Автор: Гурьева Ольга Михайловна
Название работы: Процессы гидратообразования при захоронении СО2 в криолитозоне
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
доцент кандидат геолого-минералогических наук Чувилин Евгений Михайлович ;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Якушев Владимир Станиславович;
доктор географических наук Голубев Владимир Николаевич ;
Место защиты: ауд. 415, геологический факультет МГУ
Дата защиты: 2011-12-16 14:30
Издательство: Москва
Количество страниц: 173
Язык: русский
Содержание работы:
Основные положения.
Глава 1. Возможность захоронения техногенного СО2 в криолитозоне.
Глава 2. Изученность процессов образования газовых гидратов.
Глава 3. Методика экспериментальных исследований.
Глава 4. Термобарические условия накопления гидрата СО2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых газонасыщенных пород.
Глава 5. Закономерности образования гидрата СО2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых газонасыщенных пород.
Глава 6. Особенности существования гидрата СО2 в мерзлых породах.
Заключение.
Список публикаций автора по теме диссертационной работы.
|
Реферат:
Актуальность исследования. В результате хозяйственной деятельности человека образуется большое количество диоксида углерода. Основными источниками выбросов CO2, в том числе
в областях распространения многолетнемерзлых пород, являются крупные промышленные предприятия и тепловые электростанции. Дополнительным источником антропогенного CO2 могут
стать предприятия по сжижению газа. Природные газы многих газовых и газоконденсатных месторождений России, в том числе на севере Западной Сибири, содержат примеси CO2 (порядка
0,5 1,0 мол.%). В настоящее время активно обсуждаются проекты разработки ряда месторождений полуострова Ямал со сжижением природного газа и последующей доставкой потребителям
танкерами. Технология сжижения предполагает практически полное отсутствие CO2 в природном газе, поэтому при подготовке газа к сжижению природный газ предварительно очищается
от CO2. При этом образуется большое количество CO2, которое необходимо утилизировать.
В связи с этим в мире разрабатываются проекты по захоронению CO2 в геологических формациях, некоторые из которых уже имеют применение в промышленном масштабе. В последнее
время подмерзлотные горизонты также рассматриваются в качестве возможной среды для захоронения CO2, в том числе в виде газовых гидратов. Аргументами в пользу захоронения CO2
в подмерзлотные горизонты является низкая проницаемость вышележащих мерзлых толщ, низкие температуры и, соответственно, устойчивость газогидратных образований, а также возможность
захоронения на небольшую глубину.
Захоронение CO2 в криолитозоне технически очень сложная задача. Для лучшего понимания процессов гидратообразования, которые происходят при захоронении в криолитозоне, необходимо
проведение специальных экспериментальных исследований.
Цель работы состоит в экспериментальном изучении процессов образования и разложения гидратов CO2 в поровом пространстве дисперсных пород в связи с возможным захоронением CO2
в криолитозоне.
Основные задачи исследования:
1. Разработать методику экспериментального изучения процессов гидратообразования в поровом пространстве пород из жидкого и газообразного CO2 при положительных и отрицательных
температурах, а также процессов разложения гидратов CO2 в мерзлых породах.
2. Установить закономерности гидратонакопления в системе: жидкий CO2 поровая вода.
3. Выявить закономерности накопления гидрата CO2 в газонасыщенных породах при охлаждении и замерзании.
4. Выявить особенности накопления гидрата CO2 в системе: газообразный CO2 поровый лед.
5. Установить закономерности разложения гидратов CO2 в мерзлых породах при снижении равновесного давления и нагревании.
Фактический материал и личный вклад автора.
В основу диссертационной работы положены результаты экспериментальных исследований, проведенных автором в составе экспериментальной группы на кафедре геокриологии геологического
факультета Московского Государственного Университета с 2005 по 2011 гг., а также в Национальном Исследовательском Центре Канады в 2008 2009 гг.
При непосредственном участии автора в лаборатории кафедры геокриологии было проведено, обработано и проанализировано более 30 длительных экспериментов (продолжительность некоторых
опытов составляла около 2 месяцев). Было выполнено более 500 определений газо- и гидратосодержания в дисперсных породах. В Национальном Исследовательском Центре Канады было
проведено 37 экспериментов по изучению гидратообразования из жидкого CO2 при помощи метода ядерного магнитного резонанса.
Методы исследования.
В работе применялись методы лабораторного изучения процессов образования и разложения гидрата CO2 в поровом пространстве, а также свойств гидратосодержащих пород. Основным
методом исследования являлся PVT метод, адаптированный для исследования кинетики накопления гидрата CO2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород, а также для изучения
диссоциации газовых гидратов в мерзлых образцах грунта при неравновесном давлении и при термическом воздействии. Исследование кинетики гидратообразования в поровом пространстве
из жидкого и газообразного CO2 и поровой воды проводилось с помощью метода ЯМР-томографии. Для оценки проницаемости использовалась специальная экспериментальная установка
по фильтрации газа в грунтовых образцах в условиях гидратообразования и замораживания.
Научная новизна исследования:
1. Разработана методика изучения гидратообразования в системе "жидкий CO2 поровая вода" и "газообразный CO2 поровый лед".
2. Выявлено, что при насыщении поровой влаги диоксидом углерода температура замерзания понижается на 1,5 3 оС. Также установлено, что температура замерзания остаточной поровой
влаги в CO2 -гидратосодержащих образцах достигает -2,5 - -3 оС.
3. Выявлены зависимости гидратообразования из газообразного CO2 от термобарических условий, дисперсности, минерального состава и влагонасыщенности пород, а также от фазовых
переходов вода-лед. При этом установлено, что при замерзании остаточной поровой влаги в CO2 -гидратонасыщенных грунтах интенсифицируется процесс гидратообразования, и дополнительно
образуется до 30% газогидрата.
4. Впервые получены экспериментальные данные по особенностям образования гидрата CO2 в мерзлых породах. При этом выявлено, что при отрицательных температурах, когда в поровом
пространстве влага находится в основном в форме льда, протекают активные процессы накопления гидрата CO2.
5. Впервые получены экспериментальные данные по гидратообразованию из жидкого CO2 и поровой воды. При этом показано, что скорость гидратообразования увеличивается при снижении
температуры и влагонасыщенности песчаных пород, и практически не зависит от давления (в интервале 4,0 - 5,4 МПа)
Практическая значимость исследования:
Выполненные экспериментальные исследования существенно расширили представления о механизмах и закономерностях накопления газогидратов, в том числе и гидрата CO2 в поровом
пространстве горных пород, а также об условиях их разложения. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования захоронения CO2 в виде газогидрата в криолитозоне
и прогноза поведения гидратной залежи при изменении термобарических условий. Методические разработки были использованы ОАО "Газпром" для оценки метастабильности газовых гидратов
криолитозоны в пределах Бованенковского газоконденсатного месторождения.
Защищаемые положения:
1. Комплексная методика изучения образования гидрата CO2 в поровом пространстве пород при положительных и отрицательных температурах и его диссоциации при снижении давления
ниже равновесного и повышении температуры.
2. Закономерности гидратообразования из жидкого CO2 и поровой воды.
3. Закономерности гидратообразования в поровом пространстве пород при положительных и отрицательных температурах и оценка влияния фазовых переходов вода лед на накопление
порового гидрата CO2.
4. Особенности проявления эффекта самоконсервации гидрата CO2 в мерзлых породах при снижении давления ниже равновесного.
Апробация результатов исследования. Результаты и основные положения работы представлялись на международных и российских конференциях: Международная конференция "Рудные минералы
Мирового океана перспективы развития" (Санкт-Петербург, 2006); 11 и 12 Международные конференции по физике и химии льда (Бремерхафен, 2006 и Саппоро, 2010); Международная
конференция по газовым гидратам (Иркутск, 2007); Международная конференция по газовым гидратам (Тайвань, 2007); Международные научные конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых Ломоносов-2007, 2008, 2009; Девятая Международная конференция по мерзлотоведению (Аляска, 2008); Шестая и Седьмая Международные конференции по газовым гидратам (Ванкувер,
2008 и Эдинбург, 2011); Международная конференция "Перспективы освоения газогидратных месторождений" (Москва, 2009); Третья Европейская конференция по мерзлотоведению (Свальбард,
2010); Конференция Европейского геологического союза (Вена, 2010).
Публикации. Основные положения работы изложены в 20 публикациях, в том числе в 1 статье, рекомендованной ВАК и 2 статьях в международных рецензируемых сборниках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 173 страницы текста, состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа содержит 55 рисунков и 31 таблицу. Список использованной
литературы включает 44 отечественных и 127 зарубежных наименований.
Благодарности. Работа выполнена под руководством кандидата геолого-минералогических наук доцента Е.М. Чувилина, которому автор выражает искреннюю благодарность за помощь и
всестороннюю поддержку, терпение и понимание в процессе выполнения и написания работы. Особая благодарность Б.А. Буханову, М.В. Лупачик и другим членам экспериментальной группы
за помощь в выполнении экспериментальной программы. Автор признательна всем преподавателям и сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за полученные знания
в процессе обучения. Автор благодарна сотрудникам Национального Исследовательского Центра Канады: И.Л. Мудраковскому за помощь с проведением экспериментов, J. Ripmeester и
H. Lu за консультации и помощь с постановкой экспериментов. Также автор выражает признательность профессорам В.А. Истомину и T. Uchida (университет Хоккайдо) за консультации
и рекомендации.
|
Библиография:
Статья в журнале, рекомендованном ВАК: 1. Гурьева О.М. Экспериментальное изучение образования гидратов CO2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород / Чувилин Е.М., Гурьева О.М. // Криосфера Земли. 2009.- т. XIII, 3. - с. 7079. Статьи в международных рецензируемых сборниках: 2. Guryeva O.M. Formation of carbon dioxide gas hydrates in freezing sediments and decomposition kinetics / Chuvilin E.M. Petrakova S.Yu, Guryeva O.M. and Istomin V.A. // In: Physics and Chemistry of Ice. (Ed. W.F. Kuhs). - The Royal Society of Chemistry. Cambridge, UK, 2007. -p. 147-154. 3. Guryeva O.M. Kinetics research of ice transition into gas hydrate in porous media / Chuvilin E.M., Lupachik M.V., Guryeva O.M. // In: Physics and Chemistry of Ice (Ed. Y.Furukawa, G. Sazaki, T.Uchida, N.Watanabe).- Hokkaido University Press, 2011.- p. 127-132. Статьи и тезисы на российских и международных конференциях: 4. Guryeva O.M. Gas hydrate decomposition kinetics in frozen sediments / Chuvilin E.M. Petrakova S.Yu. and Gureva O.M. // Proceedings of the conference "Ore minerals of World's water prospects for the development", St. Petersburg 2006. 5. Guryeva O.M. Relict gas hydrate as possible form of shallow intrapermafrost gas existence / Chuvilin E.M. Petrakova S.Yu and Guryeva O.M. Asian conference on Permafrost, Lanzhou, China, 2006. р.86. 6. Guryeva O.M. Experimental studying of CO2 hydrate formation in sediments at liquid CO2 disposal in sub-permafrost layers / Chuvilin E.M., Guryeva O.M. and Istomin V.A.// International Conference on Gas Hydrate, Taiwan, 2007. 7. Guryeva O.M. Experimental investigation of the possibility of relict gas hydrates formation in frozen sediments // Chuvilin E.M. Petrakova S.Yu, Guryeva O.M. Arctic Energy Summit Technology Conference, Anchorage, Alaska, 2007, - 6p. 8. Guryeva O.M. Experimental Study of Self-Preservation Effect of Gas Hydrates in Frozen Sediments / Chuvilin E.M., Guryeva O.M. // Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost. June 29-July 3 2008, Fairbanks, Alaska.-p.263-267. 2008 9. Guryeva O.M. Experimental Study of the Thermal Conductivity of the Frozen Sediments containing Gas Hydrate / Bukhanov B.A., Chuvilin E.M., Guryeva O.M., Kotov P. I. // Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost, June 29-July 3 2008, Fairbanks, Alaska, -pp. 205-209. 10. Guryeva O.M. Carbon dioxide gas hydrates accumulation in freezing and frozen sediments / Chuvilin E.M., Guryeva O.M. // Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates, July 6-10 2008, -5469, Vancouver, Canada. 7p. 11. Guryeva O.M. Experimental Method for Determination of the Residual Equilibrium Water Content in Hydrate-Saturated Natural Sediments / Chuvilin E.M., Guryeva O.M., Istomin V.A., Safonov S.S. // Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates, July 6-10 2008, -5490_1, Vancouver, Canada. -8p. 12. Гурьева О.М. Изучение накопления гидратов в поровом пространстве мерзлых пород / Лупачик М.В., Гурьева О.М. // Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2009. -с.3-4. 13. Гурьева О.М. Экспериментальная оценка эффекта самоконсервации газовых гидратов в мерзлых породах / Чувилин Е.М., Буханов Б.А, Гурьева О.М. // Международная конференция "Перспективы освоения газогидратных месторождений", Москва, 2009 14. Guryeva O.M. Peculiarities of CO2 sequestration in the permafrost area / Guryeva O.M., E.M. Chuvilin, I. Moudrakovski, H. Lu, J. Ripmeester, V.A. Istomin // International conference of European Geoscience Union, -Vol. 12, - 5379, 2010. 15. Guryeva O.M. Hydrate formation processes at sequestration of industrial CO2 in the permafrost area / Chuvilin E.M, Guryeva O.M. // Proceedings of the Third European Conference on Permafrost, Svalbard, 2010. 16. Guryeva O.M. The role of hydrate formation processes in industrial CO2 sequestration in Permafrost area / Chuvilin E.M., Guryeva O.M. // Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates, Edinburgh, United Kingdom, 2011. 17. Guryeva O.M. Experimental study of self-preservation mechanisms during gas hydrate decomposition in frozen sediments /Chuvilin E.M., Buhanov B.A., Guryeva O.M., Istomin V.A., Takeya S., Hachikubo A. // Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates, Edinburgh, United Kingdom, 2011.
|
|
