Электромагнитные индикаторы и вакуумно-декриптометрические особенности метанообильных зон в уголепородных массивах

© М.И. Гамов, А.В. Труфанов, И. В. Труфанов,

Г.Ю. Скляренко, 2004

УДК 53.085.3:622.411.33:533.17

М.И. Гамов, А.В. Труфанов, И.В. Труфанов,

Г.Ю. Скляренко

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ И ВАКУУМНО-ДЕКРИПТОМЕТРИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАНООБИЛЬНЫХ ЗОН В УГОЛЕПОРОДНЫХМАССИВАХ

Семинар № 5

сследование закономерностей распределения метанообильных зон в ископаемых углях представляет собой весьма актуальную задачу, решение которой позволяет получить дополнительную информацию об условиях образования каустобиолитов, физикохимических особенностях природных систем «уголь-флюид», а также обеспечивает возможность выделения локальных участков, наиболее перспективных для промышленного освоения газоугольных залежей.

В тоже время, использование только общеизвестных геолого-структурных и минералого-петрогафических методов исследования далеко не всегда позволяет прийти к однозначным выводам, в особенности, когда речь идет о крупно-масштабном прогнозировании. Проблема заключается в наличие целого ряда геотехно-логических особенностей метаноугольных месторождений, которые существенно отличаются от традиционных месторождений газа. В первую очередь - это связано с локализацией УВГ в неструктурных газовых коллекторах (флюидоактивных зонах), образующихся в процессе углеводородной флюидизации ископаемых углей и углепородных массивов.

В связи с этим, нами, совместно с сотрудниками «Геотехцентра-Юг» РГУ, был проведен комплекс исследований, включающий кроме обычных - ряд нетрадиционных методов изучения метаноугольных объектов.

Помимо полевых исследований процессов углеводородной флюидизации ископаемых углей и углевмещающих пород, которые включали в себя маршрутные наблюдения, детальный геолого-структурный анализ перспективных

площадей, проведение специальных минерало-го-петрографических, геохимических и литологических анализов керна тестовой дегазационной скважины ГГД-4, пройденной на Краснодонецком метаноугольном месторождении В.Донбасса, нами был выполнен ряд термобарогеохимических электромагнитных и электрических исследований углепородных массивов.

Методы вакуумной декриптометрии минералов, пород и руд, разработанные сотрудниками Геотехцентра-Юг и кафедры МПИ РГУ, широко применяются при термобарогеохимических исследованиях [1]. Они основаны на регистрации эффектов газовыделения при нагревании твердых веществ в вакууме с использованием оригинальных конструкций специальных приборов - вакуумных декриптографов типа ВД-5, ВД-6 и др.

Теоретическое и практическое обоснование этих методов основано на эффекте резкого возрастания давления в реакционной вакуумирован-ной капсуле датчика прибора, где помещен испытываемый образец, в результате термической деструкции системы «уголь-газ» или «минерал-флюид» и выделения при этом газообразных (летучих) веществ. Предварительное достижение в капсуле динамического равновесия «откачка-натекание» дает возможность с высокой точностью дифференцированно регистрировать эффекты деструкции (декриптационные эффекты) в широком диапазоне температур от 0 до 1000 0С с параллельным определением состава летучих компонентов с помощью хроматографа ЛХМ-80, спаренного с декриптографом.

При вариационно-статистической обработке термовакуумных кривых строятся вакуум-

ные декриптограммы, по которым выделяются температурные интервалы и максимумы газо-выделения, определяется давление вскрытия флюидных включений и рассчитывается величина энергетического Е- показателя флюидоак-тивности пробы по методике, предложенной В.Н.Труфановым [ 3]. Согласно этой методике величина Е- показателя рассчитывается по формуле Е = ДР  V / Тв,

где ДР - приращение давления в капсуле прибора за счет выделения газовой фазы; V - объем газовыделения; Тв - температура максимума декриптации газовыделения.

Определение Е-показателя дает возможность установить не только температуру распада системы «уголь-газ», но и качественно оценить энергонасыщенность системы «уголь-газ», которая существенно различается для разных типов углей и зависит от условий их образования.

Исследования электромагнитных и электрических свойств осуществлялись с использованием стандартного оборудования, а также с применением оригинальных приборов и устройств, созданных сотрудниками Геотехцен-тра-Юг РГУ, НИИ Физики РГУ, НКТБ «Пьезоприбор» - лектромагнитных индикаторов электрополяризации типа ЭДИП-2.

Приборы типа ЭДИП представляют собой стационарные и переносные устройства, предназначенные для определения электрополяри-зационных свойств твердых, жидких или газообразных веществ с высокой точностью и чувствительностью измерения величины и знака электретного эффекта, возникающего при внешнем электромагнитном воздействии на образец [4-6]. Конечный результат измерений -определение величины и знака индуцированного потенциала поляризации (Ер), приобретаемого образцом при электромагнитном воздействии, позволяет оценить способность исследуемого материала поглощать или генерировать электрический заряд, обусловленный эффектами электронной, дипольной, ориентационной и других типов поляризации входящих в его состав атомов, молекул или надмолекулярных структурных элементов (носителей зарядов).

Наиболее детально были изучены диэлектрические параметры углей в диапазоне частот от 10 "2 Гц до 50 мГц, а их электрополяризаци-онные и электретные свойства методами дистанционного зондирования и термостимулиро-

ванной деполяризации (ТСД), величины модулей электропроводимости в диапазонах частот 0.5-200 кГц и 10-50 мГц, параметры электросопротивления и электропробоя при напряжении поля до 2 кВ и силе тока до 30 А.

В итоге получен достаточно обширный и в ряде случаев приоритетный фактический экспериментальный материал, позволяющий не только обнаруживать участки с повышенной флюидизацией метанообильных зон, но и указывающий пути интенсификации процессов дегазации угольных пластов путем использования различных методов электромагнитного и электрического воздействия на систему «уголь-газ».

Как показывают многочисленные исследования [7, 8] в недрах Восточного Донбасса содержатся значительные ресурсы метана в угольных пластах. Среди 49 участков и шахтных полей, имеющих практическое значение, нами, как наиболее перспективный, был выделен Краснодонецкий геолого-промышленный район, расположенных в пределах одноименной синклинали, где по различным данным сосредоточено около 5500 млн м3 метана в угольных пластах.

Краснодонецкая мульда (синклиналь) общей площадью 43 км2, приуроченная к полосе мелкой складчатости В.Донбасса, вытянута в субширотном направлении и имеет пологое южное и крутое северное крыло. Максимальная глубина погружения синклинали по основному рабочему пласту ш8' достигает 700-800 м.

Важной особенностью тектонического строения месторождения является присутствие «зон флюидизации», выявленных в результате геодинамического анализа и проведения газометрических съемок.

Эти зоны представляют собой линейно вытянутые вдоль тектонических нарушений сплошности пласта участки с аномально высокими значениями газоносности и повышенной выбросоопасности, обусловленной глубокими молекулярно-структурными изменениями практически всех свойств угольного вещества в результате процессов низко-

среднетемпературного метасоматоза под воздействием глубинных водно-метановых флюидов [9].

При этом наиболее часто реализуются следующие геодинамические ситуации:

1. Зоны флюидизации в приразрывных складках надвига, приуроченные к резким

УЧ/

ґ/ТІ

подворотам слоев у поверхности сместителя, обращенным в сторону перемещенного крыла разрывного нарушения.

2. Зоны флюидизации в пластовых нарушениях пологого или пологосекущего сдвига, развивающиеся в результате проскальзывания слоев по системе трещин скалывания при изгибе угленосной толщи.

3. Зоны флюидизации, связан-

ные с флексурообразными нарушениями угольных пластов и вмещающих пород, широко развитые на крыльях брахиантикли-нальных или брахи-

синклинальных структур при общем моноклинальном залегании угленосной толщи. При этом участки газодинамических явлений формируются в местах пересечения флексур малоамплитудными тектоническими трещинами высоких порядков.

4. Зоны флюидизации, приуроченные к эпигенетическим песчаникам размыва в непосредственной кровле угольного пласта.

Отмеченная зональность обнаруживается и при изучении геологического разреза, составленного по данным тестовой газогидрогеологической дегазационной скважины ГГД-4, пройденной в пределах поля шахты «Краснодонецкая».

Скважина ГГД-4 (рис. 1). вскрыла фрагмент разреза средне-и верхнекаменноугольных отложений московского и московско-касимовского ярусов - верхи СВИТЫ С27 (гор-ловской свиты С^г) и низы свиты С3' (исаев-ской свиты С2-з«), в которых маркирующими ЯВЛЯЮТСЯ СЛОИ известняков М10 - N1. Терриген-ные, карбонатно-терригенные и угленосные образования этих свит в Восточном Донбассе распространены только в синклинальных складках, в частности на крыльях и ядре Краснодонецкой синклинали.

Угольный пласт ш8[ является основным рабочим пластом в Краснодонецкой синклинали. Он имеет сложное строение и полезную мощность 0,55-1,3 м. Угли района гумусовые дю-

Геологический разрез по скв. ГГД-4

Масштаб Г. 500

Ї.Ї I ї

ХІ-Ц

/V

іі§

г хе

I <

и

XXX

Условные обозначении Почвенный СЛОЙ •Суглинок

ІІ1ВССТНЯК

Сланен и інсс і коннс і ми

Угольный пласт рабочей моїй ноет и

В

Е| Угольный пл; I нерабочей мо

аст

ерабочей МОІІІНОСІН ^ 1Г^’| "Кучерявчик"

Сланен ГЛИНИС1ЫЙ

С'ланен песчанистый

Зона нарушенных порол

Интенсивно трешино-ВЯ1ЫС породы

Рис. 1

рено-клареновые. По степени метаморфизма они относятся к полуантрацитовым (пласты свиты С27) и антрацитам (пласты свит С24 и С25). Угольные пласты Краснодонецкой синклинали по газоносности относятся к сверхкате-горным при содержаниях УВГ до 35-40 м3/т и метанообильности до 50-60 м3 на 1 т добычи.

Кроме того, уголь в виде маркирующих пластов (т92, Шд1, ш9в, т90, т9.) и многочисленных тонких прослоев встречается по всему изученному фрагменту разреза. Наибольшую мощность имеют пласты ш9 и тД встреченные соответственно на глубинах 342,4 -343,2 м и 367,15 - 368,1 м, между которыми отмечались

маломощные угольные прослои. Данный интервал (между кровлей ш9 и подошвой ш8[) отличается максимальной флюидоактивностью пород и насыщенностью их углеводородными газами.

Общей особенностью всех рассмотренных выше геодинамических ситуаций в газоаномальных зонах, является сочетание разнонаправленных вертикальных и боковых (стрессовых) перемещений угольных пластов и вмещающих пород в участках тектонических нарушений, в результате которых в угольном пласте образуется зона контракции (повышенного сжатия), а в самом очаге флюидизации -зона разупрочнения (дилатации). Как известно, в рудной геологии это называется "структурной ловушкой", наиболее благоприятной для проникновения и локализации активных флюидов, отлагающих здесь рудное вещество и формирующих зоны гидротермально-

метасоматического преобразования вмещающих пород. В угольной геологии такие ситуации до сих пор не рассматривались с позиций формирования в них метанообильных зон, хотя аналогии в данном случае с рудными процессами очевидны.

Комплексные минералого-

петрографи-ческие исследования вмещающих пород и углей, отобранных на различных расстояниях от очагов флюидизации, выявили здесь многочисленные признаки переработки как самих углей, так и песчаников и аргиллитов, интенсивность которых прогрессивно нарастает по мере приближения к флюидоактивным зонам .

Так, например, по периферии очагов флюидизации в песчаниках кровли пласта наблюдается замещение глинистого цемента кварцевым или карбонатным, полевых шпатов - кварцем и серицитом, а также появление регенерационных каемок вокруг кварцевых зерен. В аргиллитах кровли также отмечаются признаки на-

Рис. 2. Диаграмма изменения флюида-активности пород по разрезу скважины ГГД-4 на Краснодонецком метаноугольном месторождении

ложенного гидротермального воздействия (осветление, окварцевание породы, появление в ней линзочек, волосовидных прожилков кварц-серицитового состава).

В самих угольных пластах при подходе к очагам флюидизации отмечается закономерная смена обычного "спокойного" угля тектонически раздробленным, препарированным, перетертым (милонитизированным), участками пе-рекристаллизованным и упрочненным угольным веществом. Уголь нередко приобретает матовый оттенок.

В непосредственной близости к очагу флюидизации в зоне максимального сжатия уголь характеризуется относительно низкими значениями зольности, сернистости, существенным возрастанием дисперсии отражательной способности витринита. Электронно-зондовые спектры отдельных микрокомпонентов показывают снижение в органическом веществе угля содержания серы, железа, магния, алюминия и других петрогенных элементов-примесей.

Рис. 3. Диаграмма изменения электрополяризации пород по разрезу скважины ГГД-4 на Краснодонецком метаноугольном месторождении

При приближении к очагу флюидизации и в непосредственной близости от него (20-30 м) на декриптограммах вмещающих пород появляются дополнительные эффекты газовыделения в среднетемпературной области (140-250 °С), связанные очевидно с формированием вторичных гидротермальных минералов, описанных выше. Одновременно наблюдается сдвиг основных максимумов декриптации на 30-50 °С в область более высоких температур, увеличивается общая флюи-доносность проб (в 2-2, 5 раза) по сравнению с фоновыми значениями, резко возрастает коэффициент газоносности

(КГ =

-)

и восстановленно-

При подходе к очагам флюидизации в угольных пластах наряду с отмеченной выше макрозональностью обнаружена своеобразная "скрытая" зональность, проявляющаяся в изменении химического состава, структуры, молекулярной и надмолекулярной организации угольного вещества.

В процессе выщелачивания и последующего переотложения органических и неорганических компонентов углей, сопровождающегося закупориванием пор и трещин, во вмещающих породах и угольном пласте образуется "зона бронирования", оконтуривающая очаг флюидизации, выполненный расштыбованным, ми-лонитизированным, пористым и газонасыщенным углем. Об этом свидетельствуют и результаты вакуумной декриптометрии проб. Для песчаников и аргиллитов, находящихся на удалении от флюидизированных зон, характерны простые декриптограммы с двумя основными интервалами газовыделения (40-120° и 180-440 °С) с максимумами 260-280 °С - аргиллиты и 280-300 °С - песчаники.

сти флюидов. В пробах из периферии очагов флюидизации появляются более тяжелые углеводороды (С2Н4 и С2Н6), а также Н2Б и Б02, тогда как содержание Н20 резко падает.

Еще более контрастные различия в результатах вакуумной декриптометрии проб выявляются по показателям флюидоактивности Е. Суммарное значение Е-показателя в углях варьирует от 361,0 уел. ед. (вдали от зоны флюидизации) до 900-1200 уел. ед. (в очаге флюидизации).

Подобная зависимость наблюдается и по разрезу скважины ГГД-4, где достаточно четко фиксируются зоны флюидизации, характеризующиеся значительными увеличениями Ео6щ и электрополяризационного показателя Ер (рис. 2 и 3).

Все изменения флюидоактивности исследуемых пород и состава газов, выделяющихся при декриптации, связаны, прежде всего, с вещественным составом осадочных образований.

Наиболее газонасыщенные зоны расположены в нижних частях изученного разреза над кровлей угольных пластов ш81, ш9, ш90.

Проведенные минералого-литологичес-кие, термобарогеохимические и геофизические ис-

следования позволяют сделать следующие выводы:

Повышенная насыщенность пород углеводородными газами отмечается в пачке терри-генных пород свиты С27, вмещающей угольные пласты Ш90, Ш9, Ш81 и характеризующейся гетерогенностью - частым переслаиванием глинистых сланцев, мелкозернистых песчаников, алевролитов с преобладанием хрупких разностей. Причем максимумы скопления метана приурочены к кровле пластов углей рабочей мощности, выше которых на маломощных глинистых сланцах залегают алевролиты и песчаники размыва, имеющие повышенные коллекторские свойства.

Флюидоактивные зоны в угленосной пачке терригенных пород в свите С27, фиксируемые в интервалах 240-260 и 320-360 м, характеризуются максимальным значениям суммарного коэффициента флюидоактивности пород (Г0бЩ), а также отличаются аномально высокими электтрополяризационными показателями (Ер),

1. Труфанов В.Н., Грановская Н.В. и др. Прикладная термобарогеохимия. - Ростов-на-Дону: РГУ. 1992. 170 с.

2. Труфанов В. Н, Гамов М.И., Майский Ю.Г.,

Рылов В. Г. Роль процессов углеводородной флюидизации в формировании метанообильных зон в угленосных бассейнах// Горный информационно-аналитический

бюллетень №-6». - М.: Изд-во МГГУ. 2002. - С. 20-26.

3. Труфанов В.Н. Минералообразующие флюиды рудных месторождений Б. Кавказа. - Ростов-на-Дону: РГУ. - 1979. - 220 с.

4. Хайретдинов И.А. Введение в электрогеохимию. - М.: Наука. - 1980. - 256 с.

5. Электромагнитные поля в биосфере. - М.: Наука. - 1984. - 375 с.

6. Гамов М.И, Труфанов В.Н. Методика выявления и картирования энергетических аномалий в

что может быть использовано в качестве дополнительных поисковых критериев обнаружения метанообильных зон.

Между Г-показателем флюидоактивности и величиной показателя электрополяризации Ер устанавливается корреляционная завмсимость, что свидетельствует об их фундаментальной природе, обусловленной глубокими изменениями молекулярной и надмолекулярной структуры угольного вещества в зонах флюидизации.

Таким образом, рассмотренный полевой и экспериментальный фактический материал однозначно показывает, что процессы углеводородной флюидизации ископаемых углей и вмещающих пород, обусловленные широкомасштабным транспортом глубинных флюидов в угленосные бассейны авлакогенного типа, представляют собой один из важнейших факторов формирования высокогазоносных метаноугольных месторождений.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

геосистемах локального уровня. Пробл. геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа. - Новочеркасск: НГТУ. 1999.

7. Эттингер И.Л. Необъятные запасы и непредсказуемые катастрофы (Твердые растворы газов в недрах Земли). - М.: Наука. - 1988. - 174 с.

8. Трубецкой К.Н. и др. О развитии исследований и разработок по вопросам добычи метана угольных пластов. Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. -1996, вып.4. - С. 13-18.

9. Труфанов В.Н., Лосев Н.Ф., Гамов М.И. и др. Особенности формирования и термобарогеохимические критерии прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Препринт. Вып. 10. - Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1993. 30 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------

Гамов М.И, Труфанов А.В., Труфанов ИВ., Скляренко Г.Ю. - Ростовский госуниверситет.

^--------

--------------- © Н.Б. Харькова, 2004