МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗУЮЩИХ ГАЗОВ НА СОДЕРЖАНИЕ НЕКЛАТРАТНОЙ ВОДЫ В ГРУНТОВЫХ СРЕДАХ
Authors: В.А. ИСТОМИН , Д.В. СЕРГЕЕВА , Е.М. ЧУВИЛИН , Б.А. БУХАНОВ , Н.С. СОКОЛОВА 
Published: October 2024

Природные газовые гидраты существуют в пористых средах в условиях повышенных давлений и пониженных температур, включая криолитозону Земли. Особый интерес в исследовании природных газогидратов представляет развитие методов оперативного расчета фазовых равновесий гидратов в грунтовых средах, в том числе равновесного содержания жидкой фазы (неклатратной) воды, которая аналогична незамерзшей воде в мерзлых грунтах. В работе приводятся термодинамические соотношения для расчета содержания неклатратной воды в грунтовых средах при заданных термобарических условиях с использованием экспериментальных данных по зависимости активности поровой воды от ее влажности. Показано, что при фиксированной температуре с возрастанием давления газа содержание неклатратной воды резко уменьшается по степенному закону. Результаты термодинамического расчета хорошо согласуются с измерениями содержания неклатратной воды в грунтовых системах прямым (контактным) методом. Установлено, что при температурах ниже 0 °С содержание неклатратной воды в каолинитовой глине и песчано-глинистых грунтах с повышением давления метана от 2.3 до 11 МПа снижается более чем в 2 раза. Полученные соотношения позволяют проводить пересчет содержания неклатратной воды при переходе от одного гидратообразующего газа к другому, а также данных по температурной зависимости незамерзшей воды от содержания неклатратной воды. Развиваемый подход может быть применен для различных гидратообразующих газов и их смесей.

Natural gas hydrates exist in porous media under high pressure and low temperature conditions, including permafrost. The development of methods for calculating the phase equilibria in hydrate-bearing soils and sediments is of great interest. This includes the equilibrium content of nonclathrated water, as pore water in equilibrium with pore hydrate and under given thermobaric conditions. Nonclathrated water is similar to unfrozen water in frozen soil. The current study focuses on thermodynamic relationships for calculating nonclathrated water content in soil under certain thermobaric conditions based on experimental data of pore water activity and soil water content. It has been shown that at a constant temperature the nonclathrated water content decreases sharply according to a power law as gas pressure increases. The results of thermodynamic calculations are in agreement with direct measurements of nonclathrated water in soil systems using the contact method. Thus, at temperatures below 0°C, the nonclathrated water content decreases by more than two times in kaolinite clay and in sandy clayey soils with an increase in methane pressure from 2.3 to 11 MPa. The obtained relationships allow us to recalculate the nonclathrated water content after transition from one hydrate-forming gas to another, as well as calculate nonclathrated water content using the unfrozen water content curve at different temperatures. Developed thermodynamic approach can be applied to various hydrate-forming gases and their mixtures.