CC BY
20
Общая и региональная геология
УДК 622.71
Т.В. Селиванова, Н.П. Романовский
СЕЛИВАНОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геологии, геофизики и геоэкологии Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: Selivanova_d@mail.ru РОМАНОВСКИЙ НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ - доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник (Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, Хабаровск). Ким-Ю-Чена ул., 65, Хабаровск, 680038.
Е-mail: roman.np@mail.ru
О необходимости специализированных
петрофизических исследований
при термохимической переработке угольных пластов
Обосновывается необходимость специализированных петрофизических исследований при подземной термохимической переработке угольных пластов с учетом особенностей термотрансформации пород на различных стадиях отработки пласта. Без знания конкретных физических характеристик угля и вмещающих пород в конкретных зонах термохимической переработки угольного пласта невозможно дальнейшее развитие дистанционных технологий мониторинга продвижения огневого забоя в реальном времени.
Учитывая общее состояние проблемы петрофизической изученности угольных пластов, отрабатываемых термохимическими методами, в работе систематизирована имеющаяся информация и дана оценка перспективы петрофизических исследований для различных областей горения угольного пласта.
Ключевые слова: уголь, петрофизика, термохимическая переработка.
Введение
Важным аспектом обеспечения эксплуатационной надежности и экономической эффективности термохимической переработки угольных пластов является мониторинг продвижения огневого забоя в реальном времени. Для такого экспресс-мониторинга могут быть рекомендованы дистанционные геофизические методы, основанные на аномальном изменении петрофизических свойств термохимически преобразованного угольного пласта.
Факторы, определяющие характер и интенсивность изменений физических параметров угля при увеличении температуры, освещены далеко не равноценно. Вопросам спекания, коксования углей, процессам его химической переработки, анализу петрографических свойств угля посвящены многочисленные разработки, нередко монографического плана, на базе надежных экспериментальных данных [4, 5, 7-9]. В то же время термомагнитные свойства угля, зависимости электрических и акустических свойств угольных образцов под действием высоких температур
© Селиванова Т.В., Романовский Н.П., 2015
рассмотрены лишь в эпизодических, частных в содержательном отношении, публикациях, порой в условиях дефицита экспериментального материала [2].
Учитывая общее состояние проблемы, в рамках представленной статьи авторы считают целесообразным систематизировать имеющуюся информацию и оценить перспективу петрофизических исследований области термохимической переработки угольного пласта, рассматривая при этом: 1) стадийность процессов термохимической переработки угольного пласта; 2) вопросы формирования области горения угольного пласта применительно к теме петрофизических исследований; 3) петрофизические оценки зон термохимической переработки угольного пласта.
Теоретические основы термохимической переработки угольных пластов
Термохимическая переработка горючих полезных ископаемых - сложный процесс, зависящий от состава залежи и горно-геологических условий, включающий прогрев залежи, удаление влаги и легколетучих компонентов, переход легкоплавких компонентов в жидкую фазу гетерогенного и гомогенного горения, сопровождающийся взаимодействием компонентов газовой фазы, конденсацией летучих компонентов, механическим растрескиванием и обрушением пород кровли пласта. Неравномерное распределение температуры геологического объекта в процессе подземной термохимической переработки залежи обусловливает пространственное разделение отрабатываемого пространства на отдельные зоны. Для всех методов подземной термохимической переработки угля характерно наличие следующих зон: окисления, восстановления, термического разложения, частичного термического разложения, сушки и зоны шлаков. В каждой из зон можно выделить преобладающий физико-химический процесс: прогрев залежи, плавление, горение и остывание [3, 6]. Каждая зона подвергается определенным термофизическим и термохимическим процессам, охватывает породы с более или менее определенным минеральным составом и текстурно-текстурными характеристиками, что непременно должно отразиться на петрофизических особенностях пород каждой из зон термохимической переработки угля.
В целом термическую характеристику гетерогенной угольной массы определяют преобладающие в ней мацералы. Термическое преобразование составляющих угольной массы протекает в очень близких интервалах температур, что обусловливает наложение или раздвоение термических эффектов. Термическое преобразование угольных пластов и вмещающих пород происходит под влиянием двух взаимосвязанных в пространстве и во времени процессов -физической и химической трансформации. Физическое преобразование, приводящее к дезинтеграции пород и минералов и не сопровождающееся изменением первичного состава вещества, наиболее интенсивно протекает в зоне частичного термического разложения и в зоне сушки. Физическая трансформация пород выражается в их разуплотнении, растрескивании, затем - в разламывании и измельчении. При разуплотнении горных пород наблюдается снятие части литостатического давления за счет изменения энергии гравитационных масс. Вследствие неоднородности макромолекулярной структуры углей процесс потери массы углей при их нагреве имеет стадийный характер. До начала термической деструкции испаряется влага и происходит десорбция газов, адсорбированных углями в естественных условиях. При температурах порядка 300 °С наступает разрыв водородных и наименее прочных ковалентных связей, сопровождающийся потерей массы вещества. При температуре свыше 450 ^ с максимальной скоростью выделяются летучие вещества, главным образом смолы и газообразные углероды. Пик газовыделения приходится на интервал температур 700-800 °С С повышением степени метаморфизма углей скорость потери массы уменьшается. При термической обработке угля содержащиеся в нем линзы и прослои блестящего угля переходят в пластическое состояние и вспучиваются, деформируя объем угля; прослои матового угля с большим содержанием фюзинита дают усадку и растрескиваются. На поверхности зерен бурого угля появляются первые трещины. При дальнейшем нагреве количество их увеличивается, происходит расширение образовавшихся трещин и скалывание углов и выступов. Образование трещин связано с возникновением градиента
усадки вначале вследствие высыхания, а при более высокой температуре, вплоть до 700 °С, -вследствие пиролиза. Зерна бурого угля не образуют видимой пластической массы и не вспучиваются, поэтому одновременно с потерей массы уменьшается их объем. При 700 °С линейная усадка достигает 20-25%. Температура образования макроскопических трещин повышается с ростом степени метаморфизма. Неспекающиеся или слабоспекающиеся угли при быстром нагревании могут терять часть массы не только при выделении летучих веществ, но и вследствие скалывания [4]. Растрескивание и разламывание пород обусловливает изменение физико-механических характеристик пород, таких как микротрещиноватость, анизотропия, пониженная твердость, повышенная хрупкость, способность к саморазрушению. Данная стадия физической трансформации пород начинает проявляться в результате термодинамической декомпрессии, направленной против литостатической нагрузки пород. Разламывание и измельчение пород, как конечные стадии физической трансформации, могут проявляться при ослаблении кристаллической связанности компонентов полиминеральных сред. При термомеханической дезинтеграции пород и минералов происходит разрыв существующих внутри и межминеральных связей, что приводит к увеличению удельной поверхности породно-минеральных агрегатов. В целом процессы физической дезинтеграции пород под действием высоких температур можно рассматривать как опережающие, подготавливающие геологические образования для последующего термохимического преобразования.
Химическое преобразование горных пород является более сложным, чем физическая трансформация, процессом. Процесс подземного термохимического преобразования угля автотермичен. Высокое содержание витринита обусловливает появление экзотермического эффекта при температуре 450-500 оС, связанного с окислением витринита и деструкцией боковых цепей [2]. Одновременно при температуре 500-600 оС происходит разложение лигнинно-целлюлозных тканей и окисление гуминовых кислот, отмечающееся экзотермическим эффектом. Присутствие воды в угольной массе обусловливает появление интенсивного эндотермического эффекта, максимум которого отмечается при 100-200 оС.
Процесс экзотермического окисления присутствующих в угле сульфидных минералов фиксируется в определенном интервале температур. Например, окисление пирита наблюдается при температуре 430-750 оС [2]. За счет термопреобразования минеральных агрегатов возникают минеральные новообразования: так, пирротин при температуре 300 оС претерпевает полиморфное превращение моноклинной (Бе^) модификации в гексагональную (Бе1-х8), с последующим его окислением при температуре 430-750 оС и образованием гематита (Бе203) [2]. При дальнейшем нагревании до 1370-1400 оС гематит сначала за счет обратного полиморфного превращения преобразуется в у-Бе203, а затем переходит в магнетит [2].
Минеральные изменения во вмещающих угольный пласт породах происходят в соответствии с их термохимическими трансформациями и характером их взаимосвязей. Известно, что наиболее устойчивы к химическим трансформациям группы породообразующих минералов, таких как кварц, мусковит, калиевые полевые шпаты. Основные плагиоклазы, моноклинный пироксен, эпидот, хлорит можно считать умеренно устойчивыми. Наименее устойчивы к процессам химического преобразования кислые плагиоклазы, ромбический пироксен, роговая обманка и оливин [7].
О необходимости и сущности петрофизических исследований термохимически
измененного угольного пласта
Для угленосных формаций Дальнего Востока характерны следующие общие закономерности изменения физических параметров, установленные Г.С. Вахромеевым [1].
1. Согласованность в изменении физических параметров угленосных отложений со стадией метаморфизма углей, их качеством и глубиной залегания.
2. Согласованность в изменении физических свойств углей и вмещающих пород, вследствие воздействия на них одних и тех же факторов в процессе литификации и метаморфизма
углей. По утверждению Г.С. Вахромеева, особый состав углей обусловливает более контрастное, интенсивное «выразительное» изменение их физических свойств по сравнению с вмещающими горными породами [ 1].
3. Согласованность петрофизических свойств однотипных пород, вмещающих угли одинаковой степени метаморфизма.
Действие термофизических и термохимических процессов должно приводить к резким аномалиям петрофизических характеристик пород, затухающих по мере удаления от огневого забоя. Например, микротрещиноватость, существенно понижающая прочностные характеристики пород, оказывает более значительное влияние, чем плотность, на скорость распространения упругих волн [2]. Удельное электрическое сопротивление более чувствительно не к пустотам, а к минерализованным водам-заполнителям [2]. Аномальные изменения магнитных свойств угля под действием высоких температур (600 °0 определяются полиморфным преобразованием входящих в их состав сульфидных минералов (пирротин, пирит) с последующим их окислением и образованием ферромагнитного магнетита, присутствие которого даже в ничтожных количествах определяет аномально высокие магнитные свойства термически измененного угля [2]. Термохимическая переработка угольного пласта непременно должна вызывать аномальные петрофизические изменение угля и вмещающих горных пород, которые могут быть отражены в геофизических полях. Петрофизические исследования термоизмененного угольного пласта должны быть направлены на решение следующих практических задач:
1) обоснование возможности полевой геофизики для мониторинга огневого забоя при термохимической переработке угольных пластов;
2) установление осевой зональности в распределении петрофизических характеристик термически измененного угольного пласта с целью мониторинга продвижения огневого забоя;
3) описание петрофизических «портретов» зон угольного пласта различной степени термохимической переработки [2];
4) на основе формирования корреляционных моделей - установление взаимосвязи между термическими и петрофизическими параметрами угольного пласта;
5) установление благоприятных диагностических петрофизических признаков с целью мониторинга огневого забоя.
Анализ изменчивости физических свойств необходимо проводить по трехмерным моделям, с учетом последовательности и интенсивности изменения физических характеристик для различных стадий термохимической переработки угольного пласта. Согласно определению Г.С. Вахромеева, под петрофизической моделью будем понимать абстрактное отображение термохимически измененного угольного пласта и углевмещающих пород, адекватное исследуемым объектам в отношении пространственного распределения петромагнитных неоднородностей с целью мониторинга огневого забоя в реальном времени [1]. Под петрофизической неоднородностью (петрофизическим телом) будем понимать часть термически измененного угольного пласта и вмещающих пород с аномальными физическим параметрам, по величине которых могут быть установлены зоны различной степени термической деструкции [1]. При выделении петрофизических неоднородностей как структурных элементов модели будем учитывать:
1) установленные петрофизические неоднородности термически измененного угольного пласта могут быть использованы при мониторинге продвижения огневого забоя в реальном времени;
2) выделенные петрофизические неоднородности должны фиксироваться в геофизических полях заданной детальности [1].
Создание петрофизической модели подразумевает следующие этапы:
1) исследование процессов формирования зон горения угольного пласта с точки зрения петрофизических исследований;
2) изучение аномальных физических свойств термически измененных угольных образцов;
3) петрофизическая оценка зон термохимической переработки угольного пласта;
4) анализ имеющейся геолого-геофизической информации и формирование типовых геологических моделей угольных месторождений Дальнего Востока с учетом горно-геологических критериев применимости методов термохимической переработки угольных пластов;
5) построение петромагнитных моделей, т.е. геометризация в геологическом пространстве отдельных петромагнитных структурно-вещественных комплексов термохимически измененного угольного пласта в виде тел правильной геометрической формы.
Разрабатываемые петрофизические модели представляют собой сочетание нескольких возмущающих тел правильной геометрической формы в виде горизонтально вытянутого прямоугольника, каждое из которых аппроксимирует часть угольного пласта и вмещающих его пород различной степени термической деструкции. Создаваемые петрофизические модели можно рассматривать как динамические, отражающие петрофизические особенности объекта на разных этапах продвижения огневого забоя при термохимической переработке угольного пласта.
Заключение
Итак, мы обосновали тезис данной работы: без исследования физических свойств угля и вмещающих пород в конкретных зонах термохимической переработки угольного пласта невозможно дальнейшее развитие дистанционных технологий мониторинга продвижения огневого забоя в реальном времени. Построение объемных геолого-геофизических моделей угольных месторождений, отрабатываемых методами термохимической переработки, невозможно без специализированных петрофизических исследований. Сформированные в процессе петрофизических исследований детерминированные априорные петрофизические модели позволят в дальнейшем построить априорные физико-математические модели на основе строгого аналитического решения прямых задач геофизики с помощью уравнений математической физики и оценить разрешающую способность методов полевой геофизики для мониторинга продвижения огневого забоя в реальном времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вахромеев Г.С., Ерофеев Л.Я., Канайкин В.С. Номокомова Г.Г. Петрофизика. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997. 462 с.
2. Кизильштейн Л.Я. Геохимия и термохимия углей. Ростов н/Д.: Изд-во Ростов. ун-та, 2006. 252 с.
3. Кондырев Б.И., Белов А.В., Гребенюк И.В. Перспективы применения технологии подземной газификации угля на месторождениях Дальнего Востока с получением газа-сырья для синтеза жидкого топлива // Уголь. 2008. № 10. С. 36-37.
4. Крапивенцева В.В. Атлас типов углей Приамурья. Владивосток: Дальнаука, 2007. 312 с.
5. Крапивенцева В.В. Угленосная формация Буреинского бассейна. М.: Наука, 1979. 145 с.
6. Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье. М.: Газпром, 2004. 302 с.
7. Угольная база России. Т. 5, кн. 1. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока (Хабаровский край, Амурская область, Приморский край, Еврейская АО). М.: Геоинформарк, 1997. 337 с.
8. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Неорганическое вещество углей. Екатеринбург.: УРО РАН, 2002. 238 с.
9. Seredin V.V. Metalliferous coals of Primorye region. Metallogeny of the Pacific north-west: tectonics, magmatism and metallogeny of active continental margins. Vladivostok, Dalnauka, 2004, p. 540-543.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
General and regional geology
Selivanova T., Romanovskiy N.
TATYANA V. SELIVANOVA, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Sub-Department of Geology, Geophysics and Geoecology, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950, e-mail: Selivanova_d@mail.ru
NIKOLAY. P. ROMANOVSKIY, Doctor of Geological-Mineralogical Science, Professor, Chief Scientific Specialist, Institute of Tectonic and Geophysics named after Y.A. Kosygin, FEB RAS, Khabarovsk. 65 Kim-Y-Chen St., Khabarovsk, Russia, 680038, e-mail: roman.np@mail.ru
The necessity of specialised petro-physical investigations in the course of a thermo-chemical processing of coal seams
The article deals with the necessity of specialised petro-physical investigations to be performed in the course of an underground thermo-chemical processing of coal seams with regard for the peculiarities of rock thermo transformations at various stages of seam treatment. The further development of the remote technologies of the real time monitoring of fire face advance is impossible without knowing physical characteristics of coal and those of country rocks in concrete places of the thermo-chemical processing of coal seams. Considering the general state of the study of the coal seams treated thermo-chemically, the article presents the available information in a systemised way and the assessment of the prospects for petro-physical investigations in various places of seam burning.
Key words: coal, petro-physics, magnetic, electrical properties, thermal activity.
REFERENCES
1. Vakcromeev G.S., Erofeev L.Y., Kanaykin V.S., Nomokomova G.G. Petro-physic. Tomsk, Tomsk university press, 1997, 462 p. (in Russ.) [Vakcromeev G.S., Erofeev L.Y., Kanaykin V.S., Nomokomova G.G. Petrofizika. Tomsk: Izdatel'stvo Tomskogo universiteta, 1997. 462 s.].
2. Kizilshtein L.Y. Geo-chemistry and thermo-chemistry of coal. Rostov on/D, Rostovskiy university press, 2006, 252 p. (in Russ.). [Kizel'stein L.Y. Geohimiy I termohimiy uglei. Rostov na/D.: Izdatel'stvo Rostovskogo universiteta, 2006. 252 s.].
3. Kondyrev B.I., Belov A.V., Grebenuk I.V. Applicability UCG technology of gas production for oil-fuel synthesis perspectives for Far-eastern deposits. Coal. 2008;10:36-37. (in Russ.). [Kondyrev B.I., Belov A.V., Grebenjuk I.V. Perspectivy primeneniy technologii podzemnoy gazifikatsii ugly na mestorozhdeniyh Dal'nego Vostoka s polucheniem gaza-cyr'y dly sinteza zhidkogo topliva // Ugol'. 2008. № 10. S. 36-37].
4. Krapiventseva V.V. Atlas of Priamuriy's typical coal. Vladivostok: Dalnauka, 2007. 312 p. (in Russ). [Krapiventseva V.V. Atlas tipov uglei Priamur'y. Vladovostok: Dal'nauka, 2007. 312 s.]. (in Russ).
5. Krapiventseva V.V. Coal formation of Bureinsk's coal basin. M., Nauka, 1979, 145 p. (in Russ.). [Krapiventseva V.V. Uglenosnay formatsiy Bureinskogo basseina. M.: Nauka, 1979. 145 s.].
6. Kreynin E.V. Non-conventional terminal technologies of hard quarry fuel digging. Moscow, Gasprom Press, 2004, 301 p. (in Russ.). [Krejnin E.V. Netradicionnye termicheskie tehnologii dobychi trudnoizvlekaemyh topliv: ugol', uglevodorodnoe syr'e. M.: IRC Gazprom, 2004. 301 s.].
7. The coal base of Russia. V. 5 (1). Coal basins and deposits of Far East (Khabarovsk region, Amurskay province, Primorskiy region, Jewish autonomous province). M., Geoinformark, 1997, 337 p. (in Russ.). [Ugol'nay baza Rossii. T. 5, kn. 1. Ugol'nye basseiny i mestorozhdeniy Dal'nego Vostoka (Habarovskiy krai, Amurskay oblast', Primorskiy kray, Evreiskay avtonomnay oblast'). M.: Geoinformark, 1997. 337 s.].
8. Ydovich Y.E., Ketris M.P. Coal un-organics. Ekaterinburg: Ural branch of Russian Academy of science, 2002, 238 p. (in Russ.). [Ydovich Y.E., Ketris M.P. Neorganicheskoe vezhestvo uglei. Ekaterinburg: URO RAN, 2002. 238 s.].
9. Seredin V.V. Metalliferous coals of Primorye region. Metallogeny of the Pacific north-west: tectonics, magmatism and metallogeny of active continental margins. Vladivostok, Dalnauka, 2004, p. 540-543.
