Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

О ВОЗМОЖНОМ ОБРАЗОВАНИИ ГИДРАТОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЛЕНО-ТУНГУССКОЙ НЕФТЕГАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ

Калачева Л.П. 1 Рожин И.И. 1
1 Институт проблем нефти и газа СО РАН – обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Якутский научный центр СО РАН»
В работе рассмотрена возможность гидратообразования на месторождениях Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции Восточной Сибири. Равновесные условия гидратообразования в пластовых условиях рассчитаны по методике Слоана с использованием уравнения состояния газа Редлиха – Квонга на основании компонентного состава газа. Показано, что практически на всех месторождениях, исключая некоторые скважины с более глубоким интервалом перфорации Бысахтахского ГКМ, гидратообразование возможно как в продуктивных пластах, так и в призабойной зоне и стволах скважин. Косвенными геохимическими маркерами наличия гидратов также являются высокоминерализованные пластовые воды и наличие гелия в природном газе. При пластовых условиях на рассмотренных месторождениях образуются гидраты структуры КС-II с заполнением малых и больших полостей. В составе гидратов преобладают углеводороды С2-С4, что приводит к повышению плотности гидратов относительно плотности гексагонального льда. Прогнозируемое наличие в продуктивных горизонтах и образование гидратов при разработке и эксплуатации месторождений Лено-Тунгусской НГП диктует необходимость проведения исследований, направленных на составление технологических схем с учетом индивидуальных геолого-промысловых данных и физико-химических свойств пластовых флюидов. Поскольку в настоящее время основным методом предупреждения и ликвидации гидратов является закачка метанола в пласт, в призабойную зону и стволы скважин, то также необходим поиск экономически эффективных путей сокращения эксплуатационных затрат по предупреждению техногенного гидратообразования.
Лено-Тунгусская нефтегазоносная провинция
природный газ
гидратообразование
равновесные условия гидратообразования
состав и свойства гидратов природного газа
1. Соромотин А.М. Нефтегазовые ресурсы Республики Саха (Якутия): состояние, перспективы использования // Вестник СВФУ. 2014. Т. 11. № 6. С. 129–136.
2. Бурова И.А. Карбонатные коллекторы вендско-нижнекембрийского нефтегазоносного комплекса Восточной Сибири // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2010. Т. 5. № 2. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ngtp.ru/rub/4/23_2010.pdf (дата обращения: 24.11.2019).
3. Якушев В.С. Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. М.: ВНИИГАЗ, 2009. 192 с.
4. Перлова Е.В., Микляева Е.С., Леонов С.А., Ткачёва Е.В., Ухова Ю.А. Газовые гидраты полуострова Ямал и прилегающего шельфа Карского моря как осложняющий фактор освоения региона // Вести газовой науки. 2017. № 3 (31). С. 255–262.
5. Афанасенков А.П., Волков Р.П., Яковлев Д.В. Аномалии повышенного электрического сопротивления под слоем многолетнемерзлых пород новый поисковый признак залежей углеводородов // Геология нефти и газа. 2015. № 6. С. 40–52.
6. Федосеев С.М. Реликтовые газовые гидраты как возможный источник загазованности подземных горных выработок криолитозоны // Наука и образование. 2014. № 1. С. 40–45.
7. Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. 506 с.
8. Сафронов А.Ф., Сафронов Т.А. Геолого-экономические аспекты развития нефтегазового комплекса Республики Саха (Якутия). Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. 184 с.
9. Воды нефтяных и газовых месторождений СССР: справочник / Под ред. Л.М. Зорькина. М.: Недра, 1989. 382 с.
10. Полозков А.В., Астафьев Д.А., Истомин В.А., Полозков К.А., Гафтуняк П.И. Выявление газогидратных зон в низкотемпературных породах при строительстве скважин и ожидаемые типы газогидратных залежей // Вести газовой науки. 2011. № 3 (8). С. 78–86.
11. Якуцени В.П. Газогидраты – нетрадиционное газовое сырье, их образование, свойства, распространение и геологические ресурсы // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2013. Т. 8. № 4. DOI: 10.17353/2070-5379/50_2013.
12. Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural. Boca Raton: Taylor&Francis Group/CRC Press, 2008. 720 p.
13. Рожин И.И. Термодинамические эффекты в математических моделях добычи природного газа в северных регионах: дис. ... докт. техн. наук. Новосибирск, 2015. 264 с.
14. Чувилин Е.М., Гребенкин С.И., Жмаев М.В. Влияние гидрато- и льдообразования на газопроницаемость песчаных пород // Вести газовой науки. 2018. № 3 (35). С. 264–273.

В настоящее время Республика Саха (Якутия) является одним из субъектов Российской Федерации, которые участвуют в экспорте углеводородного сырья в страны Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР) [1]. На территории республики открыто более 30 месторождений нефти и газа, которые находятся в пределах Лено-Тунгусской и Лено-Вилюйской нефтегазоносных провинций востока Сибирской платформы. Непско-Ботуобинская нефтегазоносная область Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции (ЛТ НГП) является самой богатой по разведанным и прогнозным запасам углеводородов. К ней приурочено более 25 % всех начальных геологических суммарных ресурсов углеводородов провинции [2]. Природные газы месторождений ЛТ НГП характеризуются высоким содержанием этана, наличием гелия и практически полным отсутствием соединений серы. Эти обстоятельства обуславливают привлекательность разработки и эксплуатации этих месторождений с точки зрения высокой рентабельности и экологической чистоты газохимического производства [1]. Однако главной особенностью инженерно-геологических условий месторождений ЛТ НГП является повсеместное развитие многолетнемерзлых пород, залегающих до глубины 400–600 м. Известно, что при проходке скважинами и подземными выработками интервала криолитозоны возникают внезапные выбросы газов, которые некоторые исследователи связывают с крупными по объему газовыми скоплениями в многолетнемерзлых породах в свободной или гидратной формах [3–5]. Сложные геокриологические условия и гидратонасыщенность криолитозоны свидетельствуют о возможности возникновения различных осложнений – вплоть до серьезных аварийных ситуаций – на всех стадиях освоения месторождений в северных регионах [6, 7].

Месторождения нефти и газа ЛТ НГП характеризуются низкими пластовыми температурами при начальных пластовых давлениях 10–19 МПа [8]. Пластовые воды имеют высокую минерализацию (до 400 г/л) и относятся к хлоридно-кальциевому генетическому типу [9]. Термобарические условия на этих месторождениях соответствуют равновесным условиям образования гидратов, однако высокая минерализация остаточной поровой влаги практически препятствует гидратообразованию в коллекторах пласта. Тем не менее не исключается наличие гидратов в коллекторах продуктивных горизонтов нефтегазоносных провинций Восточной Сибири [10], поскольку высокая минерализация пластовых вод и наличие гелия в составе природного газа являются косвенными геохимическими маркерами выявления газогидратов в зоне возможного гидратообразования (ЗВГО) [11].

Целью работы являлось термодинамическое обоснование существования гидратов в продуктивных горизонтах Лено-Тунгусской НГП и техногенного гидратообразования при эксплуатации месторождений.

Материалы и методы исследования

Термобарические условия гидратообразования природных газов месторождений Лено-Тунгусской НГП (табл. 1) были рассчитаны на основании компонентного состава газа по методике Слоана, где используется уравнение состояния газа Редлиха – Квонга [12, 13].

Таблица 1

Месторождения Лено-Тунгусской НГП

Месторождение

Пластовые условия

температура, °С

давление, атм

Кедергинское ГМ

11–12

95–96

Верхневилючанское НГМ

4–19

161–184

Озерное ГМ

12–13

133–135

Северо-Нелбинское ГКМ

10–11

133–150

Буягинское ГКМ

8–9

171–172

Бысахтахское ГКМ

17–30

308–314

Верхнечонское НГКМ

14–15

136–137

Иреляхское ГНМ

10–11

161–162

Талаканское ГНМ

12–13

116–126

Таранское ГНМ

11–12

110–111

Центрально-Талаканское ГНМ

11–13

97–102

Вилюйско-Джербинское НГМ

5–20

160–175

Ихтекское НГКМ

5–7

154–156

Маччобинское НГМ

10–13

155–163

Нелбинское НГМ

10

146–147

Таас-Юряхское НГКМ

8–14

141–144

Ботуобинское НГКМ

12–13

158–159

Нижнехамакинское НГКМ

13–17

119–129

Среднеботуобинское НГКМ

10–11

141–148

Чаяндинское НГКМ

7–10

131–135

Расчеты показали, что, кроме отдельных скважин Бысахтахского ГКМ с более глубоким интервалом перфорации, гидратообразование возможно на каждом из месторождений.

Расчет равновесных условий гидратообразования в пластовых условиях рассмотрен на примере природных газов Среднеботуобинского и Бысахтахского месторождений, отличающихся по условиям залегания и компонентному составу газа.

Среднеботуобинское НГКМ приурочено к Среднеботуобинской и Курунгской структурам северо-восточного склона Непско-Ботуобинской антеклизы. Промышленная нефтегазоносность месторождения связана с карбонатными отложениями осинского и терригенными коллекторами ботуобинского и улаханского горизонтов. Газонефтяная залежь осинского горизонта приурочена к кавернозно-пористым доломитам и известнякам, залегающим в кровле подсолевого комплекса под мощной толщей каменных солей юрегинской свиты нижнего кембрия. Глубина залегания залежи варьируется в пределах 1450–1550 м. Пластовое давление в залежи ниже гидростатического и составляет 13,9–15,8 МПа, пластовая температура равна 8 °С. Основная нефтегазовая залежь приурочена к преимущественно кварцевым песчаникам ботуобинского горизонта. Глубина залегания этой залежи 1875–1925 м. Пластовое давление в залежи составляет 14–14,4 МПа, что ниже условного гидростатического, пластовая температура 12–14 °С [8].

Бысахтахское ГКМ расположено в зоне сочленения Березовской впадины с Джеюктинским выступом и приурочено к одноимённой положительной структуре северо-восточного простирания. Выделяются четыре продуктивных горизонта: бысахтахский, кудулахский и успунский в вендской части разреза и юряхский – в венд-нижнекембрийской части разреза. На Бысахтахском месторождении в зависимости от скважины пластовые температуры изменяются в интервале от 17 до 30 °С; а давления – от 166 до 315 атм [2].

Результаты исследования и их обсуждение

Расчет равновесных условий гидратообразования природного газа Среднеботуобинского месторождения (рис. 1) показывает, что пластовые условия находятся глубоко в гидратной области.

На Бысахтахском месторождении образование гидратов возможно только в отдельных скважинах, для которых пластовые температуры и давления лежат в области гидратообразования (рис. 2). В скважинах, которые характеризуются высокими пластовыми температурами и давлениями, гидратообразование исключается (рис. 3).

Сравнение равновесных условий гидратообразования показывает, что природный газ Бысахтахского ГКМ (рис. 2, 3) месторождения образует гидраты при более высоком давлении по сравнению с природным газом Среднеботуобинского НГКМ (рис. 1).

Природные газы месторождений, независимо от компонентного состава, образуют гидраты кубической структуры II с заполнением молекулами газа, как малых, так и больших полостей кристаллической решетки (табл. 2). В составе гидратов из компонентов природного газа преимущественно концентрируются углеводороды С2-С4.

kal1.tif

Рис. 1. Равновесные условия гидратообразования для пластового газа Среднеботуобинского месторождения (1991 г., скважина № 160, интервал 1889–1899). Точка пересечения штриховых линий соответствует пластовому условию. Компонентный состав газа ( % мол.): СН4 – 85,15; С2Н6 – 7,41; С3Н8 – 2,40; н-С4Н10 – 0,74; изо-С4Н10 – 0,29; С5+ – 0,93; СО2 – 0,05; N2 – 2,61; Н2 – 0,14; Не – 0,28

Степень заполнения малых полостей θ1 не достигает максимального значения, так как часть полостей остается свободной. Высокое равновесное давление гидратообразования способствует более полному заполнению малых полостей в гидрате природного газа Бысахтахского месторождения по сравнению с гидратом природного газа Среднеботуобинского месторождения. Большие полости гидратов заполняются крупными молекулами гидратообразователей, поэтому степени заполнения θ2 обоих гидратов близки к единице. Гидратные числа, рассчитанные по степеням заполнения полостей, показывают, что состав гидрата Бысахтахского месторождения близок к стехиометрическому. Плотность гидратов природного газа Среднеботуобинского месторождения больше плотности гидратов природного газа Бысахтахского ГКМ и превышают плотность гексагонального льда (0,912 г/см3). Поскольку газовые гидраты цементируют породы и увеличивают их механическую прочность, изменяют их фильтрационные свойства и могут повлиять на бурение скважин на месторождениях [11, 14].

kal2.tif

Рис. 2. Равновесные условия гидратообразования для пластового газа Бысахтахского месторождения (скважина № 187-02, интервал 1886–1896). Сплошная линия соответствует равновесным условиям гидратообразования. Точка пересечения штриховых линий соответствует пластовому условию. Компонентный состав пластового газа ( % мол.): СН4 – 90,423; С2Н6 – 5,580; С3Н8 – 1,484; н-С4Н10 – 0,409; изо-С4Н10 – 0,173; С5+ – 0,774; СО2 – 0,180; N2 – 0,879; Н2 – 0,069; Не – 0,079

kal3.tif

Рис. 3. Равновесные условия гидратообразования для пластового газа Бысахтахского месторождения (скважина № 187-02, интервал 2620–2905). Сплошная линия соответствует равновесным условиям гидратообразования. Точка пересечения штриховых линий соответствует пластовому условию. Компонентный состав пластового газа ( % мол.): СН4 – 90,10; С2Н6 – 4,52; С3Н8 – 0,92; н-С4Н10 – 0,19; изо-С4Н10 – 0,09; С5+ – 1,41; СО2 – 0,87; N2 – 1,74; Н2 – 0,05; Не – 0,06

Таблица 2

Состав и свойства гидратов природных газов

Компонент

Среднеботуобинское НГКМ

Бысахтахское ГКМ

Содержание компонентов в гидрате, % мол.

гидрат

гидрат

Метан

63,41

74,40

Этан

4,61

6,03

Пропан

26,30

16,51

Изобутан

4,51

1,98

н-бутан

1,15

0,47

Диоксид углерода

0,02

0

Азот

0

0,32

Молярная масса, г/моль

26,40

22,49

Степень заполнения полостей

малых θ1

0,7619

0,9096

больших θ2

0,9946

0,9934

Гидратное число n

6,75

6,04

Плотность гидратов, г/см3

0,939

0,931

 

Заключение

Низкие пластовые температуры месторождений Лено-Тунгусской НГП способствуют переходу углеводородов в гидратное состояние в продуктивных горизонтах. Наличие гидратов косвенно подтверждается высокой минерализацией пластовых вод и наличием гелия в природном газе. На месторождениях также возможно техногенное гидратообразование в призабойной зоне пласта и в стволах скважин. Основным методом борьбы с техногенным гидратообразованием до сих пор остается закачка термодинамических ингибиторов в скважины и призабойную зону пласта [9].

В связи с этим при разработке и эксплуатации каждого месторождения Лено-Тунгусской НГП необходимы исследования, направленные на составление технологических схем с учетом индивидуальных геолого-промысловых данных и физико-химических свойств пластовых флюидов, а также на поиск экономически эффективных путей сокращения эксплуатационных затрат по предупреждению техногенного гидратообразования.

Работа выполнена в рамках госзаказа Министерства науки и высшего образования РФ № 0377-2018-0002.


Библиографическая ссылка

Калачева Л.П., Рожин И.И. О ВОЗМОЖНОМ ОБРАЗОВАНИИ ГИДРАТОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЛЕНО-ТУНГУССКОЙ НЕФТЕГАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 12-1. – С. 55-59;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12953 (дата обращения: 21.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074