CC BY
307
------------------- © Е.В. Швачко, Н.М. Сторонский, В.Т. Хрюкин,
Б.М. Зимаков, Т.С. Попова, К.В. Воложанин,
В.М Гребенкин, Д.А. Сизиков, Ю.М. Жуков,
2006
УДК 622.86
Е.В. Швачко, Н.М. Сторонский, В.Т. Хрюкин,
Б.М. Зимаков, Т.С. Попова, К.В. Воложанин,
В.М Гребенкин, Д.А. Сизиков, Ю.М. Жуков
ГАЗОВАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ И ПРОГНОЗНАЯ ГАЗОНОСНОСТЬ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ТАЛДИНСКОГО МЕТАНОУГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
#^#зучение изменения состава газа и содержания мета-Уя на в угольных пластах является актуальной задачей для района, в котором ведется активная добыча угля открытым и подземным способами и проводятся опытноэксплуатационные работы по извлечению угольного метана, как самостоятельного полезного ископаемого.
Современная газовая зональность формируется под воздействием комплекса факторов, влияющих на миграцию газов и образование зоны газового выветривания в приповерхностной части угленосной толщи, где в результате происходящих физических, химических, физико-химических процессов метан замещается азотом и углекислым газом.
Содержание метана в угольных пластах в зоне газового выветривания изменяется от 1-3 до 70-80 %, а метанонос-ность угольных пластов не превышает 3-5 м3/т угля. Мощность зоны газового выветривания (ЗГВ) в различных горногеологических условиях изменяется от первых метров до 300-400 м и характеризуется резкой изменчивостью на сравнительно небольших расстояниях.
В целом, в пределах Кузнецкого угольного бассейна мощность ЗГВ изменяется от 400-500 м на северо-востоке в Анжерском районе до практически полного отсутствия на юге юго-востоке в Томь-Усинском и Мрасском районах, где непо-
средственно под рыхлыми четвертичными и юрскими отложениями газоносность угольных пластов достигает 8-10 м3/т.
Представляется целесообразным при прогнозировании газоносности угольных пластов для промысловой добычи метана ввести понятие переходной зоны (как верхней части зоны метановых газов), включающей угольные пласты с газоносностью от 3-5 до 10-12 м3/т угля. Эта переходная зона характеризуется наибольшей изменчивостью метаноносно-сти угольных пла-стов в пределах равных глубин (практически не предсказуе-мой), а, следовательно, и наибольшим риском определения па-раметров промысловой добычи метана. Ниже этой переходной зоны начинается собственно зона промысловых интересов, где изменения метаноносности пластов в пределах равных глубин будет гораздо меньше.
Мощность зоны газового выветривания зависит от ряда ге-ологических, геоморфологических, тектонических и гидрогеологических факторов, определяющими из которых для Талдинского месторождения являются гидродинамические условия и неотектоническая нарушенность горного массива.
Участок экспериментального полигона куста скважин УМ-1 расположен в зоне сочленения двух геологических структур - Талдинской брахисинклинали, западная часть которой в лежачем крыле нарушения IV продолжается Караканской синклиналью. Район характеризуется сопряжением нарушения IV с региональным Воробьевским взбросом в лежачем крыле и нарушением VII, осложняющим висячее крыло
В геологическом строении участка принимают участие угленосные отложения ерунаковской и ильинской подсерий верхнепермского возраста, а так же рыхлые образования мел-палеоген, неоген и четвертичного возраста.
Гидрогеологические условия Талдинской угленосной площади
Изучение гидрогеологических условий метаноугольных месторождений имеет большое значение, поскольку особенности гидродинамики и геохимическая зональность подземных вод тесно связаны с газовой зональностью. Движение подземных вод, мощность зоны активного водообмена предопределяют формирование зоны газового выветривания угольных пластов. Обобщение результатов исследований
гидрогеологических скважин в пределах Талдинской, Нарык-ско-Осташкинской, Томской и Распадской площадей проведено Томским филиалом института геологии нефти и газа СО РАН. Выявлены основные черты гидродинамической и гидрохимической зональности.
Специфичность гидрогеологических условий Талдинской угленосной площади определяется её приуроченностью к цен-тральной части Кузбасса, где развиты брахисинклиналь-ные структуры (разбитые тектоническими нарушениями), повышенная обводнённость которых на верхних горизонтах обусловлена влажным климатом и значительной величиной инфильтрации атмосферных осадков (до 15 %), а также значительной величиной проницаемости горных пород. Угленосные верхнепермские отложения образуют единый водоносный комплекс. В региональном плане по разрезу выделяется две гидродинамические зоны - интенсивного и замедленного водообмена. Верхняя гидродинамическая зона интенсивного водообмена приурочена к интервалу экзогенной трещиноватости, развитой до глубин 50-200 м; на больших глубинах, в пределах развития затухающей трещиноватости, выделяется зона замедленного водообмена с пониженными значениями фильтрационных параметров.
По условиям залегания и характеру водовмещающих пород в верхних частях разреза преобладает трещинный тип фильт-рации подземных вод, ниже, в условиях затухания трещиноватости и наличия мощных пластов песчаников, возрастает роль трещинно-пластового, трещинно-жильного типов фильтрации. Трещиноватость пород в разрезе неравномерна.
Показательно выглядит корреляция проницаемых зон в скважинах центральной части Больше-Талдинского разреза, для проведения которой использовались результаты радио-ак-тивного (ГК) и акустического (Dt) каротажа (либо Кп, как про-изводная Dt). По кривой ГК выделялись песчаники, а по кри-вой Dt определялась степень их трещиноватости. Выделение таких зон несколько условно, так как дать количественную ха-рактеристику степени трещиноватости по данному методу не представляется возможным. (Работы проводились
инженерами-геофизиками ЗАО «Лорес» В.Н. Шолевым и Е.Б. Сушковой).
Как видно из приведенного геологического разреза (рис. 1) зоны трещиноватости приурочены к слоям песчаников. Поэтому не случайным можно назвать совпадение выделенных зон проницаемости с интервалами повышенной обводненности пород, отмеченных при гидродинамических исследованиях скважины 13802.
102
103
'137402304 !!И
Условны» обозначении
Д/лрс
/\/ Нижнйя граница рыкпых отпожений Ось днтикпинапи Г*опогорыидочныо скпажини Литология
И чрслыивд
I прроспаиванив апоцропитоо ТЛ аргиллит углистый Г | доврош М*лке*ернхетый [ ' | алевролит крупнозернистый песчаник Щ уголь
Каротажна» кривая дк Каротажная кривая ддк Коэффициент пористости Плотность угленосной ТОЛЩИ Угольные лластьг установленные
предполагаема* ммы Др09п*мця пород Ди1ЬюнкТи6нЫ4 нарушении Пласты угпя
установленные
предполагаемые
т' Интервалы лобышоиной водообилывдти пород ; Выдипеииыи прОницаамыо зоны
Рис. 1. Корреляция проницаемых зон по результатам геофизических и гидродинамических исследований скважин. (Геологический разрез центральной части Больше-Талдинекого профиля)
Повышенная тектоническая трещинноватость и благоприятные структурные направления напластования области питания скважин экспериментального полигона 1-УМ обусловили повышенную обводненность толщи по данным геофизических исследований до глубины 400-450 м (кровля угольного пласта 60-59).
Зона интенсивного водообмена на рассматриваемых пло-щадях является наиболее полно изученной и характеризуется глубиной залегания статического уровня подземных вод от 40 м ниже дневной поверхности на водоразделах до +6м в доли-нах. Напор подземных вод, возрастающий от верхних интервалов к нижним, находится в пределах от 10 до 150 м.
Удельные дебиты скважин весьма различны в зависимости от проницаемости горных пород (0,04-0,6 л/с на 1 м понижения уровня воды при откачке из скважин). Наиболее высокие из них установлены в угленосных породах под долинами рек (коэффициент фильтрации в них до 1,3 м/сут). Величины коэффициентов фильтрации меняются от 0,3 до 1,3 м/сут.
Для зоны замедленного водообмена целесообразно вы-де-лить две подзоны: а) 160-600 м; б) 600-1500 м. Для них характерны повышенные значения величин напора подземных вод - до 350 м в верхней подзоне.
Зона весьма замедленного водообмена располагается в наиболее глубоких частях артезианских бассейнов, где водообмен осуществляется в течение геологического времени и пластовое давление может превосходить гидростатическое.
Характеристику зоны затрудненного водообмена можно дать только по отдельным данным, полученным в результате бурения пилотных керновых скважин и экспериментальных углеметановых скважин (глубины исследования до 1300 м).
Данные, полученные при проведении опытной эксплуатации скважин УМ-1.1 и УМ-1.2, позволяют немного условно охарактеризовать, водоносную зону на глубинах более 500 м, ранее практически не охваченную исследованиями. Значения коэффициента водопроводимости (КМ) для скважины УМ-1.1, проводящей опытную эксплуатацию в интервале глубин 687,9 м - 866,7 м составил и
0,01436 м2/сутки, для скважины УМ-1.2, проводящей опытную эксплуатацию в интервале глубин 494,15 м - 594,7 м -0,202 м2/сутки.
Анализ химического состава подземных вод позволяет выделить в разрезе две зоны инфильтрационных вод: верхняя - промытая, по составу гидрокарбонатно-кальциевая, которая с увеличением минерализации сменяется зоной гидрокарбонатно натриевых (содовых) вод. Содовые воды широко распрост-ранены с глубины 300 м. Состав подземных вод изменяется с изменением их общей минерализации. С увеличением минерализации от 1 до 10 г/л меняется тип подземных вод от гидрокарбонатных кальциево-натриевых до гидрокарбонатных натриевых, с повышенным в отдельных случаях содержанием сульфата.
Химический состав подземных вод характеризуется од-но-образием анионного и пестротой катионного состава. Среди анионов главная роль принадлежит гидрокарбонат иону. Хлориды и сульфаты содержатся в незначительных количествах. Среди катионов в верхней части трещиноватой толщи преимуществом пользуется кальций, с глубиной он постепенно вытесняется натрием и на глубинах 100-150 м в долинах, 150-180 м на водоразделах полностью им замещается. Реакция водной среды изменяется от кислой и слабокислой в верхней части зоны интенсивной трещиноватости до слабощелочной и щелочной в нижней части зоны. Жесткость вод, как правило, не велика и изменяется в пределах 4-7 мг-экв/л.
Наибольшие значения для ЭО-4 приходятся на глубину 600-700 м, а затем достаточно резко их содержание падает. На отдельных участках появляются сульфатные воды, формирование которых, вероятно, связано с окислением пирита.
Определение газоносности угольных пластов на Талдинской площади
Газоносность угольных пластов на Талдинской площади изучалась по российским методикам при геологоразведочных работах в период 1967-1999 г. и по американским методикам в 2003-2004 г.
Газоносность угольных пластов в соответствии с требованиями «Инструкции по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах» (1977) изучена, в основном до глубины 400 м (горизонт -100 м абс). До глубин 500-600 м газоносность изучена по отдельным скважинам на 1 профиле и 10 разведочной линии (рис. 2). На глубинах более 600 м газоносность угольных
108
Р21п
тадсэ
13905
16320
ПрсАГТ’лгга Мс*дюсть гены Г I 1Ш-2Ш М
Г I ЛЕ-ЭШ М
I I ТП -35Р М
I I ЗПчШ М
т *£п-**о м
Рис. 2. Изменение мощности зоны газового выветривания в пределах Талдинской площади
пластов изучалась в глубоких керновых скважинах №№ 16116, 16320 и 16244.
Отбор керна для изучения газоносности угольных пластов по американским методикам проводился сотрудниками ОАО «Промгаз» и АНО «Углеметан» в сентябре-октябре 2003 года на площадке УМ-1 и в январе-марте 2004 года на площадке УМ-5. Для проведения тестов применялось оборудование ком-пании Raven Ridge Resources (США), включающее набор герме-тичных сосудов для размещения в них образцов угля, термо-статы для поддержания заданной температуры образцов и ма-нометры для определения выпущенного объема газа. Оценка газоносности угольных пластов выполнена в строгом соответ-ствии с методикой и на основе программно-аналитического обеспечения Gas Technology Institute (США).
Проведенные исследования показали, что результаты определений природной метаноносности угольных пластов, выполненных по российской и американской методикам, при соблюдении всех требований дают хорошую сходимость.
Изучение природной метаноносности угольных пластов Талдинской площади позволило обоснованно установить основные закономерности изменения мощности газового выветривания и изменения метаноносности угольных пластов в зависимости от глубин их залегания и от метаморфизма углей.
Основные закономерности изменения зоны газово-го выветривания Талдинской площади
Для установления границы зоны газового выветривания (ЗГВ) и определения переходной зоны использовались ре-зуль-таты определения газоносности угольных пластов в геологоразведочных скважинах. На основе этих данных построены карта изменения мощности зоны газового выветривания Талдинской площади и карта прогноза природной метаноносности пласта 60-59.
Мощность ЗГВ в пределах Талдинской синклинали изменяется в пределах от 100-150 до 400-450 м (рис. 3). Минимальная мощность ЗГВ отмечается на восточном и северо-вос-точном крыле синклинали, в зоне сочленения с Жернов-ской антиклиналью. Здесь граница метановой зоны находит-
ся на отметках 150-200 м, а ее мощность составляет около 100-200 м. В южном направлении мощность ЗГВ увеличивается. На южном крыле Талдинской синклинали поверхность метановой
Рис. 3. Карта прогноза природной метаноносности пласта 60-59 Талдинской площади
зоны находится на отметках от 150 до 50 м, а ее мощность составляет 200-300 м. В центральной части Талдинской площади угольные пласты тайлуганской свиты, включая пласт 78, находятся в зоне газового выветривания, мощность которой составляет 300-350 м. Такое увеличение здесь мощности ЗГВ обусловлено тем, что к пластам, находящимся в ядре синклинали не происходит подтока газа с нижних горизонтов. Максимальная мощность ЗГВ (до 400-450 м) наблюдается в северо-восточной части Талдинской синклинали вблизи взброса № 7 в его лежачем крыле. Здесь поверхность метановой зоны находится на отметках от +/-0 до -150 м. В районе куста скважин УМ-1 по данным опробования скважины 16116, находящейся в 650 метрах от скважин УМ-1, метаноносность пласта 60-59 на глубине 391 м (отметка -40 м абс.) составляет 4,2 м3/т. Метаноносность этого пласта в скв. УМ-1.2 на глубине 499 м (отметка -144 м абс.), составляет 4,4 м3/т. Такое локальное погружение метановой зоны связано с тем, что угольные пласты от 69 до 60-59, имеющие выход на поверхность, оказались отрезанными поверхностью сместителя взброса №7 от более глубоких горизонтов, что предопределило возможность активной миграции метана в атмосферу без подтока его с глубины. Кроме того, вероятно в связи с повышенной трещиноватостью пород в зоне нарушения, зона активного водообмена, составляющая обычно 50-160 м, здесь имеет аномальную мощность. Угленосная толща в интервале между пластами 66-65 и 60-59, представленная группой угольных пластов средней и малой мощности, а также слоями песчаников, характеризуется повы-шенной водо-обильностью, которая установлена гидрогеологическими исследованиями скважин 2304 и 13740.
Прогнозная метаноносность угольных пластов
Количественные характеристики метаноносности угольных пластов являются одним из важных критериев оценки перспек-тивности метаноугольных площадей для подготовки к освое-нию газовым промыслом и служат одним из основных (вместе с массой угля) расчетных параметров в подсчете запасов и оценке прогнозных ресурсов газов в угленосных толщах, метано-угольных месторождений, площадей, участков.
На Талдинской площади в продуктивном интервале глубин (400-1200 м) находятся угольные пласты тайлуганской, грамотеинской, ленинской и ускатской свит.
Угольные пласты тайлуганской свиты находятся в центральной части Талдинской площади, которая практически вся занята горными отводами действующих разрезов. Мета-ноносность углей тайлуганской свиты невысока, поэтому маловероятно, что они будут являться первоочередными объектами промышленной добычи метана. Угольные пласты ускатской свиты в центральной части Талдинской площади находятся ниже продуктивного интервала и представляют интерес для добычи метана только в бортах Талдинской синклинали на глубинах порядка 900-1200 м.
В пределах Талдинской площади основной интерес для добычи метана будут представлять угольные пласты грамо-те-инской и ленинской свит. Метаноносность угольных пластов этих свит показана на карте прогноза метаноносности пласта 60-59 и на фрагментах геологических разрезов. Наиболее полно проведено опробование угольных пластов ленинской свиты, разрез которой полностью вскрыт скважиной 16116 и частично скважиной УМ-1.1 (рис. 4).
В районе куста скважин УМ-1 метаноносность пласта 53 на глубине 570 м (отметка -220 м абс.) составляет 14,6 м3/т.
Максимальная метаноносность угольных пластов по данным прямого опробования отмечена на восточном крыле Тал-динской синклинали. В районе куста скважин УМ-5 по данным опробо-вания скважины 16320, находящейся в 150 м от скважин УМ-5 метаноносность пласта 51 на глубине 501 м составляет 1B м3/т. В скважине УМ-5.2 метаноносности пласта 50 на глубине 572 м также составляет 1B м3/т. Метаноносность пласта 4B-45 на глубине 690 м по данным опробования скважины 16320 составляет 20 м3/т. Метаноносность пласта 39 на глубине 849м составляет 22,5 м3/т. Примерно такие же величины метаноносности угольных пластов на южном крыле Талдинской структуры.
Прогноз метаноносности основных продуктивных пластов, вскрытых скважинами УМ-1 и УМ-5, приведен в табл. 2.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Характерной особенностью водоносного комплекса верхнепалеозойских континентальных отложений являются связь с поверхностными водами, повышенная водообильность песчаников на верхних горизонтов, явно выраженная тенденция затухания обводнености пород с глубиной. Максимальные
С5
3
I
(в
(О
о
ф
5
О
3
3
§
(в
&
ф
а
о
з
3
5 3
с;
>з
о
з?
О
ф
(О
со
(в
а
см
о
с
(в
со
Ф
6 (в а
8
§
О
Ф
3
Лз
О
§
Ф
Л)
5
5
Ф
§
ЛЗ
(в
£
о
би
О)
о\
■6
го
2р.п.уч-к
нк Талдинский Западный
УМ-1.1 УМ-1.2 У. 9084 13880 9041 9083
-АД
16116
753.35 I
Условные обозначения
_ угопьиыв пласты
Раненые нарушен-—ппиные £
Разрывные нарушения
Геолого-раэнедочные скважины и их номер Линии равной мвтаноносности и их значение
Газоносность угольного пласта по данным опробования м /т
Изменение метаноносности продуктивных угольных пластов Талдинской площади в зависимости от глубины их залегания, м.абс
Отметка (абсо- лют.) почвы пласта УМ-1 УМ-5
Природная метанонос-ность, м3/т Прогнозная метанонос-ность, м3/т Ин- декс пласта При- родная мета- нонос- ность, м3/т Про- гнозная метано- нос- ность, м3/т Индекс пласта
-30.95 9.0 60-59
-40.85 9.1 58
-81.05 11.2 56
-132.25 13.4 54
-144.70 4.4 60-59
-173.50 8.1 58
-191.20 9.8 57
-202.65 15.6 52а
-230.32 12.7 56
-261.65 17.1 51
-306.85 18.0 50
-337.44 17.3 53
-369.74 20.4 52а
-391.24 18.6 52
-435.74 19.5 51
-486.54 20.6 42
-498.42 20.7 40
-512.54 20.7 50
-537.29 22.5 39
-582.68 21.7 38
величины удельных дебитов гидрогеологических скважин при-урочены к верхним горизонтам до глубин 200 м, т.е. локализуются в зоне максимального развития экзогенной трещиноватости. Отмечается повышенная водообильность тектонических нарушений в зонах активного и верхней части зоны замедленного водообмена.
2. Угленосные отложения Талдинской площади характеризуются значительным колебанием изменения мощности зоны газового выветривания угольных пластов. В пределах данной площади мощность ЗГВ изменяется от 100 до 450 м.
3. Установлен сложный характер верхней границы зоны метановых газов, которая в основных чертах совпадает с границей зоны замедленного водообмена; основными факторами, определяющими изменение мощности ЗГВ, являются особенности тектоники и гидрогеологические условия Талдинской угленосной площади. Наличие зон повышенной проницаемости пород и связанной с ними повышенной водо-обильности в районе куста скважин УМ-1 предопределяют максимальную мощность зоны газового выветривания;
4. Практически по всей площади Талдинской синклинали на отметках ниже -250 м метаноносность угольных пластов будет превышать 15 м3/т угля;
5. Основные перспективы промышленной добычи метана связаны с угольными пластами грамотеинской и ленинской свит, природная газоносность которых достигает 22 м3/т на глубине 700-800 м.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т.2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. - М.: Недра, 1979.
2. Зимаков Б.М., Натура В.Г., Хрюкин В. Т. Геологические перспективы добычи метана в Кузнецком бассейне. Обзор МГП «Геоинформмарк». -М.: 1992.
3. Инструкция по определения и прогнозу газоносности угольных пластов и углевмещающих пород при геологоразведочных работах. - М.: Недра, 1977.
4. Кравцов А.И. Геологические условия газоносности угольных, рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1968.
5. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. - М.: Недра, 1996.
Коротко об авторах
Швачко Е.В., Сторонский Н.М., Хрюкин В. Т., Зимаков Б.М., Попова Т. С., Воложанин К.В., Гребенкин В.М, Сизиков Д.А., Жуков Ю.М. - ОАО «Промгаз».
