Специалисты Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН провели эксперименты по изучению акустических свойств угольных образцов, содержащих гидрат метана.
О ходе, значении и некоторых результатах этой работы рассказал Гэсэр Александрович Дугаров – старший научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики ИНГГ СО РАН, к.ф.-м.н.
– Гэсэр Александрович, почему газовые гидраты вообще нужно изучать?
– Природные газовые гидраты широко распространены в донных осадках водоемов и многолетнемерзлых породах. Для их существования необходимы повышенное давление, достаточно низкая температура, а также наличие свободной воды и газа гидратообразователя (например, метан, из которого в основном и состоит природный газ).
В земной коре подходящие давления и температуры существуют в пределах так называемой зоны стабильности гидратов, которая в районах вечной мерзлоты может начинаться на глубине от 250 м и иметь мощность порядка 400–800 м, а в отдельных случаях и более 1 км. В природных углях присутствует вода и метан, образующиеся в процессе метаморфизма угольного вещества. Таким образом, для угольных пластов в области многолетнемерзлых пород (например, Печорский угольный бассейн) удовлетворяются необходимые условия для формирования газовых гидратов. Все это придает актуальность исследованиям физических свойств угольных гидратосодержащих образцов.
Вместе с сотрудниками ИНХ СО РАН мы провели первую серию экспериментов по изучению акустических свойств гидратосодержащих образцов, сформированных из угля. Для этого использовалась созданная ранее специализированная установка. На ней мы уже провели аналогичные эксперименты по изучению акустических свойств гидратосодержащих образцов из песка.
– Как проходил эксперимент с угольными образцами?
– В угле изначально содержится некоторое количество воды в адсорбированном виде. Чтобы создать однородный образец с контролируемыми свойствами, уголь был предварительно измельчен и просеян (размер фракции – от 0.2 до 1 мм), а затем высушен при 110°C под вакуумом. Это в дальнейшем позволило нам контролировать содержание воды в образцах.
При формировании образцов из просеянных частиц угля между ними остается поровое пространство, в котором может содержаться вода. Также в каждой отдельной частичке угля имеются поры размером от нм до мкм. Такое сложное многомасштабное строение порового пространства существенно осложняет работу с углем.
Мы рассматривали образцы трех основных типов: сухой; с адсорбированной водой (вода впитывается из влажной атмосферы) и «свободной» водой (вода добавляется на этапе загрузки угля в ячейку).
Подготовленный образец спрессовывался ручным гидравлическим прессом, чтобы получить более монолитный образец и обеспечить прохождение акустических волн. Подготовленная ячейка с образцом помещалась в камеру установки, которая позволяла создавать необходимые условия для формирования гидрата метана и одновременного измерения скоростей акустических волн в образце.
– Удалось ли обнаружить интересные эффекты?
– Во-первых, мы обнаружили температурную зависимость скоростей продольных и поперечных волн. Использованная установка позволяет в автоматическом режиме проводить акустические измерения, поэтому при медленном изменении температуры образца (порядка 0.5°C в час) мы смогли наблюдать за медленным изменением скоростей.
Также нам хотелось понять, есть ли различия в свойствах образцов при содержании в них льда или гидрата. Наиболее интересные результаты были получены при сравнении данных при разморозке льда и разложении гидрата. Оба этих процесса должны сопровождаться падением скоростей при переходе через фазовую границу, но для образца с адсорбированной водой при разморозке льда резкого падения скоростей не наблюдалось, а вот в том же образце после наработки гидрата этот эффект уже был.
Мы объяснили это уже известным для угля эффектом конкурентной сорбции, при котором газ и вода конкурируют за поры малого размера. В нашем случае в угле уже присутствовала вода в адсорбированном виде, которая не превращалась в лед при заморозке. Но после закачки (под давлением) метана в образец газ вытеснил часть адсорбированной воды из малых пор в угольных частичках в пространство между частичками. В этом пространстве вода уже начинает формировать гидрат. В итоге нам удалось получить подтверждение эффекта конкурентной сорбции в угле на акустических экспериментах.
– Как будут развиваться исследования в дальнейшем?
– На данный момент мы рассмотрели только уголь марки «К» из Кузнецкого угольного бассейна, а различных типов углей существует множество. Поэтому мы намерены продолжить эксперименты с газовыми гидратами в различных типах углей, а также в других породах.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 19–77–00068.
Беседовал Павел Красин
Информация предоставлена пресс-службой ИНГГ СО РАН
Иллюстрация: Г.А. Дугаров
