Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На основе экспериментального моделирования с использованием песчаных образцов, отобранных из газопроявляющих горизонтов в толщах многолетнемерзлых пород в пределах Южно-Тамбейского ГКМ (п-ов Ямал), рассмотрены условия метастабильности внутримерзлотных газогидратных образований при снижении давления ниже равновесного и последующем повышении их температуры, а также проведена оценка объемов газовой эмиссии и изменения фильтрационных, деформационных и прочностных показателей газонасыщенной породы в результате разложения поровых гидратов и их оттаивания. Полученные в ходе экспериментальных исследований данные указывают, что ни в одном из исследуемых образцов не было зафиксировано полного разложения порового гидрата, а остаточная гидратонасыщенность для мерзлых песчаных образцов в условиях самоконсервации составляла не менее 8%. Дополнительно было выявлено, что при повышении температуры мерзлого гидратосодержащего образца разложение остаточного гидрата и таяние порового льда происходят по-разному и сильно зависит от барических условий. Из полученных экспериментальных данных следует, что активная диссоциация порового гидрата происходит при достижении некоторой критической температуры, которая зависит от величины газового давления. Так, при нагревании мерзлых гидратосодержащих пород процесс разложения порового гидрата начинался раньше, чем таянье льда ‒ температура начала интенсивного разложения порового гидрата составила ‒1,2℃ и ‒0,8℃ при давлениях газа 1,4 МПа и 1,8 МПа, соответственно, при этом температура оттаивания мерзлых газонасыщенных грунтов в обоих случаях была в пределах ‒0,4...‒0,5оС. Полученные данные указывают, что величина температуры начала интенсивного разложения гидрата в зависимости от барических условий, может быть как ниже точки фазовых переходов поровый лед-вода (температура начала замерзания), так и быть равной или превышать температуру оттаивания породы при увеличении газового давления до или выше равновесного значения. В последнем случае таяние порового льда в гидратосодержащей породе при повышении температуры будет опережать разложение порового гидрата метана. Также было установлено, что в результате повышения температуры и оттаивании мерзлых грунтов, содержащих метастабильный (реликтовый) поровый гидрат, будет происходить дополнительная эмиссия метана, которая применительно к исследуемым природным грунтам может достигать 12 м3 и более на 1 м3 оттаивающего гидратосодержащего грунта. При этом, объем выделившегося при нагревании мерзлых образцов газа будет в первую очередь определяться величиной остаточного гидратосодержания мерзлой породы, которое зависит от эффективности проявления самоконсервации порового гидрата. В целом результаты экспериментов указывают на необходимость учета при прогнозных расчетов теплового взаимодействия инженерных сооружений (в первую очередь добывающей скважины) с многолетнемерзлыми породами, содержащими внутримерзлотные газогидратные скопления не только температуру оттаивания мерзлых газонасыщенных пород, но и температуру начала интенсивного разложения порового гидрата, т.к. именно при достижении последней следует ожидать активизацию негативных физико-химических процессов в массиве мерзлых пород, связанных с интенсивными газопроявлениями, и изменение напряженного состояния вмещающих пород. В ходе проведенных экспериментальных исследований было установлено влияние начальной льдо- и гидратонасыщенности на газовую проницаемость мерзлых гидратонасыщенных песчаных пород в условиях диссоциации порового гидрата. Так, при суммарной степени заполнения пор (льдом и гидратом) около ~50% характерно некоторое снижение проницаемости, связанное со структурными преобразованиями порового пространства в процессе самоконсервации порового гидрата. Однако, для большинства случаев, когда большая часть порового пространства (60-70%) заполнена льдо-газогидратной составляющей, наблюдается увеличение проницаемости, что обусловлено, с одной стороны, увеличением активной пористости в результате изменения удельных объемов гидрата и льда, а с другой стороны - образованием при диссоциации порового газогидрата пористого льда, проницаемость которого существенно выше. Так, в результате разложения порового гидрата газопроницаемость мерзлого песка (при общей степени заполнения пор около 60%) увеличилась от 0,01 мД до 12,9 мД. Последующее оттаивание мерзлых гидратосодержащих образцов сопровождалось существенным (более чем на 1 порядок) повышением газопроницаемости. Дальнейшее повторное замораживание газонасыщенных песчаных грунтов уже не вносило существенных изменений в фильтрационную характеристику и полученные мерзлые газонасыщенные грунты характеризовались высокой газовой проницаемостью. В целом, результаты исследований подтверждают возможность существования многолетнемерзлых пород с высокой проницаемостью в результате повышения их температуры и разложения находящихся в них реликтовых газогидратов, которое могло происходить в геологическом прошлом. В ходе методических исследований удалось отработать методику экспериментальной оценки деформаций мерзлых гидратосодержащих пород в условиях диссоциации порового гидрата и таяния льда с использованием стандартного оборудования, применяемого для определения инженерных характеристик мерзлых пород. В ходе экспериментов по оценке деформации мерзлых гидратосодержащих песчаных образцов при разложении порового гидрата в условиях его самоконсервации была отмечена тенденкция к увеличению высоты исследуемого мерзлого образца примерно на 3,0%, т.е. наблюдается некоторое «криогидратное распучивание». При этом интенсивность «криогидратного распучивания» хорошо коррелируется с кинетикой разложения порового гидрата в мерзлых породах и, по всей видимости, является следствием изменения соотношения гидрата и льда в поровом пространстве, а также их структурных особенностей, таких как формированием пористого льда в результате диссоциации порового гидрата и замерзания переохлажденной воды, образующейся при этом. В экспериментах были также были получены значения вертикальных деформаций исследуемых мерзлых гидратосодержащих песчаных образцов в результате повышения температуры и их оттаивания. Так для исследуемых оттаивающих песчаных образцов относительная вертикальная деформация составила около 2,3%. Дополнительно с целью оценки прочностных характеристик мерзлых гидратосодержащих песчаных грунтов была проведена адаптация стандартного метода шарикового штампа. В результате проведенных исследований было зафиксировано существенное снижение значения эквивалентного сцепления в мерзлом гидратосодержащем песке при разложении порового гидрата. Так, за счет разложения порового гидрата величина эквивалентного сцепление мерзлого гидратосодержащего песчаного образца уменьшилась примерно в 5 раз от 5,2 МПа до 0,9 МПа, что подтверждает представления о том, что содержание гидратной компоненты (в том числе и находящейся в метастабильном состоянии) в мерзлом грунте является определяющим определяющим фактором в формировании его физико-механических характеристик.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения проекта на основе экспериментального моделирования с использованием песчаных образцов, том числе отобранных из газопроявляющих горизонтов в толщах многолетнемерзлых пород в пределах Южно-Тамбейского ГКМ (п-ов Ямал), были проведены исследования фазовых превращений в мерзлых гидратосодержащих породах и условий стабильности реликтовых внутримерзлотных газогидратных образований при снижении давления ниже равновесного, а также проведена оценка объемов газовой эмиссии и изменения теплопроводности и прочностных характеристик мерзлых пород в результате разложения поровых гидратов. Дополнительно была разработана экспериментальная методика моделирования фазовых превращений в гидратосодержащих породах при их взаимодействии с различными химическими средами. В ходе проведения экспериментального моделирования по оценке изменения теплофизических свойств мерзлых гидратосодержащих пород было показано, что при снижении равновесного давления при фиксированной отрицательной температуре (около ‒6℃) теплопроводность гидратосодержащих образцов в начале снижается (от первых процентов до 10%), вследствие микротрещиннообразования, а затем повышается за счет диссоциации порового гидрата и перехода его через фазу воды в лед. Диапазон изменения теплопроводности зависит от перепада давления, от количества и интенсивности разложения порового гидрата, а также от величины дополнительного льдообразования. В целом в процессе диссоциации порового гидрата в мерзлом образце при снижении давления повышение теплопроводности может достигать 20%. При повышении температуры песчаных грунтов, содержащих газогидрат, до положительной величина значения теплопроводности будет зависеть от остаточного гидратосодержания и порового льда. При гидратосодержании в пределах 20−40% это снижение составляет около 30%. В засоленном мерзлом песке, где остаточный гидрат не фиксируется, величина снижения будет зависеть от степени засоления, так при засоленности 0,14% это снижение составило около 40%. Результаты экспериментального моделирования фазовых превращений в мерзлых гидратосодержащих песчаных грунтах в условиях снижения давления ниже равновесного показали, что разложение порового гидрата, вследствие проявления эффекта самоконсервации газогидрата при отрицательных температурах, как правило, затухает во времени. При этом для большинства исследуемых грунтовых сред (за исключением засоленных) сохранность порового гидрата на момент окончания эксперимента составила не менее 40%. Полученные результаты, в целом, подтверждают, что для исследованных гидратонасыщенных образцов интенсивность диссоциации порового гидрата после снижения давления газа ниже равновесного может изменяться в широком диапазоне, что обусловлено грунтовыми характеристиками образцов (гидратосыщенностью, засоленностью), а также величиной снижения давления. Оценка эмиссии метана во времени при диссоциации порового гидрата в образцах показывает, что наиболее интенсивное выделение метана имеет место в засоленном гидратонасыщенном образце, где всего лишь за 6 часов объем выделившегося газа достиг почти 9 дм3, а скорость выделения газа составляла около 2,3 дм3/час. Для незасоленных грунтовых сред, где наблюдалось затухание диссоциации порового гидрата эта величина не превышала 0,3 дм3/час. В незасоленных песчаных образцах при снижении давления до 0,1 МПа объем выделившегося метана на момент времени 140 часов был близок и составлял около 5 дм3. При небольшом снижении давления относительного равновесного значения (несколько атмосфер) при заданной отрицательной температуре происходил достаточно быстрый его выход за счет диссоциации на равновесие, что привело к полному затуханию эмиссии после 70 часов ведения эксперимента. В рамках реализации проекта были проанализированы данные 48 (16 из которых были выполнены за отчетный период) механических испытаний мерзлых гидратосодержащих песчаных пород. Полученные данные подтверждают наши предположения о большей прочности мерзлых гидратосодержащих сред, находящихся при пластовых давлениях выше равновесного, по сравнению с аналогичными грунтовыми средами при давлениях ниже равновесного. При этом прочность льдо- и гидратосодержащих песчаных пород при пластовых давлениях выше равновесного может быть в 2−3 раза выше, чем у подобных грунтов, в условиях наличия реликтовых (метастабильные) поровых гидратов, что связано со некоторыми структурными особенностями (микротрещины, пористый лед) метастабильных поровых газогидратных образований при отрицательных температурах. Кроме того, было отмечено закономерное повышение прочности мерзлых пород при увеличении гидратосодержания, которое достаточно четко прослеживается как при давлениях выше равновесного, так и при давлении ниже равновесного, т.е в условиях самоконсервации газовых гидратов. В целом результаты исследований показывают, что увеличение доли гидратной компоненты в мерзлых породах до 50−60% повышает их прочность примерно в 2 раза. В ходе выполнения проекта была отработана методика экспериментального моделирования фазовых переходов (таяния порового льда и диссоциации порового гидрата) в мерзлых гидратосодержащих породах в условиях солепереноса. Эта методика была опробована как при давлениях ниже (0,1−1,8 МПа), так и выше равновесного значения (1,8−6,0 МПа) при фиксированных температурных условиях (около −6℃). В целом, рассматриваемый подход сводился к созданию физического контакта исследуемых мерзлых гидратонасыщенных образцов с замороженными солевыми растворами. В ходе отработки методики использовался кварцевый мелкозернистый песок, а в качестве контактирующего раствора использовался замороженный раствор NaCl концентрациями 0,1 и 0,2 N. В результате для определения степени диссоциации гидрата и оттаивания льда исследуемые образцы снимались с замороженного контактного раствора через определенные промежутки времени, при этом в случае экспериментов под давлением барокамера каждый раз открывалась. Для каждого образца с шагом в 5−8 мм определялся ряд параметров, характеризующих содержание поровой влаги, газогидрата и солей. Определение фазового состава поровой влаги в исследуемых образцах песка проводилось методом «иглы» для определения оттаявшей части (путем локализации разуплотненной части), а также через определение гидратосодержания, что позволило понять степень перехода поровой влаги из гидратной формы в ледяную. Дополнительный анализ полученных данных по распределению концентрации ионов солей и остаточного гидратосодержания (а также границы оттаивания грунта) по высоте образца дает возможность оценить некоторую критическую концентрацию полной диссоциации порового газового гидрата (или оттаивания порового льда). В итоге разработанная методика позволяет проследить динамику диссоциации поровых газогидратов (изменение гидратонасыщенности и коэффициента гидратности) и оттаивания порового льда в мерзлых грунтовых образцах в условиях солепереноса при различном газовом давлении, а также позволяет проследить влияние различных факторов на этот процесс (температуры, состава и концентрации солей, гранулометрического состава и т.д.), что открывает большой потенциал для ее дальнейшего использования. За второй год выполнения проекта было опубликовано 7 научных публикаций в ведущие зарубежные издания (в том числе входящие в Q-1), где рассматриваются особенности фазовых превращений и условий сохранности поровых гидратов в мерзлых породах при снижении давления ниже равновесного, повышения температуры и взаимодействия с солевыми растворами, а также проведена оценка объемов газовой эмиссии и изменения фильтрационных характеристик газонасыщенных пород в результате разложения поровых гидратов и их оттаивания. Кроме того, по тематике проекта было представлено 5 устных докладов на сессии “Газ и газовые гидраты в криолитозоне” в рамках Шестой Конференции Геокриологов России «Мониторинг в криолитозоне» (14−17 июне 2022 года) в г. Москве.