CC BY
33
© В Н. Новикова, 2014
УЛК 552.57 547.211:005 В.Н. Новикова
ХАРАКТЕРИСТИКА И АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УГОЛЬНО-ГАЗОВЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ДОНБАССА
Рассмотрен вопрос, связанный с изучением нетрадиционного источника углеводородного сырья - угольного метана, формы его нахождения в ископаемых углях и типы залежей в угленосной толще. Составлена схема развития метаногенерации в угленосных формациях глубоких прогибов (донецкий тип) с учетом данных исследований других авторов. Изучена метаноносность угольных литоциклов - отложений среднего карбона Донбасса. Дана характеристика метаноносности по типам литоциклов - трансгрессивного и регрессивного. Прослежено изменение метаноносности в разрезе (на глубину) и на площади в зависимости от степени метаморфизма ископаемых углей.
Ключевые слова: угольный метан, угольные газы, угленосная толща, формы нахождения метана в угле, типы ловушек метана, трещинные коллектора, метаногенерация, угленосные формации, литоциклы.
Угольный метан Донецкого бассейна в дополнение к углям может стать энергоносителем существенно влияющим на структуру топливно-энергетического баланса востока Украины и юга Российской Федерации. Ресурсы угольного метана в угольных пластах до глубины 1800 м составляют более 1200 млрд м3. Объем извлекаемого свободного газа в угленосной толще в залежах-ловушках антиклинального типа, расположенных по северо-западной и юго-западной окраинам бассейна превышает 206 млрд м3. Ежегодно шахтами Донбасса при угледобыче извлекалось из недр более 3 млрд м3 метана, из них частично использовалось от 510 до 825 млн м3 каптированного дегазационными системами газа со средним содержанием метана 30-36%, в том числе до 200 млн м3 сжигаемых, как котельное топливо [3, 5, 6, 7].
Геологическое обоснование постановки добычи и утилизации угольного газа в Донбассе стало актуальной
задачей. В реализации Программы освоения угольных газов Донбасса участвуют геологоразведочные и угледобывающие предприятия, работающие по государственным программам реструктуризации угольной промышленности Донбасса (Украинской и Российской частей).
Общая характеристика сырьевой базы Донбасса по угольному метану включает: высокий газовый потенциал - ресурсы 1200 млрд м3; невысокую газоплотность от 400 до 10-20 млн м3/км2; прерывисто - зональное расположение газоносности на площади и в разрезе; низкий показатель слоисто-поровой миграции, различающийся по стадиям катагенеза - от 200-50 мД (начальная и умеренная - 45% запасов) до 20-10 мД (средняя - 40% запасов) и менее 10 мД (высокая 15% запасов). Достоверность оценки ресурсов угольного метана при детальной разведке, невысокая. В реальных оценках предела извлечения метана приняты значения минимума
дегазации по метаноносности 10 м3/т для каменных углей и 17-20 м3/т для антрацита. Ресурсы свободного метана в газовых залежах осадочной толщи определялись по данным целенаправленной разведки [6].
Состав и формы нахождения угольных газов. Различаем формы нахождения метана в угле (угольных пластах) и в угленосной толще, как основу возможных технологий его извлечения. Свободный метан и водометановые флюиды в угольных пластах находятся в кавернозно-поро-вых, трещинно-поровых, трещинных, послойно-трещинных и послойных полостях, составляя 5-10% от общих ресурсов метана. Различные формы сорбированного метана образуют тонкие пленки на внутренних поверхностях полостей. Сорбированный метан составляет более 40% от его общего количества. Химически не связанный метан в составе псевдоклатратов составляет от 5 до 20-30%. Всего фи-
зически связанного метана в углях от 60 до 70%. Молекулярно (химически) связанный метан в количестве от 5 до 10% частично отделяется от молекулы угля при интенсивных лавинно-проте-кающих процессах внезапных выбросов [2, 5, 10].
Извлечение метана, таким образом, зависит от применения горнотехнологических методов воздействия на угольный массив, путем раскрытия полостей, увеличения их действующих поверхностей за счет разгрузки и активации нагнетанием воды, применением ПАВ и др. методов. Возможность, полнота и эффективность извлечения угольного метана определяется градиентами давления в сотни МПа. Прекращение или замедление отделения метана происходит при перепадах давления менее 10 МПа. Возможность извлечения сорбированного газа определяется формами движения его молекул [1, 5, 10]: кнудсеновское - скольжение по по-
Рис. 1. Методы оценки проницаемости и видов миграции метана в ископаемых углях (по В.В. Кирюкову с дополнениями)
верхностям соединяющих каналов с отрывом молекул и образованием или замещением вакансий; фольмеров-ское- в процессе соударений молекул, скольжения по поверхностям каналов, послойного перемещения и др.; броуновское движение, проходящее как обмен радикалами (рис. 1). Эти процессы нельзя упускать из виду при разработке методов добычи метана и не ограничиваться пуазейлевскими процессами [8, 9, 10].
Геологические особенности угле-газовых проявлений. Геологические процессы накопления метана в угольных пластах и слоях пород угленосной толщи неодинаковы. Пори-
Рис. 2. Идеальная схема развития метаногенера-ции в угленосных формациях глубоких прогибов (донецкий тип). С учетом данных A.M. Брижанева,
A.Б. Гуревича, М.Л. Левенштейна, E.A. Рогозиной,
B. П. Яку цени: а - развитие полного цикла для одного угольного пласта. Фазы газогенерации: НФГ - начальная, ГФГ - главная, ЗФГ - заключительная; б - схема сложения циклов метаногенерации в доинверсионный этап развития угленосной формации: I - цикл одного пласта, II - перерыв в накоплении, III - IV - циклы развития последующих угольных пластов
стость и проницаемость песчаников и алевролитов изменяются в зависимости от их фациальной принадлежности и стадии катагенеза. Так наиболее высокую пористость имеют песчаники, по стадиям катагенеза: начальной (Богдановские участки) -максимальная 34,9%, средняя 21%; умеренной (Красноармейский, Южно-Донбасский, Лисичанский р-ны) -от 18 до 7%. Трещинно-поровые и трещинные коллекторы в породах умеренно-высокой и высокой стадий катагенеза имеют пористость в пределах 8-10%. Проницаемость поровых коллекторов достигает максимума в песчаниках - до 244 мД, трещинных коллекторов характеризуется широким диапазоном от максимальной по простиранию трещин - сотни мД до минимальной вкрест простирания - десятки мД [4, 5].
Тип ловушек определяется, в основном, тектоническим фактором - складчатостью и разрывной нарушенностью. Складки различного типа - бра-хиантиклинальные в северной части Донбасса, купольные, сводовые и флексурные - Лисичанско-Кременской и Алмазно-Ма-рьевской и других систем, и в Донецко-Макеевском районе; пологие изгибы незначительной структурной высоты на более крупных моноклиналях других районов ограничивают одно- и многогоризонтные газовые залежи с запасами от не-
скольких десятков до многих сотен миллионов м3. Конседиментационные разрывные нарушения образуют малопроницаемые сце-
ментированные зоны дробления, ограничивающие газовые залежи порового и трещинного типа. Постсе-диментационные разрывы обычно являются газопро-водящими каналами.
Идеальная схема развития метаногенерации в угленосных формациях глубоких прогибов (донецкий тип) -представлена на рис. 2.
Изменения метано-носности в разрезе (на глубину) и на площади. Трансгрессивные литоциклы характеризуются устойчивым распределением генерируемых газов, регрессивные - изменчивостью и преимущественной дегазацией (рис. 3). Метаноносность изменяется в разрезе с глубиной в ряду метаморфизма от минимума 2 Г до максимума 9-10 А и резкого спада при переходе в зону газовой конверсии (стадия 11 А). На площади угольного пласта наблюдается зонально-регионально-устойчивое распределение метана, отвечающее закономерностям регионального метаморфизма и газогенерации в бассейне.
Газовая зональность в плане в пределах Донбасса соответствует зональности метаморфизма со спадом мета-ноносности со стадии 1-2 А.
Зонально распределены на площади поровый, трещинно-поровый и трещинный типы максимальной, умеренной и низкой по величине газопроницаемости; структурный фактор, выраженный в складчатых антиклинальных ловушках, имеет значение только в зонах развития слабого и умеренного катагенеза.
Разрывные ловушки приобрели ведущее значение в районах распрост-
Рис. 3. Метаноносность угольных лнтоцнклов отложений среднего карбона Донбасса (на основе литоло-гических исследований Донбассгеологии - Н.Г.Беленко, М.А.Макаров): Типы литоциклов: I - регрессивный - закрытый: 1.1. - единичный цикл; 1.2. - сложный цикл с потерями угольных пластов. II - регрессивно - трансгрессивный (переходный) с несколькими угольными пластами: 2.1. - группы единичных пластов; 2.2. - сложное сочетание. III - трансгрессивный: 3.1. - расположение пласта в основании цикла; 3.2. - с несколькими экранами сложного строения; типы пород: 1 - угольны пласт, 2 - известняк, 3 - аргиллит, 4 - алевролит, 5 - песчаник; 6: 1 - геологическая колонка; 2 - кривая изменения метаноносности; 3 - показатель закрытости-открытости системы
ранения пород высокой стадии катагенеза. Встречаются локальные участки угольного пласта (микрозалежи, очаги) с большими ресурсами метана. Метаноносность угольного пласта локально увеличивается вследствие малых потерь через закрывающие (перекрывающие) пласт малопроницаемые породы (аргиллиты, глинистые сланцы), или уменьшается за счет потери генерируемого газа через проницаемые на большой площади покрышки, т.е. при его раскрытии (перекрытии) проницаемыми породами (песчаниками и алевролитами). Ведущим признаком прогноза являются находящиеся выше пласта песчаники или межпластовые внутриформационные размывы (рис. 4) [10].
сзз
ювв
Шх.им. Дзер Шх.им. Шх.им. Шх.Комсо Шх.им. Шх.Кочегарка Шх.им. Шх.им. жинского Артема Гагарина молец Ленина Гаевого К.Маркса
Шх.Кр. Профинтерн
Шх.Кр. Шх. Октябрь Юнком
1 2 3 4 Ь 6 ® / \ В У 10 20
\
Рис. 4. Схематические фрагменты литологических профилей свит С27, С26, С25 с неустойчивым антологическим составом. Южное крыло Горловской антиклинали (литологическая основа по В.В.Кирюкову, В.Н.Новиковой)
Типы залежей метана. В целом, в Донбассе залежи метана в угольных пластах и в слоях пород угленосной толщи существенно отличаются. Залежи. представленные газо-угольными пластами. распространены на обширных площадях и содержание метана в них изменяется согласно метаморфической зональности. В пределах распространения пластов выделяются многочисленные локальные залежи небольших размеров - сотни метров в плане и сравнительно небольшой высоты - единицы метров при пологом залегании и десятки метров при крутом залегании.
Условные обозначения к рис. 4:
1 - песчаники; 2 - алевролиты; 3 -аргиллиты; 4 - известняки; 5 - пласты угля рабочей мощности; 6 - пласты угля не рабочей мощности; 7 - генетический тип угля; 8 - тектонические нарушения; примеры систем литогенеза: 9 - открытая: РОС - регионально открытая система. ДОС - пример локально открытой системы; 10 - закрытая: РЗС - регионально закрытая система. ДЗС - пример локально закрытой системы; 11 - метаноносность. м3/т с.б.м. (по шахтным данным) [4].
В зонах низкого катагенеза залежи антиклинального типа изометричные несколько вытянутые в направлении основных систем трещин - при пологом залегании пластов; или поло-совидные - при крутом залегании. Залежи. связанные с разрывами и трещинными зонами имеют полосо-видно-изогнутую или сложную неправильную форму [5. 6. 10].
Давление газа угольных пластов и порол толщи. Большое значение в оценке ресурсов метана имеют проявления аномально-высоких пластовых давлений (АВПД) на глубинах более 600-700 м. Величина АВПД многократно (в десятки и сотни раз) превышает средние давления на соответствующих глубинах. АВПД опре-
деляет резкое повышение удельных запасов газов в локальных залежах (микрозалежах) метана и их эффективное использование [2, 5]. Давление газа в угольных пластах определяет соотношение его свободной и других форм (рис. 1). Доля свободного газа увеличивается до максимума 10-12% при давлениях метана в угольных пластах, составляющих на глубинах: 500-600 м - 4-6 МПа; 600-700 м -6-8 МПа; 700-800 м - 7-9 МПа; 800-1000 м - 8-11 МПа и более 1000 м - 9-14 МПа. Давление газов находящихся в углевмещающих породах также определяется глубиною их залегания, исключая случаи АВПД. Остаточное давление в толще около 11 ат [6].
Выводы
1. Геологические процессы накопления метана в угольных пластах и слоях пород угленосной толщи неодинаковы. Тип ловушек определяется, в основном, тектоническим фактором - складчатостью и разрывной нарушенностью. Выделяются три фазы метаногенерации: НФГ - начальная, ГФГ - главная, ЗФГ - заключительная.
2. Трансгрессивные литоциклы характеризуются устойчивым распределением генерируемых газов, регрессивные - изменчивостью и преимущественной дегазацией.
3. Успешное до 60-70% извлечение угольного метана из угольных пластов Донбасса возможно при прогнозировании микрозалежей и очагов АВПД, при детальном изучении зонального и локального изменения морфострук-туры угольного пласта, его гипсометрии, трещиноватости, разрывных нарушений, геодинамики, сорбционных свойств (изучение с помощью метода растровой электронной микроскопии (РЭМ) главной группы мацералов ископаемых углей - витринита; данным тороновой съемки и др.)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айруни А.Т., Бобин В.А., Зверев И.В. Теоретические основы формирования микроструктуры газонасыщенного угольного вещества // Сб. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -Новосибирск, 1985. - № 6. - С. 89-96.
2. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. - М.: Наука, 1987. - 310 с.
3. Забигайло В.Е., Широков А.3. Проблемы геологии газов угольных месторождений. - К.: Наукова думка, 1972. - 172 с.
4. Каталог метаноносности и выбросоо-пасности основных угольных пластов Донецкого и Львовско-Волынского угольных бассейнов в границах действующих шахт. - Донецк: Изд. Укруглегеологии, 1990. - С. 57.
5. Кирюков В.В., Куш О.А., Гончаров Е.В. Геологические методы оценки микрозалежей метана каменноугольных месторождений / Труды научно-практической геологической конференции 2000 г. Геология в 21-м веке. Тезисы. Секция 4. Состояние и перспективы развития сырьевой базы углеводородов России. С.267-269.
6. Кирюков В.В., Куш О.А. Промышлен-но-геологические факторы освоения уголь-
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
но-газовых залежей Донецкого бассейна. Геология угольных месторождений: Межвузовский научно-тематический сборник. -Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1998. Вып. 8. -С. 243-253.
7. Куш O.A., Кирюков В.В., Панов Б.С. Проблемы и перспективы Большого Донбасса. Геология угольных месторождений: Межвузовский тематический сборник. -Екатеринбург: Изд. УГГА, 2000. Вып. 10. -С.61-69.
8. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Изд. Академии горных наук. 2000. - 519 с.
9. Минеев С. П., Пру сова A.A., Корнилов М.Г. Активация десорбции метана в угольных пластах / Под ред. С.П. Минее-ва. - Днепропетровск: Вебер (Днепропетровское отделение), 2007. - 252 с.
10. Новикова В.Н. Надмолекулярно-по-ровая структура и сорбционная способность углей. В комплексе геологических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов. Издательский дом Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, 2012. 236 с. ü^re
Новикова В.Н. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, e-mail: [email protected]; [email protected], Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 552.57 547.211:005
THE DESCRIPTION AND THE ANALYSIS OF THE DISTRIBUTION OF COAL-GAS DEPOSITS OF THE DONETSK BASIN
Novikova V.N., Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected]; [email protected], National Mineral Resource University «University of Mines».
The present paper studies the unconventional source of the hydrocarbon crude what is coal methane. The forms of the presence of coal methane in fossil coal and the types of his deposits are given. The plan of evolution of methane escape in the coal formations at the deep sags (Donetsk type) taking into account of the researches other author is made. The methane content of coal lithologic periods in the sedimentary rocks of Medium Carboniferous is learnt. The description of transgressive and regressive coal lithologic periods is also given. The change of the methane content in the depth and in along the horizontal depending on coal rank is traced.
Key-words: coal methane, coal gases, coal rock mass, forms of the presence of coal methane in coal, types of traps of methane, fracture reservoir rock, methane escape, coal formations, lithologic periods.
REFERENCES
1. Ajruni A.T., Bobin V.A., Zverev I.V. Teoreticheskie osnovy formirovanija mikrostruktury gazonasyshhen-nogo ugol'nogo veshhestva, Sbornik Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh (Theoretical basis of gas-saturated coal microstructure generation, Physico-technical problems of mineral mining: Collected works), Novosibirsk, 1985, no 6, pp. 89-96.
2. Ajruni A.T. Prognozirovanie i predotvrashhenie gazodinamicheskih javlenij v ugol'nyh shahtah (Prediction and prevention of gas-dynamic events in coal mines), Moscow, Nauka, 1987, 310 p.
3. Zabigajlo V.E., Shirokov A.Z. Problemy geologii gazov ugol'nyh mestorozhdenij (Coal gas geology problems), Kiev, Naukova dumka, 1972, 172 p.
4. Katalog metanonosnosti i vybrosoopasnosti osnovnyh ugol'nyh plastov Doneckogo i L'vovsko-Volynsko-go ugol'nyh bassejnov v granicah dejstvujushhih shaht (Catalogue of methane content and outburst hazard in principal coal beds within operating mine fields in the Donetsk and Lvov-Volynsk Coal Basins), Donetsk, Izd. Ukruglegeologii, 1990, pp. 57.
5. Kirjukov V.V., Kushh O.A., Goncharov E.V. Trudy nauchno-prakticheskoj geologicheskoj konferencii 2000 g. Geologija v 21-m veke, Tezisy, Sostojanie i perspektivy razvitija syr'evoj bazy uglevodorodov Rossii (Proceedings of Research-Practical Geology Conference 2000: Geology of the 21st Century. Head-note: State-of-the-art and outlook for carbon resource basis development in Russia), pp. 267-269.
6. Kirjukov V.V., Kushh O.A. Promyshlenno-geologicheskie faktory osvoenija ugol'no-gazovyh zalezhej Doneckogo bassejna. Geologija ugol'nyh mestorozhdenij: Mezhvuzovskij nauchno-tematicheskij sbornik (Commercial-geological factors of coal-and-gas fields in the Donetsk Basin. Geology of coal deposits: Inter-college research subject collection), Ekaterinburg, Izd. UGGGA, 1998, issue 8, pp. 243-253.
7. Kushh O.A., Kirjukov V.V., Panov B.S. Problemy i perspektivy Bol'shogo Donbassa. Geologija ugol'nyh mestorozhdenij: Mezhvuzovskij tematicheskij sbornik (Great Donbass: Problems and challenges. Geology of coal deposits: Inter-college research subject collection), Ekaterinburg, Izd. UGGGA, 2000, issue 10, pp. 61-69.
8. Malyshev Ju.N., Trubeckoj K.N., Ajruni A.T. Fundamental'no prikladnye metody reshenija problemy metana ugol'nyh plastov (Fundamental and applied methods of coal methane treatment), Moscow, Izd. Akademii gornyh nauk, 2000, 519 p.
9. Mineev S.P., Prusova A.A., Kornilov M.G. Aktivacija desorbcii metana v ugol'nyh plastah (Activation of methane desorption from coal beds), Dnepropetrovsk, Veber (Dnepropetrovskoe otdelenie), 2007, 252 p.
10. Novikova V.N. Nadmolekuljarno-porovaja struktura i sorbcionnaja sposobnost' uglej. Vkomplekse geo-logicheskih faktorov prognoza i ocenki metanonosnosti ugol'nyh plastov (Supermolecular-pore structure and sorptive capacity of coal in the package of geological factors for coal methane content prediction and assessment), Izdatel'skij dom Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, 2012, 236 p.
НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2014
D-r Rafat (Германия), почетный гость ГИАБа и зарубежный член редколлегии
