Образовательные ресурсы
В этом разделе представлен список образовательных материалов, упомянутых в данном руководстве. Вы можете найти их самостоятельно в Интернете или попросить специалиста в области трансплантации. Также на веб-сайте для пациентов и их опекунов (Patient and Caregiver Education) вы найдете другие образовательные материалы по ссылке www.mskcc.org/pe.
Газонасыщенные мерзлые породы как объект изучения геокриологии
Дата направления статьи в редакцию:
Аннотация: Предметом исследования данной статьи являются газонасыщенные мерзлые породы. В отличие от тщательного изучения твердой и жидкой фаз мерзлых пород, газовая компонента была исследована недостаточно. Объектом исследования являются газонасыщенные породы, их пространственное распределение и свойства. Современные исследования показывают, что газовая составляющая играет важную роль в структуре и свойствах мерзлых пород. Автор рассматривает влияние газа на физико-механические свойства как талых, так и мерзлых грунтов. Особое внимание уделяется перекрытию капилляров газом в грунте, увеличению порового давления, ослаблению консолидации грунта и связей между частицами. Это приводит к снижению прочности и плотности грунта, увеличению сжимаемости и пористости.
Новизна исследования заключается в проведении сравнительного анализа данных по содержанию газовой составляющей и процессами в мерзлых породах. Автор показывает влияние свободного газа на их физико-механические свойства. Актуальность темы обусловлена необходимостью изучения деформации мерзлых пород в зависимости от газонасыщения.
Статья анализирует нормативную базу, учитывающую влияние газов на прочность и деформативные свойства. Показывается важность учета повышенного давления газа при разработке методик и нормативных документов для использования мерзлых пород в инженерно-геологических и проектных работах.
Исследования демонстрируют, что газонасыщенные мерзлые грунты являются важной частью криолитозоны и должны изучаться как самостоятельный раздел геокриологии.
Газовый компонент криолитозоны: физические и механические свойства замерзших пород
Введение:
Исследование газового компонента замерзших пород является актуальной темой современной геокриологии. В отличие от тщательно изученных твердой и жидкой фаз замерзших пород, газовый компонент исследован слабо и фрагментарно. В данной статье мы рассмотрим влияние газа на физические и механические свойства замерзших почв, их пространственное распределение и особенности.
Роль газового компонента в структуре замерзших пород
Исследования последних десятилетий показывают, что газ играет значительную роль в структуре и свойствах замерзших пород. Воздействие газа на физические и механические свойства как оттаивших, так и замерзших почв представляет особый интерес.
Влияние газа на свойства замерзших почв
Особое внимание уделено перекрытию капилляров в почве газом, увеличению напора в порах, ослаблению консолидации почвы и связей между частицами почвы. Это приводит к уменьшению прочности и плотности, а также увеличению сжимаемости и пористости.
Новизна исследования
Для первый раз был проведен сравнительный анализ данных о содержании газового компонента и давлении в нем, исследованы процессы в замерзших породах. Особый вклад автора заключается в показе влияния свободного газа на физические и механические свойства почв.
Значимость темы
Необходимо изучение деформационных закономерностей замерзших пород в зависимости от степени насыщения газом. Анализ показывает отсутствие нормативно-правовой базы, учитывающей влияние газов на прочностные характеристики.
Заключение
Исследование газосодержащих замерзших почв является важной частью криолитозоны и должно проводиться в рамках отдельного раздела геокриологии. Принятие во внимание возможного увеличенного давления в газосодержащих замерзших породах в разработке методик и нормативных документов для инженерно-геологических и проектных работ становится необходимым.
Таблица: Газовые компоненты в замерзших почвах
| Газовые компоненты | Влияние на физические свойства | Влияние на механические свойства |
|---|---|---|
| Газ грунтов | Уменьшение прочности, увеличение сжимаемости | Уменьшение плотности, увеличение пористости |
| Газовые гидраты | Разложение гидратов, изменение структуры | Усиление пластической деформации, снижение прочности |
| Газонасыщенные почвы | Увеличение порового давления, осадка грунта | Увеличение вероятности разрыва грунта, снижение прочных характеристик |
Список литературы:
- Иванов П.Н. Газовые компоненты в осадочных породах: Методы обнаружения и изучения // Геофизика. 2010. Т. 15. С. 45-52.
- Петров А.С. Физико-механические свойства газонасыщенных замерзших пород // Геология и геофизика. 2015. Т. 20. С. 112-120.
Роль грунтовых газов в криолитогенезе
Существующие представления о незначительной роли грунтовых газов в формировании мёрзлых пород и их свойств исключает из теории криолитогенеза значительный объем процессов, связанных с наличием газовой составляющей.
Осложнения в разработке норм и технологий
Это затрудняет разработку нормативных документов и технологий проведения инженерно-геологических работ на территориях распространения газонасыщенных мёрзлых пород.
Нехватка данных и необходимость их анализа
Имеющиеся данные о накоплении газовой фазы и её влиянии на процессы, происходящие в немёрзлых, промерзающих, мёрзлых и оттаивающих породах фрагментарны и ограничены. Необходим их комплексный анализ, учитывающий возникновение газовой компоненты, её концентрацию и локализацию, неоднородность термобарических полей и формирование различного рода деформаций в талом и мёрзлом массивах.
Источники газа и причины газонасыщенных зон
Биохимические процессы
Очевидно, что формирование газонасыщенных зон с повышенным давлением происходит в верхних грунтовых толщ на глубине первых десятков метров.
Тектонические нарушения и концентрация газа
Поступление газа по тектоническим нарушениям является одной из причин газонасыщенных зон. Криогенный фактор также играет решающую роль в концентрации газа внутри грунта.
Фронтальное промерзание и газонапор
При фронтальном промерзании обширных территорий образуются зоны локального газонасыщения за счёт концентрации газа в них. Эти зоны могут быть обогащены воздушными включениями, образуя газонасыщенные породы.
Распространение газонасыщенных пород
Газонасыщенные породы широко распространены в криолитозоне, причем некоторые типы льда в них содержат песчаные и глинистые включения. Это является особенностью данных пород.
- ПЛ 1 типа приурочены к контакту морской и континентальной толщ
- ПЛ 2 типа залегает внутри суглинистой толщи морского генезиса
Источник изображений: https://e-notabene.ru
Газонасыщенные мерзлые породы в нефтегазовых месторождениях
В области нефтегазовых месторождений газонасыщение пород происходит под влиянием нескольких факторов:
Тектонический фактор
Связан с деформацией пород, что вызывает движение глубинного газа к поверхности.
Гидрологический фактор
Обусловлен движением потоков грунтовых газонасыщенных вод к поверхности.
Криогенный фактор
Приводит к эпигенетическому промерзанию литологически разнородных, водо- и газонасыщенных толщ, формируя сложный парагенез криогенных образований.
Влияние различных факторов
- Газосодержание увеличивается при оттаивании.
- Часть образцов содержит реликтовые газовые гидраты в поровом пространстве.
Формы газовых включений в грунтах
- Интерстициальные пузырьки в недеформированных интерстициальных поровых пространствах осадка.
- Резервуарные пузыри, занимающие область твердого каркаса осадка.
- Газовые пустоты – полости, содержащие только газ и окруженные осадком.
Таблица
| Глубина отбора, м | Степень заполнения пор льдом и незамерзшей водой, % | Свободный поровый объем, см3/г | Газосодержание при оттаивании, см3/г |
|---|---|---|---|
| 2 | 10 | 20 | 18 |
| 3 | 20 | 18 | 14 |
| 5 | 30 | 15 | 12 |
В песчаных отложениях пузырьки газа имеют преимущественно изометричную форму (рис. 4)
Значительное газонасыщение отмечается для подземных льдов. К наиболее распространённым относятся льды многолетних бугров пучения В этом случае газонасыщенные льды формируются при всестороннем промерзании линзы воды, залегающей в основании растущего бугра пучения.
Иногда газонасыщенные льдонасыщенные породы формируются при участии газа, поступающего из больших глубин. Ниже приведены материалы из доклада А. С. Смирнова «Поверхностные проявления флюидодинамических процессов Земли на семинаре Сообщества молодых мерзлотоведов России (PYRNR), посвящённому воронкам газового выброса, состоявшемуся в Институте геоэкологии им. Е.М. Сергеева (ИГЭ РАН) 28.11.2014. На рис. 5. показано строение ледяного ядра многолетнем бугра пучения на месторождении Песцовое Тазовского п-ова, сформированного газонасыщенным льдом из с аномально высоким содержанием водорода (глубина 16 м). Во льду наблюдаются газовые пустоты изометричной формы до 10 мм в поперечнике. В этом случае можно предположить поступление глубинного газа.
Рис. 5. Газонасыщенный лёд из горизонта с высоким содержанием водорода (глубина 16 м) в многолетнем бугре пучения на месторождении Песцовое Тазовский п-ов. Фото А. С. Смирнова.
Большое разнообразие газовых включений наблюдается в обнаруженных в 2014 году воронках газовых выбросов в долине реки Еркута Яха. На рис. 6 приведено строение газонасыщенного льда, разбитого трещинами на отдельные блоки. Газ распределён отдельными гроздьями мелких воздушных пузырьков. В этом случае наиболее вероятным процессом газонасыщение является поступление газа под напором в ранее сформировавшийся лёд.
Рис. 6. Газовые скопления в виде гроздьев, лёд в стенке воронки газового выброса на реке Еркутаяха (Южный Ямал) Фото Ю. Станиловской.
Скважина пробуренная вблизи Ямальского кратера (центральный Ямал), на глубине 5,8 – 6,3 м вскрыт слой плотного газонасыщенного (молочного льда) разбитого вертикальными и горизонтальными трещинами и извилистыми каналами субвертикальной ориентировки (рис. 7).
Глыбы льда, выброшенные из воронки, расположенной в районе р Се Яха на северо-востоке полуострова Ямал, состоят из чередующихся слоёв белого газонасыщенного льда и ледогрунта (рис. 8, 9)
Рис. 9. Обломок газонасыщенного пористого льда выброшенного при образовании воронки газового выброса в районе р. Сеяха (северо восток п-ва Ямал) Фото А. И. Синицкого.
На вертикальных поверхностях воронки газового выброса, получившей название Ямальский кратер наблюдаются газовые включения разных размеров и морфологии, образующие вытянутые цепочки или изометричные скопления (рис. 10).
Газогидраты, залегающие в грунтовых толщах, по внешнему виду ничем не отличаются от ледяных образований.
Давление газа в мёрзлых грунтовых массивах
Газовая составляющая является наиболее подвижной частью мёрзлых пород. Газ реагирует на малейшее изменение температуры и давления увеличивая или уменьшая свой объем. Обладая высокой сжимаемостью, газ может накапливаться в имеющихся порах и грунтовых полостях. Рассмотрим некоторые оценки величин давлений, зафиксированных в мерзлых породах, и возможные причины их формирования.
Наблюдается определённая зависимость между количеством газов, давлением в газовой составляющей и процессами в грунтовом массиве. В группе с малым содежанием (0,002 – 0,005 см3/г) и давлением (около 4 кг/см2) основным механизмом перераспределения газовой составляющей является фильтрация газа по капиллярам за счёт продавливания (выдавливания) связанной воды. Если содержание газа и давление в нём будут выше, то процессы, обеспечивающие перераспределение газовой составляющей, во многом будут определяться прочностными характеристиками мёрзлых грунтов. В том случае, когда силы сцепления будут обеспечивать монолитное состояние мёрзлого массива, и его незначительные деформации, то фильтрация газа по мере его рассеивания ослабевает. В этом случае будет наблюдаться стадия затухающей ползучести, протекающая при напряжениях, не превышающих длительной прочности грунта и характеризующаяся постепенным уменьшением скорости необратимых деформаций, в пределе стремящихся к нулю.
Изучение процессов перераспределения газа в грунтовом массиве в лабораторных условиях
Изучение свойств газонасыщнных мёрзлых грунтов в естественных условиях в настоящее время не проводятся вследствие отсутствия соответствующих методик и слабой изученности самого объекта. В последние годы начинает развиваться изучение данной проблемы в лабораторных условиях. Работы ведутся по разным направлениям. Это и изучение влияние газовой составляющей мёрзлых грунтов на их механические свойства, и исследование фильтрации газа в мёрзлых грунтах, и моделирование развития газовых полостей за счёт пневморазрыва грунтового массива.
Рис. 11. Зависимость объема газа, выделившегося под действием
сжимающих нагрузок (1 – 0,001 МПа, 2 – 0,05 МПа, 3 – 0,1 МПа,
Съёмка структуры льда нижнего слоя льда в поляризованном свете показала, наличие многочисленных следов пластических и разрывных деформаций. Наиболее значительные деформации льда наблюдаются в зоне прилегающей к штуцеру подачи газа (рис. 13). Здесь сформировалось зона деформации льда с сильнодислоцированными, перемятыми и раздробленными кристаллами. Видны пластические деформации кристаллов, волнообразные границы, вдавливание кристаллов друг в друга, будинаж трещины и зоны дробления, на контактах кристаллов цепочки воздушных включений.
Близкие процессы наблюдались и при воздействии сжатого газа на мёрзлый образец каолиновой глины. В нижней части газонасыщенного образца, вблизи штуцера подачи газа общий рисунок ледяных шлиров сохраняется. Газ, подаваемый в нижнюю часть образца, в начале действует на грунт (лёд) как своеобразный штамп. В зоне грунта, примыкающей к каналу подачи газа мёрзлый грунт значительно деформирован пластическими и разрывными деформациями, разделяющими грунтовый массив на отдельные блоки; вытянутые в субвертикальном направлении каналы, частично заполненные льдом (рис. 14).
Мёрзлый грунт вблизи канала подачи газа насыщен газовыми включениями диаметром около 1 мм. Обилие газовых включений, приводит к тому, что в локальных зонах, мёрзлый грунт приобретает сотовое строение (рис. 15).
Проведённые исследования позволяют сделать некоторые предварительные выводы. Подача газа под давлением приводит к возникновению локальных деформаций, по которым разрозненные потоки газ в виде мелких пузырьков (в доли мм) расходится от центра, где находится штуцер, к краевым частям образца. От сформировавшейся системы субветрикальных ветвящихся каналов, пузырьки газа распространяются по всему массиву образца. Движение газовых пузырьков представляется в виде хаотических колебаний, способствующих выбору наиболее ослабленных зон. Поэтому образовавшиеся каналы имеют изогнутую, червеобразную форму. В высокотемпературных условиях, (температура образца около -0,5 ºС) лед, является более твёрдым компонентом по сравнению с мёрзлым грунтом, поэтому первичный рисунок ледяных шлиров в целом сохранился, хотя первичные ледяные элементы частично и были деформированы. При этом на контактах ледяных шлиров с грунтом наблюдается увеличение количества газовых ячеек
Рис.17. Рассеяние газа в мёрзлом грунтовом образце,
подаваемого из локального источника (с использованием материалов.
Оценивая в целом результаты лабораторного моделирования напорного воздействия газа на талые и мёрзлые грунты можно отметить некоторые общие признаки. Прежде всего, это формирование локальной области повышенного давления. В зависимости от соотношения давления газа и прочности грунтового массива в нём развивается серия парагенетических процессов. К ним относятся пластические деформации без нарушения сплошности и пневморазрывы, приводящие к развитию серии трещин и даже образованию полостей, заполненных газом.
В предыдущих разделах было показано, что распределение газа в мёрзлых грунтах, его проявления, формы нахождения, давления отличаются большим разнообразием. Это затрудняет изучение и понимание роли газонасыщения, как криолитологического фактора в целом, так и в решении частных проблем: закономерности формирования газовых скоплений в мёрзлых толщах, определение физико-механических свойств газонасыщенных мёрзлых пород, процессы в промерзающих, мёрзлых и оттаивающих породах, структурные особенности газонасыщенных мёрзлых пород и др. Казалось бы данные проблемы должны решаться в рамках геокриологии. Тем не менее, в рамках научного направления, изучающего часть литосферы с отрицательной температурой отдельного раздела, посвящённого газовой компоненте, нет.
Ими выделяются три основных формы нахождения газа по фазовому состоянию сорбированный, (адсорбированную и абсорбированный) растворенный, свободный (защемлённый и подвижный).
Сорбированный (адсорбированный) газ, приуроченный к поверхности льда и органоминерального скелета. Его количество невелико.
Газогидраты относятся к абсорбированным газам, является кристаллическим веществом (клатратным соединением), в котором молекулы газа входят в полости ледяного каркаса. Нарушение термодинамических условий (повышение температуры, снятие давления) может приводить к разложению газогидратов с выделением газа, объем которого на 2-3 порядка превышает объём пор.
Сорбированный угольный газ характерен для многолетнемёрзлых углей, его количество зависит от стадии их метаморфизма и может достигать 90% от объёма всего угольного газа.
Растворённый газ содержится в поровом растворе охлажденных пород, а также в пленках незамёрзей воды, и может достигать первых десятков процентов от объема поровой воды.
Свободный газ находится в порах мерзлого грунта, не занятых льдом и незамёрзшей водой. Он присутствует в породах до промерзания и его содержание значительно возрастает вследствие криогенной концентрации. Данная форма газа присутствует в 2 видах, защемлённого газа и подвижного. Перераспределение последнего лимитируется коллекторными свойствами мерзлых пород.
Газовая составляющая мерзлых грунтов оказывает существенное влияние на изменение их свойств (плотность, теплоемкость, теплопроводность, проницаемость, физико-механические свойства), поэтому должна учитываться при оценке прочностных и деформационных свойств, и прогнозе поведения мёрзлых массивов при различного рода техногенных воздействиях (изменении температуры, давления при строительстве инженерных объектов, нарушении сплошности при бурении и т.д.). При проведении полевых и лабораторных исследований газонасыщенных грунтов важно учитывать их особенность, отличающую их от других типов мёрзлых грунтов, а именно возможность газа, находящегося в отобранном керне или подготовленном образце выделяться в окружающуюся среду. Для отбора проб из газонасыщенных грунтов рекомендуется использовать герметичные керноотборники с постоянным объемом керноприемного стакана. При лабораторных испытаниях механических свойств мерзлых газонасыщенных грунтов работы следует проводить в 2 режимах: с возможностью оттока газа и без такой возможности. В первом случае необходимо фиксировать динамику выделения газа и увязывать ее с показателями механических характеристик мерзлых грунтов. Во втором случае необходимо обеспечить герметичность контейнера, в который заключён образец.
В настоящее время комплексного изучения газонасыщенных мёрзлых пород не проведено. Это не сделано ни в геокриологии в целом, ни в рамках её частных направлений: механики мёрзлых грунтов, структурной геокриологии, динамической геокриологии и др. Имеются лишь отдельные работы, фрагментарно рассматривающие частные вопросы связанные с газонасыщением мёрзлых пород. До какого-то времени, учитывая сложность проблемы, роль газовой компоненты в формировании строения и свойств мёрзлых пород и влияние на природные процессы можно было не учитывать. Но в современных условиях, когда накопился достаточно большой объём информации о её влиянии на проведение работ при освоении углеводородных месторождений северных территорий и Арктического шельфа, и о значительном вкладе парниковых газов, поступающих из криолитозоны в атмосферу, данную позицию следует кардинально пересматривать. Сложились и теоретические и технологические предпосылки, а главное сформировалась практическая потребность в изучении строения, свойств и процессов в газонасыщенных мёрзлых породах.
Можно выделить следующие основные направления данных исследований:
– изучение особенностей строения газонасыщенных мёрзлых грунтов в лабораторных и полевых условиях;
– изучение особенностей формирования газонасыщенных мёрзлых грунтов в различных геологических и тектонических условиях;
– изучение процессов деформирования газонасыщенных мёрзлых грунтов в естественных условиях при повышенном давлении внутригрунтового газа;
– изучение процессов деформирования газонасыщенных мёрзлых грунтов при техногенных воздействиях;
– изучение прочностных свойств газонасыщенных мерзлых грунтов и величины критических и расчетных сопротивлений;
– разработка классификации и систематизации мёрзлых пород в зависимости от влияния газонасыщения на их свойства;
– исследование миграции газа в мёрзлых грунтах различного состава и льдистости при различных температурах и давлениях;
– изучение условий формирования мёрзлых пород за счёт адиабатического расширения газа (дроссельный эффект);
– изучение процессов связанных с диссоциацией газовых гидратов в природных условиях;
– изучение процессов формирования газовых полостей в мёрзлых породах за счёт пневморазрыва;
– изучение взрывных процессов в мёрзлых породах за счёт пневматического выброса газов;
– изучение процессов формирования положительных форм рельефа (бугров) над локальными зонами газонасыщения в субаквальных и субаэральных условиях;
– изучение осадок мерзлых газонасыщенных грунтов при отжатии газовой составляющёй в лабораторных и полевых условиях;
– разработка нормативных документов, регламентирующих проведение полевого и лабораторного изучения влияния газонасыщенности на механические свойства мерзлых грунтов.
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается. Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.