Функционирование и формирование  почв над подземными хранилищами природного газа (30.03.2009)

Автор: Можарова Надежда Васильевна

Г - районы проявления грифонов

А - районы

автохтонного метанопроявления

- ключевые участки

Содержание метана в поверхностных горизонтах почв ppm (Med):

0-2 (1,2) 2-5 (3,4) 5-9 (7,2) 9-14 (12,1)

Содержание метана в почвенном профиле (Med) ppm:

ореол рассеяния ПХГ2,Ч ПХГ1, Ч Т Ф

Скважи-ны скважи-ны грифоны технолоческие. объекты

№ ключевого участка 1 2 5 6 7 8 9 3 4, 10

В автоморфных почвах 5,2 7,7 20,0 10,0 5,9 30,2 73,3 6,9 2,0

В полугидро-морфных почвах 6,7 1,2 - 47,5 30,4 6,6 - 9,3 1,2

Рис .4. Содержание метана в почвах над месторождением природного газа и подземными газохранилищами

Возникновение локальных аномалий обусловлено разными причинами, а отношения содержания метана в почвах к фоновым показателям могут составлять разы и десятки раз (рис. 4). Так, например, над разбуренной во время строительства подземных газохранилищ Чокракской газовой залежью в пределах промышленных зон ПХГ-1, ПХГ-2, в прискважинных ореолах при конвективных потоках газа, связанных с негерметичостью скважин и повышенным пластовым давлении газа, названные отношения варьируют от 3 до 30; в межскважинных ореолах при боковой транслакации газа и диффузионных потоках метана от 1 до 3 раз; в поверхностных горизонтах остаточных ореолов над истощенными газовыми залежами (3,5); в ореолах над площадями низкого пластового давления за пределами разбуренной газовой залежью приближается к фоновому содержанию (рис. 4).

Над трещиноватыми геологическими структурами и в ореолах рассеяния, обусловленных выходом на поверхность газоносных пород, повышенное содержание свободного аллохтонного метана в почвах отмечалось до строительства газохранилищ. В настоящее время содержания метана превышает фоновые в 3-7 раз (рис. 4). В экспериментальных условиях прекращения компрессии природного газа в газохранилище, содержание в почвах метана уменьшалось до фонового содержания. Таким образом, высокое содержание метана в почвах связано с интенсивностью его потоков, обусловленных технологическими и эксплуатационными особенностями и геологическим строением газоносной территории. Медианные значения содержания свободного метана в газовой фазе автоморфных почв превышают фоновые значения в единицы и десятки раз.

5.3. Депонирование автохтонного, техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана. Формирование диффузионных и сорбционных барьеров

Содержание метана в почвах в значительной степени регулируется их диффузионной проницаемостью и сорбционной ёмкостью. Метан депонируется почвой: задерживается при низкой диффузионной проницаемости, частично растворяется в жидкой фазе почв при уменьшении температуры, концентрируется на поверхности почвенных частиц путем молекулярной сорбции газа, формируя сорбционные и диффузионные геохимические барьеры. Мерой диффузионной проницаемости почв является эффективный коэффициент диффузии (D). Диффузионная проницаемость почв зависит от отношения пористости аэрации к общей пористости (Пg/ОП) и гранулометрического состава и описывается графической моделью (рис. 5). С утяжелением (облегчением) гранулометрического состава и уменьшением (увеличением) отношения пористости аэрации к общей пористости диффузионная проницаемость падает (растет).

Среди черноземов близкой диффузионной проницаемостью характеризуются черноземы миграционно-сегрегационные на засоленных делювиальных отложениях, увеличиваясь к аналогам на элюво-делювии коренных пород и покровно-скелетных, лессовидных и лессовидно-покровных отложениях. Различная степень диффузионной проницаемости обуславливает формирование соответственно низкоёмких, ёмких, высокоёмких и очень высокоёмких диффузионных барьеров.

Рис. 5. Зависимость эффективного коэффициента диффузии (Dэф) метана в почве от отношения её пористости аэрации (Пg) к общей пористости (ОП) и гранулометрического состава

В периоды нормального увлажнения почв диффузионная проницаемость уменьшается по сравнению с периодами их иссушения. Высокая диффузионная проницаемость обуславливает интенсивный массоперенос газа, снижение активности бактериального окисления метана и эмиссию его в атмосферу. Низкая диффузионная проницаемость способствует накоплению метана в почвенном профиле, увеличению активности бактериального окисления и его утилизации в профиле.

Мерой сорбционной емкости почв является активность абиотического поглощения метана, которая зависит от гранулометрического состава, дисперсности и удельной поверхности. Емкость сорбционного барьера уменьшается почти в 2 раза от дерново-подзолистых почв на водно-ледниково-озерных отложениях к дерново-подзолам псевдофибровым на древнеаллювиальных отложениях, что связано с уменьшением удельной поверхности и абиотического поглощения метана в почвах более легкого гранулометрического состава. Наблюдается увеличение рассматриваемых параметров от автоморфных к полугидроморфным и гидроморфным почвам с торфяными и глеевыми горизонтами с высокой удельной поверхностью (УП), зависящей от содержания органического вещества (УП = 46,1+14,98·Сорг, r = 0,65, n = 211, p < 0,05). Техногенные седиментационные буровые горизонты характеризуются низкой диффузионной проницаемостью и высокой сорбционной емкостью; они являются наиболее емкими диффузионными и сорбционными барьерами для метана. Напротив, техногенные стратифицированные песчаные горизонты характеризуются малоемкими депонирующими барьерами. Низкая удельная поверхность и абиотическое поглощение способствуют десорбции метана, увеличению его содержания в газовой фазе и затруднению использования микроорганизмами. Кроме того, количество самих микроорганизмов в почве зависит от ее сорбционных свойств. Таким образом, депонирование метана в почвах осуществляется с помощью функционирования сорбционных и диффузионных геохимических барьеров-горизонтов, ограничивающих дальнейшую миграцию газов, предотвращая эмиссию метана в атмосферу. Депонирование газов в почве способствует развитию активности бактериального окисления метана.

5.4. Бактериальное окисление автохтонного, техногенно-аллохтонного и аллохтонного метана в почвах. Формирование биогеохимических барьеров в почвах в летний период.

???????

???????

????????

!Активность бактериального окисления метана на фоновой территории обусловлена его микробиологическим образованием в почвах и зависит от окислительно-восстановительных условий. Бактериальное окисление метана увеличивается от дерново-подзолов псевдофибровых и дерново-подзолистых почв к дерново(торфянисто)-подзолисто-глеевым и снижается в торфяно-глеевых почвах с восстановительными условиями (рис. 6).

Почвы Дерново-подзолистые, иногда глееватые Дерново-подзолисто-глеевые Торфянисто-подзолисто-глеевые Торфя-нисто-(торфяно)-глеевые Ф ?

н а в о д н о - л е д н и к о в о - о з е р н ы х о т л о ж е н и я х

Дерново-подзолы псевдофибровые Дерново-подзолисто-глеевые Торфянисто-подзолисто-глеевые - Ф ?

н а д р е в н е а л л ю в и а л ь н ы х о т л о ж е н и я х ЗР ?

Хемо-техно-дерново-

подзолистые Хемо-техно-почвы глеевые по дерново-подзолисто-глеевым Хемо-техно-почвы глеевые по торфянисто-подзолисто-глеевым Хемо-техно-торфянис-то-глеевые П ?

н а в о д н о - л е д н и к о в о - о з е р н ы х о т л о ж е н и я х

Ф – фоновая территория, ЗР – зона рассеяния, П – промышленная зона

Рис. 6. Активность бактериального окисления метана в основных почвах различных геохимических зон (летний период)

Циклы образования и окисления метана в автоморфных и полугидроморфных почвах являются замкнутыми, метанокисление доминирует над его образованием, эмиссия метана в атмосферу отсутствует. В гидроморфных почвах дисбаланс метанобразования и метанокисления приводит к появлению свободного автохтонного метана, а хорошо выраженные диффузионные и сорбционные барьеры способствуют его накоплению. Избыток метана выделяется в атмосферу.

На газоносных территориях почвы экранируют метановые потоки из недр.. Активность бактериального окисления метана почвами в целом повышается, имеет специфические особенности и обусловлена следующими причинами.

Неоднородность бактериального окисления метана обусловлена степенью проявления газовых аномалий, тесно связанных с интенсивностью потоков из недр (рис. 4, 7). Наиболее интенсивным техногенно-обусловленным газовым ореолам в районе ПХГ 1, соответствуют умеренные бактериальные аномалии; в районе ПХГ 2, где техногенные потоки газа менее интенсивны, бактериальные аномалии отсутствуют. Бактериальные аномалии различной сложности и контрастности выделяются в дерново-подзолистых почвах при средневзвешенных показателях бактериального окисления выше 17,9 нг/г ч-1; в дерново-подзолисто-глеевых почвах – 13,9 нг/г ч-1, черноземах миграционно-сегрегационных 18 нг/г ч-1; гидрометоморфизованных – 21 нг/г ч-1 .

Неоднородность бактериального окисления метана обусловлена механизмом поступления метана в почвы. Бактерии поглощают и окисляют слабые диффузионные потоки метана, образуя мощные биогеохимические барьеры. Конвективные потоки метана усваиваются слабее, следствием чего является понижение активности бактериального окисления метана и формирование менее мощных биогеохимических барьеров в аналогичных почвах. Наиболее мощные биогеохимические барьеры образуются в природных почвах при слабых диффузионных потоках в зонах рассеяния углеводородных газов. В зонах конвективных потоков метана на техногенных почвах и выходах газоносных пород на поверхность на эродированных почвах формируются наименее емкие биогеохимические барьеры. Из сказанного следует, что почвы обладают различными ответными реакциями на механизмы массопереноса, т.е. различной рефлекторностью.

Условные обозначения Уровни емкостей биогеохимических барьеров


загрузка...