условия накопления порового газогидрата. Показано, что для всех исследуемых дисперсных пород песчаного и супесчаного состава наблюдается увеличение теплопроводности мерзлых гидратосодержащих пород при давлении ниже равновесного в условиях самоконсервации порового гидрата, что связано с медленной диссоциации порового гидрата в поровый лед и изменением соотношения лед- гидрат, теплопроводность которых резко различается (около 4 раз). В результате экспериментальных исследований был предложен метод оценки кратковременной прочности мерзлых образцах, содержащих реликтовые гидраты в условиях самоконсервации. Их прочность определялась методом одноосного сжатия в режиме быстрого испытания. При анализе экспериментальных данных было выявлено, что прочность мерзлых образцов снижается по мере уменьшения гидратосодержания в условиях проявления эффекта самоконсервации. Отмечено существование некого критического значения гидратонасыщенности (~ 30%), ниже которого не происходит дальнейшего снижения прочности. Это связано с проявлением цементирующего фактора газогидратной компоненты в образцах с высокой гидратонасыщенности более 40%. Эксперименты по влиянию цикла оттаивания-промерзания на прочность мерзлых образцов, содержащих реликтовые гидраты, показали существенное увеличение прочности после цикла оттаивания-промерзания. Так после цикла прочность увеличилась на 74% до 3,3 МПа. Это в первую очередь связано с таянием порового льда, который в результате диссоциации порового гидрата содержал много пор и структурных дефектов. При последующем замораживании поровой влаги образуется более плотный лед, что выражается в повышении прочности льдо-минерального скелета. Полученные результаты указывают, что пониженные значения прочности и теплопроводности мерзлых пород могут быть использованы как косвенный признак нахождения реликтовых газогидратных образований в мерзлом разрезе, которые не подвергались оттаиванию с момента формирования порового гидрата. По результатам проведенных исследований в рамках проекта РНФ было подготовлено и представлено два доклада (устный и стендовый) на 9-ую Международную газогидратную конференцию, которая проходила в г. Денвер (США) в июне 2017 года (Денвер, США, 2017). Первый - устный по результатам исследования фильтрационных характеристик мерзлых гидратосодержащих пород в условиях диссоциации поровых гидратов (Chuvilin, Grebenkin, 2017), второй - стендовый по результатам исследования жидкой фазы воды в гидратосодержащих породах (Istomin et al., 2017). Также результаты были представлены на Второй Азиатской конференции по мерзлотоведению в г. Саппоро (Япония). Научная общественность высоко оценила результаты проведенных исследований, отметив важность полученных данных для анализа и прогноза газовых выбросов из многолетнемерзлых пород при техногенном воздействии. Особый интерес к результатам исследования проявили коллеги из департамента по науке и инновациям ЯНАО в связи с проблемами образования воронок газового выброса на севере Западной Сибири.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Результаты экспериментального моделирования по взаимодействию полимерсодержащего бурового раствора (как теплого, так и охлажденного), используемого при проходке проходки ММП на газовых месторождениях полуострова Ямал, с мерзлыми гидратонасыщенными породами показали, что данный раствор в отличие от солевых растворов (активно применяемые в XX веке при бурении многолетнемерзлых горизонтов) слабо влияют на оттаивание мерзлого образца и диссоциацию поровых газогидратов. Исследование термодинамической активности поровой влаги в экспериментальных образцах показало, что процесс взаимодействия мерзлых гидратосодержащих пород с теплым буровым раствором сопровождается процессами массопереноса, что находит отражение в параметрах активности. Результаты теплового моделирования взаимодействия трехколонной газодобывающей скважины с вакуумной теплоизоляцией лифтовой трубы (до глубины 55 метров) с мерзлыми толщами, в том числе содержащими реликтовые газогидраты в интервале глубин 60−120 метров, применительно к территории Бованенковского ГКМ показали, что − за 30 летний период эксплуатации добывающих скважин радиусы ореолов оттаивания мерзлых пород, в том числе содержащих реликтовые гидраты, могу достигать 7−10 метров; − величина ореолов оттаивания мерзлых гидратосодержащих пород в большей степени определяется общей степени заполнения пор гидратом и льдом. Так, мерзлые гидратосодержащие породы с неполной степенью заполнения пор оттаивают больше, чем породы с полной степенью заполнения пор льдом и гидратом. Это связано с пропорциональным свободному поровому объему снижением объемной теплоты фазового перехода льда в воду. − наличие реликтовых гидратов метана (гидратонасыщенность до 20%) слабо снижает величины радиусов оттаивания мерзлых пород. Это можно связать с различными температурными условиями разложения реликтовых гидратов (при −2 градусах Цельсия) и оттаивания мерзлой породы (в нашей модели −1 градусах Цельсия). Поэтому при реализации расчетной модели получено, что температурный импульс от разложения гидратов затухал значительно раньше, чем данная единица объема породы начинала протаивать, что в итоге эквивалентно решению задачи с протаиванием мерзлой породы без гидрата. Результаты теплового моделирования подтвердили эффективность применения вакуумной теплоизоляции лифтовой трубы в конструкции трехколонной газодобывающей скважины. В итоге в интервале глубин, где была установлена теплоизоляция, вмещающие породы сохранялись в мерзлом состояние в течении всего периода эксплуатации скважины (30 лет). Анализ динамики ореолов оттаивания мерзлых пород, содержащих реликтовые гидраты, показал, что за 30 лет работы скважины потенциально может выделиться от 370 до 680 тыс. м3 метана, что эквивалентно ежесуточной эмиссии в диапазоне от 45 до 75 м3. В результате проведенной оценки механического взаимодействия газодобывающей скважины с мерзлыми породами, в том числе содержащие реликтовые гидраты метана, было показано, что осадка оттаявших пород составит до 3-х метров, что привести к формированию провальных полостей и каверн глубиной до 4,5−6,5 метров, объем которых ежегодно будет увеличиваться до 19 м3. Образовавшиеся пустоты следует рассматривать как своего рода накопители газа метана, образовавшегося в процессе разложения гидратосодержащих пород. Эти подземные напорные резервуары горючего газа находятся в непосредственной близости от скважины и при определенных условиях могут негативно повлиять на устойчивость ствола, а в ряде неблагоприятных сценариев (обратное промерзание газонасыщенных пород) привести к прорыву газа в приповерхностные условия и образование там кратерообразных форм рельефа (техногенный аналог воронок газового выброса, отмеченные на полуостровах Ямал и Гыдан). На основе анализа данных о газо- и гидратопроявлениях из криолитозоны Западной Сибири, интерпретации экспериментальных исследований условий образования и существования внутримерзлотных стабильных и сохранности реликтовых газогидратных скоплений в мерзлых породах, а также анализа результатов моделирования динамики криолитозоны и зон стабильности газовых гидратов в среднем-позднем плейстоцене и голоцене была построена карта районирования криолитозоны севера Западной Сибири. На карте выделены области существования реликтовых и стабильных газогидратных образований в толще ММП, а также показаны участки активных газопроявлений из верхних горизонтов мерзлой толщи. Помимо собственных материалов в основу построения карты для рассматриваемого региона легли данные по распределению температур многолетнемерзлых пород и мощности криолитозоны из работы коллег из ИНГГ СО РАН с учетом дополнительной информации специалистов Газпром-ВНИИГАЗа, РГУ Нефти и Газа и др. Анализ данной карты показывает, что область распространения реликтовых газогидратных образований занимает практически всю территорию полуостровов Ямал и Гыдан, а также значительную часть Тазовского полуострова. При этом стабильные газогидратные образования в толщах ММП характерны для значительной части территории района выше 64-го градуса северной широты, за исключением юго-западной части п-ова Ямал. Проведенный анализ данных по газо- и гидратопроявлениях в криолитозоне севера Западной Сибири, обобщение промыслового опыта строительства и эксплуатации скважин, а также выполненного в рамках проекта моделирования термического и механического состояния мерзлых гидратосодержащих пород при различных техногенных воздействиях, позволили предложить рекомендации по снижению негативного воздействия разложения газогидратных скоплений в криолитозоне на эксплуатационные скважины. В целом они сводятся снижению теплового воздействия на гидратосодержащие породы и в первую очередь на внутримерзлотные газогидратные образования, находящиеся в метастабильном (реликтовом) состоянии. Реализация данных рекомендаций может быть достигнута в результате следующих мероприятий: 1) Применение низкотемпературных буровых растворов на полимерной основе (исключается наличие в составе буровых растворов хорошо растворимых в воде солевых добавок с высокой миграционной способность ионов). 2) Конструкций скважин с теплоизоляцией лифтовой трубы на всю мощность ММП. При этом, для уменьшения стоимости возможно ограничение теплоизоляции до подошвы горизонта внутримерзлотных (реликтовых) гидратов. 3) Использование специальных арктических цементов для герметизации ствола скважины (однако инженерные аспекты взаимодействия таких цементов с внутримерзлотными гидратными скоплениями требуют дополнительного изучения). 4) Также целесообразна апробация активных охлаждающих систем вдоль ствола скважины (в верхней части разреза ММП). Для мониторинга температур и давлений в гидратосодержащих горизонтах рекомендуется применение современных оптоволоконных систем. По результатам проведенных исследований в рамках проекта РНФ был подготовлен и представлен стендовый доклада на 5-ую Европейскую конференции по мерзлотоведению в июне 2018 года (Шамони, Франция, 2018). В рамках доклада были представлены результаты экспериментальных исследований тепловых и фильтрационных характеристик мерзлых пород, содержащих реликтовые гидраты. Кроме того, были частично представлены основные геологические факторы, определяющие длительную сохранность реликтовых газовых гидратов в мерзлых толщах вследствие проявления эффекта самоконсервации порового гидрата метана (Chuvilin et al., 2018). Российские и зарубежные мерзлотоведы высоко оценила результаты проведенных экспериментальных исследований, направленных на оценку реакции газогидратных скоплений верхних горизонтов многолетнемерзлых пород на техногенное воздействие. Дополнительный интерес к результатам исследований проявили коллеги из ОАО «Мессояханефтегаз» в связи с имеющимися осложнениями при бурении и эксплуатации добывающих скважин на Восточно‒Мессояхском НГКМ, где отмечаются активные газопроявления из всей толщи многолетнемерзлых пород.