5.4. Определение теплопроводности гидратосодержащих осадков озера Байкал

В работе для обнаружения придонных скоплений газовых гидратов предлагается определять коэффициент теплопроводности (теплопроводность) донных осадков in situ.

Реакция разложения гидрата метана является эндотермической, т. е. протекает с поглощением скрытой теплоты диссоциации, забирая тем самым часть энергии нагревателя.

В работе исследован процесс установления температуры игольчатого зонда, помещенного в осадки, содержащие в порах гидрата метана, и на этой основе определим условия, при которых по данным измерений можно судить о наличии газовых гидратов в осадках и об изменении теплопроводности среды в процессе ее нагревания. Для этого решена задача о фазовом переходе (задачу Стефана) в среде с осевой симметрией с учетом того, что реакция диссоциации гидрата метана является эндотермической.

Рассмотрены теоретические зависимости для теплопроводности трехкомпонентного (минеральный скелет, поровая вода и гидрат метана или метан-газ) осадочного материала. При этом в качестве теплопроводности гидрата примем значение , теплопроводность минеральной матрицы (скелета) осадка , теплопроводность поровой воды , теплопроводность метана-газа .

где – относительный объем воды, освобождающийся при диссоциации единичного объема гидрата ( ).

Максимальной теплопроводностью обладает тот же осадочный материал, когда тепловой поток направлен вдоль его параллельных компонент. Для этой модели имеем до диссоциации, т. е.

; (3)

и после нее, т. е.

; (4)

Обе модели теплопроводности, безусловно, являются экзотическими, но позволяют оценить весь диапазон возможных значений эффективной теплопроводности донных осадков.

Существенно более реалистичной является такая модель теплопроводности осадка, в которой множество частей каждой из его компонент распределено в объеме случайно. При этом до диссоциации суммарные относительные объемы минеральной, водной и клатратной компонент равны соответственно и . После диссоциации при прежнем суммарном объеме минеральной компоненты водная и газовая компоненты имеют суммарные относительные объемы и . Такая модель является частным случаем многокомпонентной модели, получившей название модели теплопроводности эффективной среды. Вычисления подобных теплопроводностей трехкомпонентных осадков для этапов до и после диссоциации гидрата осуществляются путем нахождения положительных корней и кубических уравнений.

, ; (5)

. (6)

Зависимости теплопроводности от концентрации гидрата метана в поровом пространстве осадка или гидратосодержания, рассчитанные при типичном для морского дна значении пористости .

Как показывают расчеты, практически при любой пористости осадка относительное возрастание его теплопроводности после диссоциации в модели эффективной среды выше по сравнению с моделью максимальной теплопроводности. Максимальное (на 30%) относительное возрастание теплопроводности при 100% пористости соответствует случаю, когда газогидрат заполняет все поровое пространство, т. е. является массивным.

Радиус игольчатого зонда, используемого для изменения теплопроводности донных осадков in situ, обычно составляет приблизительно 2 мм. Полученные выражения для теплопроводностей, рассмотрено изменение температуры зонда, погруженного в донные осадки (например, озера Байкал), содержащие в порах помимо пресной воды гидрата метана.

В районе южной впадины Байкала, где на дне обнаружены скопления гидрата метана, глубина озера в среднем равна 1350 м, а температура придонной воды близки к . Для пористости донных осадков можно принять (60%). В соответствии с фазовой диаграммой для пресной воды при удалении 135 атм. равновесная температура составляет

Одной из особенностей природного газогидратообразования является способность гидратов не только заполнять имеющие поры и пустоты, но и организовывать собственное пространство, формируя массивные тела. Такая ситуация особенно вероятна для донных скоплений газовых гидратов.

Определение теплопроводности донного осадка in situ предполагает использование внедренного в дно игольчатого зонда, опущенного на тросе или кабале с борта судна, которое с помощью движителей удерживается в фиксированной относительно дна точке при значительной глубине водоема. Если гидрат заполняет все поровое пространство осадка с пористостью, например, (типичное значение для донных отложений), то для того чтобы фронт диссоциации за час достиг поверхности иглы, необходима мощность нагревателя, превосходящая . В случае меньшего гидратосодержания осадка для измерений требуется еще более мощный нагреватель. Следует учитывать также, что для надежной фиксации изменения теплопроводности необходимо продолжить измерения в течение некоторого дополнительного времени после начала диссоциации.

Большинство исследователей использует значение теплопроводности гидрата метана (0,4-0,5) .

Именно этими обстоятельствами объясняется то, что при расчетах в качестве основного, как правило, принимают значение теплопроводности .

Независимо от типа теплопроводности осадка, содержащего в порах газовые гидраты, ход температуры иглы претерпевает изменение после их диссоциации. Чем выше концентрация гидрата, тем заметнее это изменение. Наблюдение такого процесса в реальных условиях может служить поисковым признаком присутствия газовых гидратов в донных отложениях.

Результаты расчетов показывают, что для изучения in situ процесса изменения теплопроводности донных осадков с помощью внедренного в них игольчатого зонда линейная мощность используемого нагревателя должна быть достаточно большой желательно превосходящей . В этом случае продолжительность одного измерения не будет превосходить одного часа при любом типе теплопроводности донных отложений.