CC BY
91
----------------------------------- © В.А. Зайцев, А.В. Зайцев,
С.Ю. Гершаник, П.С. Карасев,
А.В. Гудымов,
2009
УДК 553.94:551.243
В.А. Зайцев, А.В. Зайцев, С.Ю. Гершаник,
П. С. Карасев, А.В. Гудымов
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ 3-х МЕРНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МЕТАНОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ РАСПАДСКОЙ ПЛОЩАДИ, КУЗБАСС)
Построена структурно-геологическая модель Распадской площади Томь-Усинского геолого-промышленного района Южного Кузбасса. Геологическая модель представляет трёхмерную сетку, в основе которой лежат смоделированные поверхности всех угольных пластов. Сетка регулярная с размером ячеек по латерали 100 на 100 метров. Определены участки наиболее перспективные для мест заложения экспериментальных скважин. Данная модель является основой для разработки гидродинамической модели.
Ключевые слова: геологическая модель, метаноугольные промыслы, оконтури-вание участков, 3-х мерная модель.
ТУ* омпьютерное моделирование пластовых систем является в настоящее время основным инструментом для осуществления прогнозирования разработки месторождений углеводородов и мониторинга их эксплуатации. Основной целью такого моделирования является поиск оптимального сценария эксплуатации месторождения на различных этапах проектирования. Учитывая высокую степень неопределенности и отсутствие достаточного количества исходной информации об объекте разработки, мощным инструментом для принятия решения выступает математическое моделирование, которое позволяет для метаноугольных промыслов:
1) осуществить точное определение извлекаемых запасов;
2) выполнить прогноз добычи;
3) оценить накопленную газоотдачу;
4) определить динамику изменения полей давления и температур;
5) вычислить необходимое количество скважин;
6) выбрать наилучшую схему размещения скважин;
7) оценить финансовый риск посредством экономического анализа наилучшего, наихудшего и промежуточного сценариев разработки.
Для моделирования пластовых систем ОАО «Газпром про-мгаз» располагает специализированными программными продуктами компаний Roxar и Esri.
Одним из основных этапов построения геологической модели является сбор всевозможных данных и оценка их достоверности. Причем, фильтрационные и геометрические параметры месторождения следует определять с повышенной точностью, так как от этого зависит адекватность гидродинамических расчетов.
Распадская площадь расположена в Томь-Усинском геологопромышленном районе Кузбасса. Выбор данной площади определялся наличием достаточно мощных угольных пластов марки ГЖ (в нижней части разреза марки Ж, в верхней - Г) по кольчугинской серии, наличием угольных пластов верхнебалахонской серии, а также наличием на севере свободных не лицензированных участков. Модель Распадской площади в плане представляет собой прямоугольник со сторонами 15.8х8км. Верхней границей ее является рельеф дневной поверхности с максимальными отметками боле 500м. Нижней границей модели является угольный пласт XI верх-небалахонской серии.
В геологическом отношении район исследования представляет собой моноклинально залегающую структуру, осложненную складками на северо- и юго-востоке, и сложенную терригенными угленосными отложениями, главным образом, пермской системы. (рис. 1). Верхнепермские и юрские отложения района слагают Главную (Западную) моноклиналь, которая непрерывной полосой протягивается на 60 км с северо-востока на юго-запад и охватывает Томь-Усинский и Мрасский геолого-экономические районы Кузбасса. Породы имеют в целом северо-западное падение с углами 915°, осложнены пологой складчатостью и многочисленными разрывными нарушениями различного типа.
Построения геолого-структурной модели включало в себя оцифровку и перевод исходных материалов из форматов электронных чертежей в форматы баз данных, для последующей конвертации в структуру входных файлов программного комплекса геологического моделирования Irap RMS. В конечном виде эти данные представляли собой таблицы трёхмерных координат X, Y, Z , где
координата Ъ определяла, в зависимости от назначения входного файла, следующие параметры:
Район исследования оконтурен рамкой.
Рис. 4. Геологическая карта Томь-Усинскогорайона. Составил А.З. Юзвицкий:
1 - юра; 2 - красноцветная толща;.?-# - подсерии: 3 - ерунаковская,4 - ильинская, 5
- кузнецкая, 6 - верхнебалахонская, 7 - нижнебалахонская, 8 - острогская; 9 -морской нижний карбон; 10 - девон; 11 - границы стратиграфические; 12 - пласты угля с указанием их номера и направления падения; 13 - долериты,диабазы; 14 -складчатые структуры: 1 - Казырсинская синклиналь, 2 - Чексинская антиклиналь, 3 - Березовская антиклиналь, 4 - Кумзасская синклиналь, 5 - Главный моно-клинал, 6 - Сыркашевская антиклиналь, 7 - Пихтовская синклиналь, 8 - Корайская антиклиналь; 15 - разрывные нарушения с указанием направления падения сме-стителя; 16 - границы района; 17 - шахты(а) и углеразрезы (б): 1- «Томусинский» (участок «Распадский»), 2 - шахта «Распадская», 3 - углеразрез «Ольжерасский», 4
- шахта им. Шевякова, 5 - шахта «Усинская», 6 - шахта им. Ленина, 7 - шахта «Томская», 8 - углеразрез «Томусинский», 9 - углеразрез «Междуреченский», 10
- углеразрез «Красногорский»; 18 - участки и их номера: 1 - Чексинское месторождение, 2 - «Керыплесский», 3 - «Распадский-1Х-Х-Х1», 4 - «Распадский^1-VII-VIII», 5 - «Распадский-Х11»,6 - «Распадский-]^», 7 - «Распадский Береговой», 8 - «Усть-Мрасский», 9 - «Кумзасский-1-2», 10 - Поле шахты «Томусинская», 11 -«Ольжерасские Глубокие - 1-2 и -3», 12 - «Сосновские-1-2 и-2», 13 - «Пихтов-ские», 14 - «Назасские-1-2,-3,-4 и -5», 15 - Томская площадь, 16 - «Кийзакские-3-4,-5-7 и -8-9»; 19 - скважины и разведочные линии
1. Г лубину подошвы угольного пласта.
2. Мощность угленосного горизонта.
3. Зольность угля.
4. Глубину пересечения разлома с угольным пластом.
Геологические разрезы по разведочным линиям равномерно располагаются по Распадской площади (рис. 2) и дают возможность получать пространственную информацию о всех угольных пластах и межпластовых отложениях не только по разведочным скважинам, но и по межскважинным интервалам. Фрагмент геологического разреза по разведочной линии VI3 приведен на рис. 3. На геологических разрезах отражается сложная тектоника Распадской площади, - наличие пликативных и дизъюнктивных дислокаций. Пликативная нару-шенность проявляется иногда в виде флексурообразных изгибов и пологой волнистости.
Разрывные нарушения в пределах участка моделирования представлены надвигами и согласными взбросами с пологим падением сместителей (10-200 Ю-В) навстречу падения пластов. Простирание разрывных нарушений диагональное к простиранию пластов, преимущественно северо-восточное, а в восточной части Распадской площади - северное и северо-западное.
N
Рис. 2. Схема расположения разведочных скважин и профилей на Рападской площади
сз
юв
^ Разведочные скважины
Рис. 3. Фрагмент геологического разреза по разведочной линии VIй
При подготовке трёхмерных данных для построения геологоструктурной модели, проводилась пространственная корреляция и оцифровка разрывных нарушений. Исходными материалами для подготовки к трёхмерному моделированию вместе с данными, снятыми с геологических разрезов, послужили погоризонтные схемы. На них, помимо разрывных нарушений, фиксируются пластопере-сечения разведочных скважин, глубина почвы, мощность и зольность угольных пластов.
Основу структурной модели составил каталог из 1507 разведочных скважин, пробуренных в пределах рассматриваемого региона. Все скважины были занесены в базу данных ArcGis, содержащую следующую информацию:
• номера скважин;
• координаты скважин;
• данные по альтитудам устьев скважин;
• данные о мощности угольных пластов;
• петрофизические данные;
• данные ФЕС.
Построение геолого-структурной модели Распадской площади было выполнено на основе отбивок по скважинам, данным по 34 геологическим разрезам и 28 структурным планам.
В результате были построены карты структурных поверхностей и карты мощностей для 35-и угольных пластов. При построении структурных карт, использовались технологии интерполяции и экстраполяции параметров. Поскольку разведочные скважины на Распадской площади располагаются в среднем на расстоянии 100 м, был использован детерминированный метод моделирования.
Объектом моделирования на Распадской площади являются (сверху вниз):
1. дневная поверхность рельефа 25000 масштаба (верхняя поверхность модели) (рис. 4);
2. подошва юрских отложений с угловым и стратиграфическим несогласием залегающая на кольчугинской серии позднепермского возраста (рис. 5);
3. кровля и подошва пластов 20в.п.,20в.п.+с.п . ,20с.п , 20, 20н.п. ,19 ,18в.п, 19+18в.п. , 18с.п., 18в.п.+с.п., 18н.п., 18с.п.+н.п. , 17 ,16а , 16 , 15, 15н.п. , 15в.п.+с.п. и 15 с.п. , 15 в.п. , 14 , 13а , 13, 12, 12в.п., 12н.п., 11 ,9 -10, 9 ,10 , 7 -7а, 7, 7н.п. ,спутник пл.7-7а, 7а,7в.п. , 6 - 6а , 4 -5, 4, 5, 6-6а-5, 3-3а,3 , 2 , 1 относящиеся к коль-чугнской серии;
4. кровля и подошва пластов III, IV-V, Via, VI, VII-IX, XI относящиеся к кемеровской свите (Pikm);
5. параметры каждого пласта (мощность, зольность);
6. скважины 1507 шт;
7. разрывные нарушения 94 шт.
Нижняя границы модели -1467 м.
-474 -543 ^
Рис. 4. Рельеф дневной поверхности исследуемой территории
Рис. 5. Подошвы угольных пластов и подошва несогласно залегающих юрских отложений
Отличительной особенностью этой территории является большое количество угольных пластов. Сложные взаимоотношения пластов друг с другом (выклинивание, разветвление, слияние). Наличие мощной безугольной пачки в нижней части кольчугинской серии, большое количество малоамплитудных разрывных нарушений.
Большинство разрывных нарушений в пределах Распадской площади имеют амплитуду смещения слишком маленькую (5-10 м), чтобы отразить ее в модели, поэтому разрывы в модели представлены без смещения (рис. 6).
На основе построенных структурных карт по 34 горизонтам и картам мощностей (рис. 8) была рассчитана 3D каркасная стратиграфическая модель, охватывающая весь геологический разрез Распадской площади до глубины -1500 м.
Данные лабораторных исследований характеризуют верхнюю часть кольчугинской серии, как зону с относительно невысокой проницаемостью (средние значения для угольных пластов составляют - 10 мД, вмещающие отложения около 1 мД). По верхнебала-хонской серии (в пределах кемеровской свиты) средние значения проницаемости составляют около 35 мД. В целом необходимо отметить, что количество определений фильтрационно-ёмкостных свойств на Распадской площади явно недостаточно и не может репрезентативно отражать свойства разреза. В связи с малым количеством данных распределение проницаемости задавалось в виде константы для каждого слоя.
Помимо проницаемости в данной модели была рассчитана газоносность. Данный параметр был получен с помощью оценок нарастания с глубиной природной метаноносности пластов углей, различных групп метаморфизма по районам Кузбасса. [Угольная база России. Том II]. В результате проведенных расчетов были построены зависимости изменения газоносности от глубины для углей кольчугинской и верхнебалахонской серий.
Кольчугинская серия Sgas = Н *0.0315 - 0.00002* Н2 +15.508
Балахонская серия Sgas = Н * 0.0169 - 0.000005 * Н2 + 22.427 где Н - абс. глубина, м
Рис. 6. Трехмерное изображение разрывных нарушений и геологические разрезы
Рис. 7. Структурная поверхность угольного пласта 3 Кольчугинской серии
Рис. 8. Внешний вид ЗБ сетки Распадской площади. Оттенками серого цвета показаны слои сетки
В модели были рассчитаны значения газоносности при заданной зоне газового выветривания 150 м.
В модели Распадской площади была создана одна 3D сетка. Граница сетки представляет собой контур сложной формы, покрывающий всю лицензионную площадь Распадской площади.
При формировании сетки цифровой геологической модели размер ячеек Дгм принимается в соответствии с масштабом рассматриваемой неоднородности Дн (на практике детальность геологической модели может ограничиваться возможностями компьютерной техники), т.е.
ДГМ (ДХГМ,ДУГМ, ДгГМ )= Д Н (ДХН, ДУН, Д2Н ) где Дгм - размер ячейки; Дн - масштаб рассматриваемой неоднородности
Структурно-геологическая модель строилась в масштабе 1:25 000. Это означает, что рассматриваемые неоднородности не должны быть меньше 100 метров. Поэтому рабочий размер сетки геоло-го-структурной модели Распадской площади выбран 100х100 м.
Отметим, что детальность, с которой строились структурные поверхности, была выше и составляла 25х25 м, а плоскости разрывных нарушений 10х10 м.
Итак, геологическая модель представляет собой мультизону, в основе которой лежат смоделированные поверхности всех стратиграфических горизонтов. В качестве варианта строения сетки по вертикали был выбран метод постоянного числа слоев, на один стратиграфический интервал - один слой, в итоге получилось 67 слоев. Общее количество ячеек в модели 1247272 из них определенных 343563 и неопределенных 903709. Модель имеет неправильную форму с линейными размерами 15.8 км в длину 8 км в ширину. Площадь, которую охватывает данная модель - 95 км2.
По построенной сетке были рассчитаны важные для выбора мест заложения экспериментальных скважин параметры.
Во-первых, были рассчитаны карты суммарной мощности угольных пластов до 1150 м от поверхности. (рис. 9). На этой карте хорошо видно, что вся территория делится на три зоны. Юговосточная зона повышенных значений мощности угольных пластов связана с угольными пластами верхнебалахонской серии. Имеет максимальные значения мощности - 59 м. Протягивается практически вдоль южной границы Распадской площади. Центральная зона протягивается с запада на восток, меняя свою ширину от 2 км до 6 км. Данная часть Распадской площади имеет пониженные значения мощности угольных пластов, поскольку мощные угольные пласты балахонской серии находяться ниже 1150 м, а кольчугин-ская серия здесь не имеет полной мощности. И, наконец, северная зона снова имеет максимальные значения мощности, связанные с распространением углей кольчугинской серии. Мощность угольных пластов достигает здесь 50 м. (рис. 9).
Во-вторых, помимо анализа мощностей угля, был выполнен расчет количества метана содержащегося в этом угле. Для этого была построена карта суммарных ресурсов метана на Распадскую площадь до глубины 1150 м от поверхности. На этой карте показан объем метана в миллионах м3, содержащийся на площади 100 м2. Подсчет ресурсов метана проводился по следующей формуле:
Рис. 9. Карта суммарных толщин угольных пластов Кольчугинской и Бала-хонской серий
я = г * р* ^
100
где R - ресурсы метана; V -объем чистого угля; р - плотность угля; Sgas - газоносность; Аё - зольность угля; W - влажность угля.
Значения R было рассчитано для каждой ячейки сетки, а затем было суммировано на площадь. В результате расчета юговосточная зона оказалась значительно более метаноносной, чем северная. В целом же, объем метана содержащийся в углях кольчугинской серии примерно в два раза меньше, чем в углях верхнеба-лахонской серии в пределах Распадской площади.
Выводы
Построена геологическая модель Распадской площади, представляющая собой мульти-зону в основе, которой лежат смоделированные поверхности всех стратиграфических горизонтов. Модель отражает:
• координаты скважин, их номера и альтитуду;
• пространственное положение продуктивных угольных пластов, их мощность, зольность, влажность проницаемость и газоносность;
• поверхности тектонических нарушений.
Построенная в виде трехмерной сетки ячеек модель, позволила оконтурить участки с наибольшим количеством угля.
Определены участки наиболее перспективные для мест заложения экспериментальных скважин. Данная модель является основой для разработки гидрогеологической модели.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Методические указания по созданию постоянно действующих геологотехнологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений (геологические модели). Том 1. Первая редакция. Министерство Энергетики РФ, М.: 2001, 188 с.
2.Методические указания по созданию постоянно действующих геологотехнологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений. Том.2. Первая редакция. Министерство Энергетики РФ, М.: 2001, 191 с.
3.Угольная база России. Том 2. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). М.: ООО «Геоинформцентр» 2003. -604с. ЕШ
Zajtsev V.A., Zajtsev A. V., Gershanik S.J.,
Karasev P.S., Gudymov A.V.
FEATURES OF CONSTRUCTION OF 3 MEASURED GEOLOGICAL MODELS OF METHANE-AIR DEPOSITS (ON AN EXAMPLE OF THE RASPADSKY AREA, KUZBAS)
Structural geological model for the Raspad Area of the Southern Kuzbass is combined. It represented by 3D digital net of data based on the structural surfaces of coal seams. The net is regular with 100 X100 m cell size. The more prospective sites for the drilling are identified. Presented model is the basis to create the hydrodynamic constructions.
Key words: gas recoil, methane, degassing of gas and coal deposits.
— Коротко об авторах ------------------------------
Зайцев В.А., Зайцев А.В., Гершаник С.Ю., Карасев П.С., Гудымов А.В. - ОАО «Газпромпромгаз».
