О роли газогидратов в процессах аккумуляции углеводородов и формировании их залежей

О роли газогидратов в процессах аккумуляции углеводородов и формировании их залежей

Кратко рассмотрены вопросы, касающиеся условий формирования газогидратных залежей (ГГЗ) в земной коре и роли газогидратов в процессах становления и развития Земли. Изучение условий образования ГГЗ и свойств гидратов выявило их влияние на формирование и сохранность залежей углеводородов на материках и в акватории океанов. Предложена рабочая гипотеза формирования атмосферы и гидросферы планеты, участия газогидратов в энергетике вулканизма. Показано, что состав вулканического газа определяется и составом привнесенного газа в гидратном состоянии.

Основным современным источником энергии является углеводородное топливо (нефть и природный газ), доля потребления которого в энергетическом балансе мира возросла за 80 лет с начала текущего столетия с 3 до 75%. Научно обоснованное планирование геологоразведочных работ на нефть и газ, выбор стратегии и тактики их поисков и разведки требуют повышения достоверности прогноза неоткрытых ресурсов углеводородного сырья.

Наблюдаемое в наши дни повышение доли природного газа в обеспечении потребностей экономики нашей страны (в конце текущей пятилетки его годовая добыча в СССР будет увеличена на 165—205 млрд. м3 по сравнению с 1980 г.) является примером неустанной заботы Коммунистической партии и Советского правительства об улучшении топливно-энергетического баланса за счет снижения доли нефти как топлива и замены ее газом, энергией атомных, тепловых и электрических станций. «Жизнь требует продолжить поиск принципиально новых источников энергии».

В связи с этим резко возрастает актуальность совершенствования методов научного прогноза и поисков новых нетрадиционных источников минерального топлива, таких как битуминозные сланцы, песчаники, насыщенные высоковязкими нефтями, газы угольных месторождений, растворенные в пластовых водах, и т. д. Особое место в этом ряду занимают природные газы, сосредоточенные в земной коре в твердом гидратном состоянии.

в данной работе кратко рассмотрены условия формирования ГГЗ в земной коре и их влияние на образование и сохранность залежей углеводородов на материках и в акватории океанов. Исследование свойств этих удивительных природных образований позволяет получить ответы на ряд вопросов, связанных с формированием и развитием нашей планеты.

Краткая характеристика гидратов природных газов

Гидраты газов представляют собой соединения-включения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных давлениях и температурах заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи. Формально гидраты можно отнести к химическим соединениям, так как они имеют строго определенный состав. Но это соединения молекулярного типа, возникающие за счет вандерваальсовых сил притяжения молекул, которые являются не столь уж малыми (примерно 20—40кДж/моль) благодаря тесному соседству молекул газа с молекулами воды. При их образовании не происходит спаривания валентных электронов и соответствующего пространственного перераспределения электронной плотности в молекуле.

В настоящее время получены и изучены условия возникновения и существования гидратов почти всех природных и синтетических газов за исключением водорода, гелия и неона. Расчеты показывают, что при t = 0°С гидраты неона и гелия могут появиться при давлениях соответственно Р = 1,7 * 103 и 4 * 104 МПа. На рис. 1 приведены данные но упругости паров и равновесные кривые образования гидратов наиболее распространенных газов. В зонах, расположенных левее и выше этих кривых, газы находятся в твердом гидратном состоянии, правее и ниже — в свободном состоянии.

При образовании гидрата один объем воды связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа. Молекулы воды при возникновении гидрата и сооружении ажурных полостей как бы раздвигаются молекулами газа, заключенными в эти полости,— удельный объем воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26—1,32 см3/г, что значительно превышает удельный объем льда (1,09 см3/г).

Свойства гидратов изучены недостаточно. Теплота гидратообразования при t ≈ 0°С составляет около 420 кДж/кг гидрата, что примерно на 20% выше теплоты льдообразования. Массовая теплоемкость гидрата примерно на 15% ниже теплоемкости льда. Теплопроводность гидрата, по Д. В. Дэвидсону, мало зависит от температуры и составляет всего около 0,5 Вт/(м * К), в то время как теплопроводность льда сильно зависит от температуры (рис. 2).
Плотность гидратов изменяется в широком диапазоне: от 0,8 до 1,8 г/см3. Плотность гидратов предельных углеводородов при t = 0°С: СН4 - 0,897 г/см3, С2H6 - 0,957; С4Н10 - 0,874; i-С4Н10 - 0,905.

Гидраты газов, полученные из пресной воды, обладают в 10—15 раз более высокой электропроводностью, чем у льда (10-7 Ом-1*см-1). Гидраты, полученные из растворов солей с минерализацией 10 г/л, имеют электропроводность в 3—4 раза ниже электропроводности исходного раствора. Для раствора минерализации 50 г/л это отличие составляет всего 40—70%.

Растворимость газов в воде, контактирующей с гидратом, резко понижается с ростом избыточного давления и минерализации воды [8].

Проницаемость гидратов очень низкая и близка к величине проницаемости плотных водонасыщенных глин, например, коэффициент проницаемости воды через гидрат метана составляет 5(10-6—10-8) см2/с, а для гидратов природного газа относительной плотности — (0,6-1) * 10-6 см2/с.

Как отражено на рис. 1, упругость газа (пара) над гидратом на один-два порядка ниже упругости газа в свободном состоянии [7].

Из сопоставления приведенных кривых видно, что для сохранения газов в свободном состоянии необходимо давление значительно выше, чем для сохранения в гидратном состоянии, например, при t = -100°С для аргона и метана — в 54 раза, для углекислоты — в 100 раз. Это свойство гидратов сыграло исключительную роль в сохранении газов на планете в период ее формирования.

Гидраты газов генетически подразделяются на два вида: искусственные — технологические гидраты, образующиеся в системах добычи, сбора, первичной обработки, транспортировки, хранения и переработки газов; природные гидраты — формирующиеся и накапливаемые в природных условиях без вмешательства человека [1]. Они выявлены сегодня в недрах и на дне морей и океанов нашей планеты, могут образовываться в атмосфере (на Венере на высоте 50—70 км от ее поверхности зафиксированы условия, благоприятные для формирования гидратов углекислоты), на поверхности планет (полярные шапки Марса) и в просторах космоса (кольца Сатурна и др.).

Если технологические гидраты, открытые еще в 1811 г., исследовались все это время и изучаются теперь в связи с тем, что они осложняют развитие газодобывающей промышленности, то с момента открытия природных гидратов прошло всего около 10 лет. Тем не менее полученные результаты убедительно показывают высокую перспективность использования их в качестве минерального источника сырья для химической и энергетической отраслей промышленности.

Генерируемые и мигрирующие в земной коре газы, попадая в соответствующие термодинамические условия и соединяясь с водой, образуют гидраты, накопление которых приводит к формированию ГГЗ. В зависимости от условий и стадии их формирования они содержат газ частично или полностью в гидратном состоянии. Снизу ГГЗ могут контактировать с пластовой, подошвенной или крыльевой водой, со свободной газовой, газоконденсатной или нефтяной залежью; сверху — со свободной газовой залежью, с газонепроницаемыми пластами, а в акватории океана — со свободной водой.

За 10-летннй период комплексных исследований получены новые данные, характеризующие условия образования газогидратов и иллюстрирующие процесс формирования ГГЗ на материках и в акватории океана; намечены некоторые способы поисков и разведки ГГЗ; предварительно оценены масштабы скопления природных газогидратов; разработано теоретическое обоснование способов разложения ГГЗ; промышленно опробован один из методов их разработки.

Зона гидратообразования

Зона гидратообразования (ЗГО) — зона горных пород, насыщенных водой и газом, в которой термодинамические условия соответствуют образованию гидратов. Мощность ЗГО зависит также от состава газа и минерализации пластовой воды.

Современная термодинамическая характеристика осадочного чехла земной коры на 25% территории суши и около 90% акватории Мирового океана соответствует условиям накопления и сохранения природных газов в твердом гидратном состоянии [6, 12, 13 и др.]. Максимальная мощность ЗГО на материках приурочена к наиболее охлажденным разрезам осадочного чехла земной коры, характеризующимся опресненными пластовыми водами.
Большая часть осадков в акватории океанов, мощность которых колеблется от нескольких сантиметров до нескольких километров, находится в ЗГО. В тропической зоне ЗГО начинается от глубин 250—500 м, а в полярных морях — от глубин 100—250 м. Верхняя граница ЗГО в акватории обычно находится в слое воды и определяется пересечением равновесной кривой гидратообразования и кривой изменения температуры воды. Нижняя граница ЗГО в акватории океана обнаруживается в толике придонных осадков и определяется пересечением кривой изменения температуры осадочного чехла и равновесной кривой гидратообразования.

Особое значение представляет зона сочленения арктических морей с материками, значительная часть которых характеризуется мощным слоем мерзлых пород. В прибрежных районах суши под влиянием океана мощность криолитозопы сокращается. Уменьшается также и глубина залегания ЗГО, т. е. непроницаемая гидратная покрышка с определенной широты поднимается к северу. С другой стороны, терморежим арктических морей соответствует условиям возникновения гидратов газов в придонных осадках практически на всей территории. Положение нижней границы ЗГО в придонной части понижается с углублением  океана.

В прибрежной полосе ЗГО па материке и в придонной части океана смыкаются, образуя мощный куполообразный экран, простирающийся вдоль берега и являющийся надежной покрышкой для свободных угле-, водородов. Генерируемые и мигрирующие газы скапливаются под этой покрышкой независимо от наличия литологических ловушек, образуя мощные скопления углеводородов.

Минерализация пластовых вод в разрезе ЗГО практически остается величиной постоянной в любой части акватории морей и сдвигает равновесную кривую гидратообразования не более чем па 1—2°С, в то время как на материках минерализация пластовых вод может оказывать весьма значительное влияние на мощность ЗГО.
Механизм формирования ГГЗ значительно отличается от механизма формирования залежей свободного газа в результате низкой диффузионной проницаемости гидрата, низкого газосодержания пластовых вод, контактирующих с ГГЗ, низкой упругости газа в гидратном состоянии и др.

Накопление отдельных компонентов природного газа в твердой фазе может начаться уже на первых стадиях превращения органического вещества при биохимических преобразованиях, если они происходят в ЗГО или под нею. При этом в гидраты переходят также и свободные газы, поступающие из земных глубин.
Газогидратные залежи, существующие в современных термодинамических условиях осадочного чехла земной коры, могут быть первичными и вторичными. Первичные — это такие ГГЗ, которые после своего образования не претерпевали цикличного изменения термодинамических условий, сопровождаемых фазовыми переходами. Обычно первичные ГГЗ приурочены к акватории Мирового океана и залегают без литологических покрышек.
Вторичные ГГЗ — залежи, сформировавшиеся за счет свободного газа при изменении термодинамических условий их залегания. Обычно они находятся под непроницаемой покрышкой, возраст их определяется продолжительностью последнего периода стабильного существования равновесных термодинамических условий  гидратообразования  в разрезе.

Газы, генерируемые в зоне диагенеза и образующиеся в придонных осадках акваторий морей и океанов, не рассеиваются в придонных водах и практически полностью сохраняются без литологических покрышек, если образование их происходит в ЗГО. Газы, генерируемые ниже ЗГО, в зоне катагенеза, и достигающие при вертикальной миграции ЗГО, также не рассеиваются, а накапливаются в гидратном или свободном состоянии под непроницаемой газогидратной покрышкой. Переходы природных газов в клатратную, свободную или воднорастворенную форму залегания отражают цикличный характер многократного изменения термодинамической обстановки.

Косвенным признаком существования геогазогидратных режимов в истории развития нефтегазоносных бассейнов могут служить наличие (в том числе и на значительных глубинах — до 2—2,5 км) дегазированных вязких нефтей высокой плотности, низкие уровни подземных вод и дефицит пластового давления флюидов.

К вопросу об освоении ГГЗ

Определение ресурсов газа, содержащегося в гидратном состоянии на нашей планете, как и создание эффективных средств его извлечения, является весьма сложной проблемой. При таком определении необходимо учитывать региональные и общие показатели современных и палеотемператур, мощность осадков, их проницаемость, концентрацию углеводородных соединений в осадках исследуемого бассейна, интенсивность их фазовых превращений и степень сохранности газогидратов при циклических изменениях термодинамических параметров и т. д.

Запасы газа в ГГЗ, сосредоточенных на материках, определяются величиной около 57*1012 м3 [21]. По данным Мак Ивера [18], ресурсы газа суши в гидратном состоянии составляют 31,1 * 1012 м3, из которых 5,4 * 1012 м3 сосредоточено на территории Канады. Запасы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в акватории Мирового океана, оцениваются в пределах 1,5 * 1016 м3.

Для обнаружения ГГЗ в условиях пористой среды используются такие их свойства, как низкая электропроводность и проницаемость, повышенная скорость прохождения акустических волн, наличие аномально низких диффузионных газовых потоков над ГГЗ. В процессе геологоразведочных работ и разработки месторождений углеводородного сырья ГГЗ диагносцируются по понижению температуры залежи, изменению состава газа, опреснению пластовой воды и др.
Региональные поиски и обнаружение ГГЗ на суше и в акватории осуществляются средствами сейсмоакустического зондирования на частотах 0,1—10 кГц в комплексе с газо- и термометрией. Эти способы позволяют установить площадь, мощность, глубину залегания кровли и подошвы ГГЗ, определить гидрато- и газонасыщенность продуктивных пластов. В результате сейсмоакустического зондирования осадочного чехла выявлены крупные гидратные поля в районе северо-западного побережья США, в море Бофорта и в районе арктических островов Канады и восточного побережья Африки [15, 16, 18 и др.].

Разработка ГГЗ принципиально возможна. Однако термодинамические параметры процесса разложения гидратов требуют создания новых высокоэффективных методов их разработки как на материках, так и (особенно) в глубоководных частях акватории Мирового океана.

В основе освоения материковых ГГЗ лежит один общий принцип — перевод залежи газа из гидратного в свободное состояние с последующим отбором газа традиционными способами. Такой перевод газа из одного состояния в другое меняет быть осуществлен за счет снижения пластового давления до уровня, достаточного для разложения гидратов, либо путем термохимического или электроакустического воздействия на ГГЗ.

При вскрытии и разработке ГГЗ необходимо учитывать некоторые специфические свойства гидратов, такие как резкое увеличение объема газа при его переходе из гидратного в свободное состояние, значительное возрастание давления газа при термическом разложении гидрата, постоянство пластового давления, соответствующего определенной изотерме разработки ГГЗ, высвобождение больших объемов свободной воды при разложении гидрата и т. д.
Освоение ГГЗ в акватории морей имеет ряд особенностей, к ним можно отнести: отсутствие плотных, непроницаемых литологических покрышек и мощная водная оболочка над поверхностью ГГЗ в акватории океана; малые глубины залегания продуктивных пластов от поверхности дна (от долей метра до нескольких сот метров) и их широкое площадное распространение; относительно низкая механическая прочность перекрывающих и вмещающих гидраты отложений.

Разработка ГГЗ производится в течение всего периода отбора газа при постоянном гидростатическом давлении независимо от способа разложения гидрата. Степень переохлаждения по мощности ГГЗ — величина переменная и определяется глубиной верхней границы ЗГО в океане, мощностью ГГЗ и геотермическим градиентом в интервале разреза ГГЗ.

Газогидратная залежь является непроницаемой покрышкой для нижележащих залежей свободного газа пли нефти, и последствия ее разрушения необходимо учитывать во всех без исключения проектах разработки. При наличии свободной газовой или нефтяной залежи под газогидратной нужно в первую очередь отобрать нефть и свободный газ, после чего разрабатывать газогидратную залежь.

Для диагностирования и разработки ГГЗ можно также использовать ряд установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований термодинамических и гидродинамических эффектов, возникающих в горных породах при распространении в них волновых знакопеременных полей. К важнейшим из них относятся [4] термоакустический эффект, заключающийся в многократном (до 18 раз) возрастании температуропроводности горных пород при воздействии на них сильными звуковыми колебаниями; эффект многократного (до 20 раз) увеличения проницаемости горных пород в звуковых и ультразвуковых полях; эффект изменения давления и насыщения углеводородных систем пористой среды, приводящей к интенсивной их дегазации в период воздействия знакопеременных напряжений.

Влияние газогидратов на формирование атмосферы и гидросферы Земли

Значительный интерес представляет анализ возможного влияния гидратов различных газов на формирование атмосферы и гидросферы нашей планеты, а также на процессы накопления и разрушения залежей углеводородов в недрах Земли.

Сопоставление данных об изменении состава атмосферы Земли при изменении атмосферного давления и температуры (рис. 3) в период образования нашей планеты позволяет сделать вывод о том, что в первичную (в историческом плане) атмосферу главным образом входили легкие газы. Исходя из термодинамической характеристики среды и компонентного ее состава можно предположить, что газовая среда протопланетного облака состояла из водорода, легких инертных газов и незначительного количества азота, метана, аммиака, углекислоты и других газов. Свободный кислород, по-видимому, отсутствовал, так как мог быть связанным в окислы. Большинство указанных газов, кроме водорода, гелия и неона, находилось в гидратном состоянии, а при давлениях менее 2 * 10-3 МПа и температурах ниже 50—70 К азот, аргон, метан были в твердом состоянии.

Уникальным гидратообразователем является углекислый газ, и это, бесспорно, отразилось на формировании и составе первичной атмосферы Земли: температура гидратообразования СО2 на 100—150°С выше, чем, например, у азота, аргона или метана, при этом равновесное давление образования гидратов СО2 на 3—4 порядка ниже. Упругость паров СО2 на 2—6 порядков ниже упругости паров метана, аргона, азота, кислорода и др.
Рассматривая геохимическую модель Земли, целесообразно напомнить, что еще в 30-е гг. текущего столетия В. И. Вернадский подчеркивал господствующее положение водорода в химии мироздания. Развитие его идей позволило В. Н. Ларину сформулировать гипотезу изначально гидридной Земли [5]. Не вдаваясь в ее детали, отметим, что в эволюции протопланетного облака на небулярной стадии формирования Солнечной системы и в период обособления протопланет аккреции вещества планет предшествовала их конденсация. В этом процессе, по нашему мнению, газогидраты играли весьма важную (возможно, главную) роль. На их основе был затворен «цемент» тех первичных сгустков вещества, «снегопад» которых к центру тяжести протопланеты положил начало процессам конденсации и коллапса.

Гидраты ювенильных газов, видимо, являлись одной из основных причин того, что плотность протопланет, а также планет после их образования была на несколько порядков меньше плотности, характерной для твердых тел [3].

Гравитационное сжатие и радиогенные процессы способствовали росту температуры в недрах формируемой Земли, что сопровождалось фазовыми переходами вещества. Атмосферное давление в этот период было значительно ниже ныне существующего, что создало условия для разложения газогидратов. На рис. 3, В приведена расчетная (усредненная) кривая изменения средней температуры поверхности Земли. На участке кривой, соответствующей начальному периоду формирования планеты (в течение 1,5 * 109 лет), показаны условия начала разложения гидратов отдельных газов. При этом атмосфера Земли в первую очередь обогащалась азотом, аргоном, метаном. В последующем, когда температура недр поднялась выше -150°С, в атмосферу Земли начал активно поступать углекислый газ. Исходя из гидратной концепции следует отметить, что аргон, имеющийся на Земле, не только радиогенного происхождения — он мог быть привнесен с веществом протопланетного облака в свободном и в связанном гидратном состоянии.

При разложении гидратов углекислый газ практически полностью поступал в атмосферу, а высвобождающаяся вода тут же превращалась в лед. Обогащение атмосферы свободной углекислотой создавало мощный парниковый эффект. Температура Земли продолжала возрастать, с одной стороны, за счет гравитационного сжатия, с другой — за счет парникового эффекта.

В осадочном чехле земной коры в связанном состоянии в карбонатах содержится около 4,1 * 1020 кг СО2: 2,97 * 1020 кг связано в верхней «осадочной» оболочке, 0,66 * 1020 — в гранитной и 0,44 * 1020 — в базальтовой [10]. Если бы вся эта углекислота находилась в начальный период развития Земли в свободном состоянии, то атмосферное давление на нашей планете в этот период превысило бы 8 МПа, т. е. было бы близким по величине к современным условиям Венеры. Можно предположить, что около половины массы углекислоты находилось бы при этом в жидком состоянии. Не исключено также, что первичный океан Земли мог представлять собой океан жидкой углекислоты, средняя глубина которого, по нашим расчетам, достигала 500 м. Более вероятным калюется вывод о том, что наличие жидкой воды в недрах Земли и на ее поверхности исключило накопление жидкой углекислоты и атмосферное давление на планете не превышало 4 МПа. Свободная углекислота активно растворялась в воде, что способствовало образованию карбонатов и выпадению их в осадок.

Парниковый эффект содействовал росту температуры выше 0°С, что привело немногим более 4 млрд. лет назад к формированию пресноводного океана из вод, отжимаемых из недр Земли при таянии льда, накопившегося в результате разложения газогидратов в период отрицательных температур. В водах формирующегося океана интенсивно растворялась углекислота и другие привносимые в них вещества, формировались мощные толщи карбонатов, сульфатов и др. С появлением жидкой воды парциальное содержание наров воды в земной атмосфере возросло настолько, что обеспечило возможность накопления в результате их диссоциации свободного кислорода, реализовало возможность зарождения и развития простейших организмов, привело к накоплению осадков железистых кварцитов.

Отметим, что соотношение масс воды и связанной углекислоты в недрах Земли полностью соответствует составу их гидрата для рассматриваемых условий:
 

Указанная величина (n = 8,7) соответствует экспериментально полученному нами значению молярного соотношения воды и углекислоты в гидрате для рассматриваемых условий.

Растворимость углекислоты в водах океана и захоронение ее в осадках привело к снижению атмосферного давления, ослаблению парникового эффекта и к обогащению первичной атмосферы газами, растворимость которых в воде по сравнению с углекислотой незначительна. В этот период, примерно (2—4,1) * 109 лет назад, в результате фотодиссоциации молекул водяного пара в атмосфере появляется свободный кислород. Образующийся кислород расходовался на окисление метана, окиси углерода, аммиака, сероводорода и других атмосферных газов. Отсутствие значительного количества свободного кислорода и озона способствовало образованию в растворах мелководных лагун сложных органических веществ, которые послужили, по-видимому, исходным материалом для формирования организмов, остатки которых отмечены в породах архея.

Примитивные одноклеточные водоросли осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды с выделением свободного кислорода. Усложнение и распространение организмов, выход их из океана на сушу способствовали интенсивному накоплению свободного кислорода и формированию атмосферы Земли близкого к современному состава [9].

Регулирующая роль гидратов природных газов в истории нашей планеты, по-видимому, имела место не только в период формирования атмосферы и гидросферы.

 Газогидраты и новая глобальная тектоника. Со второй половины 60-х гг. вопросы глобальной тектоники стали рассматриваться под углом зрения гипотезы тектоники плит. Разработка представлений о растекании океанического дна (спрединге), в основу которых положены данные о полосовых магнитных аномалиях и построенные по материалам бурения карты изохрон океанической коры, породило скептическое отношение к утверждениям о фиксированном положении размещенных над астеносферой блоков литосферы. Предположения о зонах схождения или погружения одних блоков континентальной или океанической коры под другие (субдукция, обдукция) оказались необходимыми для объяснения происхождения сложных тектонических структур складчатых областей и других многопокровных сооружений.

С позиций повой глобальной тектоники стали рассматриваться также процессы дифференциации вещества мантии Земли и образование сейсмофокальных зон глубинных сейсмических очагов, уходящих под островные дуги и окраины континента (зоны Заварицкого — Беньеффа).

При упрощенном представлении покровов Земли как системы движущихся литосферных плит, тыловыми частями каждой из которых являются зоны спрединга, фронтальными — зоны субдикции, а боковыми — зоны крупных трансформных разломов [14], по мнению авторов, можно высказать ряд предположений о судьбе захороненных в недрах органических продуктов биосферы и, в частности, о роли газогидратов в процессах аккумуляции значительных скоплений углеводородного сырья и в формировании литосферы.
В динамике тектонических процессов, напряженном состоянии земной коры определенную роль играют свойства газовых гидратов понижать пли повышать давление пластовых флюидов при образовании или разложении их в замкнутом объеме. То обстоятельство, что один объем воды в момент образования гидратов связывает от 70 до 300 объемов газа, удельный объем которого при переходе в гидратное состояние снижается на несколько порядков (141,5 м3 СН4 занимает в гидратном состоянии объем в 0,142 м3), способствует резкому снижению пластовых давлений и служит одной из причин притоков (подсоса) дополнительного количества углеводородных и других флюидов в ЗГО.

В работе [8] показано, что содержание растворенного газа в воде, контактирующей с гидратами, резко снижается с ростом избыточного давления, а это также способствует интенсификации концентрации газов из газонедонасыщенных пластовых вод при формировании ГГЗ и при последующем их разложении с образованием залежей свободного газа.

Низкие удельные молярные объемы газов в гидратном состоянии (табл. 1) являются также основной причиной резкого нарастания давления газа при разложении газогидратов в замкнутом объеме, которое в конечном итоге значительно превышает равновесное давление их образования. Исходные данные для расчетов и результаты определения изменений пластового давления при декомпозиции клатратных образований метана в замкнутом объеме приводятся в табл. 2.

Зависимость давления метана от температуры разложения его гидрата и подогрева газа в замкнутом объеме приводится на рис. 4. Как видно из диаграммы, давление метана при термическом расширении его в замкнутом объеме (кривая MN) не превышает 60 МПа при t = 140°C, в то время как при разложении гидрата метана в замкнутом объеме и повышении его температуры до t = 140° G давление газа может достигать 2—3 тыс. МПа.
Рассмотрим на примере метана принципиальную возможность влияния скоплений газа в гидратном состоянии на явления, сопутствующие динамике континентальных плит.

В литературе описан ряд моделей столкновения литосферных плит, что и позволило привлечь эти модели для объяснения латеральной миграции углеводородов [2]. В общем случае погружение седиментационного блока, включающего толщи коллекторов и ГГЗ, под окраину континента или островную дугу создает условия для активизации заключенных в породах углеводородных флюидов. Надвигаемая плита экранирует залежи углеводородов (нефтяные, газоконденсатные, газовые и газогидратные), которые по мере погружения в глубь Земли подвергаются дополнительному воздействию температур и давления.

При этом давление в залежах нефти, газового конденсата или свободного газа обычно не превышает величину горного давления, и их прорыв в более проницаемые зоны или коллекторы происходит, по-видимому, без катастрофических разрушений вмещающих пород. Перетоки мобилизованных в условиях повышенных температур и давлений углеводородных флюидов, водяных и газоводяных смесей в направлении зон пониженного давления и наиболее проницаемых породных систем, в апикальные части структурных перегибов, вверх по восстанию пластов и др. создают условия для укрупнения и разрушения залежей углеводородов.

 Совершенно иная картина имеет место при наличии в осадочной толще погружающейся плиты крупных скоплений газогидратов. Возрастание температуры ГГЗ по мере погружения плиты обеспечивает условия разложения гидратов и переход газа и воды в свободное состояние. Рост давления газа с повышением температуры происходит по равновесной кривой до тех пор, пока гидраты не разложатся полностью либо пока напряжение в окружающих породах не достигнет предельной величины и не произойдет их динамическое разрушение с выбросом свободного газа, воды, пород с остатками гидратов и т. д. В соответствии с расчетами можно утверждать, что при разложении гидрата метана с повышением его температуры превышение давления газа над горным давлением может иметь место на глубинах от первых до 70—80 км [19, 20] (рис. 5).

Анализ характеристик динамики литосферных плит, распространения действующих вулканов Земли показывает их приуроченность к активным зонам субдукции, где гидратонасыщенные пласты погружаются под литосферные плиты. При таком погружении в зоны высоких температур происходит разложение гидратов в замкнутом объеме, и газ переходит из связанного гидратного состояния в свободное. Давление высвобождающегося газа резко возрастает, при превышении горного давления разрушаются перекрывающие породы и формируются вулканы. Величина гидратонасыщенности пород, мощность гидратонасыщенных пород, степень их переохлаждения, интенсивность погружения, пластичноупругие свойства пород в зоне погружения, степень перегрева и т. д. в каждом конкретном случае определяют глубину очага вулканизма, динамику развития вулкана.

В свете высказанного представляется весьма спорной гипотеза Т. Голда [17] о крупных скоплениях свободного неорганического метана в глубинных недрах Земли, которые способствуют развитию активного вулканизма. Эти скопления метана в недрах Земли являются продуктом температурного разложения гидратов, привнесенных погружающимися литосферными плитами в зонах субдукции.

Таким образом, можно рассматривать ГГЗ в качестве одного из локальных источников энергии, инициирующих тектономагматические процессы в литосфере нашей планеты.

Историко-геологический, но своей сущности диалектический, подход к процессам образования и миграции углеводородов, формирования их скоплений и разрушения залежей невозможен сегодня без учета последствий газогидратного этана эволюции природных газов. Дальнейшее выявление роли газовых гидратов в истории развития планет Солнечной системы позволит, вероятно, углубить наши знания в области фундаментальных наук о Земле и представит большой практический интерес.

Из вышеизложенного следует, что состав газа, выделяемого при действующем вулканизме, во многом определяется составом газа, содержащегося в ГГЗ и привнесенного в зону динамического развития вулканизма с последующими термохимическими превращениями.

Заключение

Открытие советскими учеными свойства газов вступать в определенных термодинамических условиях в соединение с пластовой водой и образовывать газогидратные залежи, изучение условий накопления таких залежей в земной коре, исследование свойств гидратов позволили авторам показать исключительное влияние гидратов на формирование залежей углеводородов, на их сохранность; высказать рабочую гипотезу формирования атмосферы и гидросферы нашей планеты; показать, что на состав вулканического газа может оказывать влияние и привнесенный газ в гидратном состоянии.
Данная работа ни в коей мере не претендует на завершенность. Авторы выражают надежду, что высказанные положения найдут дальнейшее творческое развитие.
 

А. А. ТРОФИМУК, Ю. Ф. МАКОГОН, М. В. ТОЛКАЧЕВ