Анализ методов выделения зон скопления метана на угольных месторождениях с 0елью заблаговременной дегаза0ии

© Е.П. Ютяев, И.Н. Гизатулина, A.C. Серегин, И.В. Курта, 2013

Е.П. Ютяев, И.Н. Гизатулина, А.С. Серегин, И.В. Курта

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ЗОН СКОПЛЕНИЯ МЕТАНА НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ С ЦЕЛЬЮ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ

Приведен анализ основных способов выявления областей повышенного содержания метана, применяемых на угольных месторождениях России и стран ближнего зарубежья. Названы их основные преимущества и недостатки.

Ключевые слова: угольное месторождение, зоны скопления метана, методы выделения зон метана

В настоящее время метан угольных пластов рассматривают, не только как источник опасности при ведении горных работ на шахтах, но и как попутное полезное ископаемое. Угольный метан является одним из перспективных нетрадиционных источников топливно-энергетического сырья и добывается в промышленных масштабах во многих странах мира (США, Австралии, Китае и др.).

В настоящее время основной проблемой промышленной добычи метана из углепородных массивов является идентификация его высокометаноносных участков, поскольку пробуренные скважины и испытываемые технологии не дают ожидаемые объемы метана. Причина неэффективности технологий заключается в отсутствии высокометаноносных участков в местах бурения скважин. Перечислим основные современные способы установления ловушек в пределах угольных месторождений, перспективных для добычи метана.

Выделение зон скопления метана (ЗСМ) по степени метаморфизма. Известно, что степень углефикации оказывает влияние на газоемкость, газопроницаемость, скорость газоотдачи. С ростом степени метаморфизма увеличивается мета-ноемкость углей, снижается газопроницаемость, в результате

возрастает природная газоносность. Обобщающая модель изменения газоносности угленосных формаций от степени метаморфизма углей (для условий Донбасса) представлена на рис. 1 [12]. Модель может быть использована как методическая основа для определения газоносности конкретных структур и выявления в их пределах аномальных значений, указывающих на образования скоплений метана.

Строение угленосной толщи (дизъюнктивные и плика-тивные нарушения, углы падения пород, наличие интрузий и т.д.) приводит либо к дегазации угленосной толщи, либо к сохранению повышенной газоносности углей и пород. Сведения о видах коллекторов свободных газов в угленосных отложениях (на примере Донбасса) и признаках, по которым их выделяют, приведены в [1].

В [11] предложена природная модель формирования залежей метана, согласно которой ловушка образуется в результате изгибов породной толщи, сопровождающихся межслоевым проскальзыванием и трещинообразованием. Мощность слоя, нарушенного трещинами, зависит от кривизны изгиба и деформационных характеристик породы. При изгибе пород в антиклинальную складку происходит растяжение слоев, увеличивающееся от подошвы к кровле, что способствует увеличению трещиноватости в этом направлении. Нижняя часть слоя, в которой деформации растяжения не достигают предельно допустимых значений, остается непораженной трещинами. В верхней части возникают трещины, увеличивающие проницаемость. Таким образом, формируется эффективная мощность породы, обладающая благоприятными коллекторскими свойствами (рис. 2).

Нарушение угольного пласта или вмещающих пород может приводить к формированию зон скопления свободного метана. Причина реализации этого процесса состоит в том, что сорбированный метан переходит в свободное состояние, или из закрытых пор в зоны разуплотнения и трещины.

Среди работ, в которых представлены методы изучения тектонически нарушенных зон в качестве перспективных коллекторов метана, можно назвать следующие: [6, 7, 14]. В перечисленных работах О.А. Карамушки и В.А. Баранова

представлена методика определения интенсивности нарушен-ности угольных пластов с учетом микроструктурных параметров углей. Степень нарушенности определяется по содержанию квазикристаллов (микроотдельностей) в пробах угля. Определяется ширина зон с повышенным содержанием квазикристаллов и расчитываются значения коэффициентов интенсивности зон нарушенности для каждого такого участка.

X, м3/м3

Рис. 1. Обобщающая модель газоносности коллекторов метана угленосных формаций Донбасса: Кп — общая пористость, X — газоносность, 1 — гранулярные коллекторы со средним содержанием рассеянных органических веществ; 2 — трещинно-поровые коллекторы; 3 — сорбцион-ная емкость углистого вещества; 4 — средняя пористость пород

Рис. 2. Модель формирования эффективной мощности песчаника в антиклинальной структуре

VBt"^, CM-'ÍPU

?S6 !M9 74fl ?« 221 220 209 20Г t?6 ItiK P70 !4T lál 123 10c 97 9H i¿2 153 70 TíMl^^ 1

Рис. 3. Сопоставление результатов исследования газового поля в подпочвенных отложениях и углях на Кировском шахтном поле

Предлагается выполнять сравнение Кизн нарушенных зон, определенных в районах развития нарушений разных типов, с газоемкостью указанных участков угольного пласта, что позволит дифференцировать зоны по газонасыщенности.

В работе [6] вычисляет коэффициенты формы тектонических блоков (Кф — отношение длины к ширине). Это позволяет устанавливать их неявные границы, т.е. тектонические нарушения. Данное направление позволяет решать проблемы, связанные с прогнозом невыраженных нарушенных зон в угольных пластах, которые могут содержать повышенные концентрации метана.

Методы, направленные на установление природы УМ. В качестве поискового признака ЗСМ предложено использовать факт, что по мере приближения к разломам кри-

сталлического фундамента, происходит закономерное утяжеление изотопного состава углерода метана (513ССН4) и углекислого газа (513ССО2), возрастает концентрация гелия (Не), водорода (Н2) и тяжелых углеводородов [5, 8].

Представление о газовом поле угольных отложений (рис. 3) получают при ведении измерений в подпочвенных породах газов адсорбированной формы [8]. Участки с повышенным уровнем концентраций УВГадс и Н2адс по приповерхностным отложениям можно проецировать на угленосные отложения, находящиеся на глубине свыше 300 м. Авторы объясняют этот факт тем, что угленосные толщи и приповерхностные отложения обогащаются УВГадс и Н2адс в одних и тех же зонах, где происходит наиболее активное глубинное дыхание Земли.

Составление карты газового поля приповерхностных отложений на шахтном поле позволяет выявлять участки с наиболее высоким уровнем концентраций УВГадс и Н2адс в угольных пластах.

Еще один подход, предложен авторами [15]. Для поиска локальных скоплений жидких и газообразных углеводородов они выделяют тепловые потоки из недр, приуроченные к глубинным разломам и магматическим очагам, находить «слепые» глубинные разломы или дизъюнктивные нарушения, примыкающие к сквозным глубинным разломам. Вблизи этих участков и следует искать углеводородные ловушки, в том числе нефтяные.

В 80-х годах прошлого века В.Н. Труфанов, П.Ф. Иванкин разработали теорию о широкомасштабной углеводородной флюидизации угольного массива и ее влиянии на газоносность углей. На примере Донецкого угольного бассейна авторами [16] рассмотрено влияние флюидизации на формирование ме-танообильных зон. По мнению авторов, причиной образования ЗСМ является наложение регрессивной флюидизации на угли. Главными каналами поступления флюидов служат зоны глубинных разломов. Изучив поверхности скола в электронном микроскопе, исследователи пришли к выводу, что уголь из зоны флюидизации содержит большое количество микровключений флюидов. Внутреннее строение флюидизированных углей макроскопически проявляется в брекчевидной текстуре и зем-

листо-зернистом изломе (рис. 4). Газоносность таких углей достигает 60—80 м3/т. Участки угольных пластов, которые были подвержены влиянию глубинных флюидов, перспективны для промышленной добычи.

Привлечение геофизических методов. При обнаружении и картировании зон скопления свободного газа в пределах угленосных формаций, эффективны спутниковые и геоэлектрические методы (технология СКИП-ВЭРЗ в комплексе со специальным методом обработки и дешифрирования данных ДЗЗ) [10]. Перспективные участки с повышенным содержанием метана проявляются как аномалии повышенной поляризации и повышенного геоэлектрического сопротивления пород разреза. Зондирование ВЭРЗ позволяет определить глубину залегания и мощность аномально поляризованных пластов типа «свободный газ». Методика позволяет выделять и картировать в контурах аномальных зон типа «залежь УВ» области с повышенными значениями пластового давления флюидов, в пределах которых существует высокая вероятность получить промышленные притоки газа.

Методика проведения прогнозных сейсморазведочных работ (метод общей глубинной точки) по поиску перспективных газоносных структур для добычи метана изложена в [2].

Для прогноза ЗСМ с привлечением данных газового каротажа использовался нормированный показатель относительной газоносности ф, показывающий насколько породы в коллекторе более проницаемы относительно плотных пород [18]. Вынесенные на планы горных работ показатели нормированной относительной газоносности позволяют оконтуривать участки с ее повышенными значениями.

Геодинамическое районирование. Основная идея использования геодинамического районирования при поиске

Рис. 4. Микроглобулярная структура и флюидные включения в угле из зоны флюидизации Краснодонецкого месторождения. Маркер 10 мкм

коллекторов метана на угольных месторождениях заключается в установлении тектонически разгруженных зон [3, 4, 17]. Вследствие блочного строения массива и других геологических неоднородностей в нем возникают тектонически напряженные (ТНЗ) и тектонически разгруженные зоны (ТРЗ). В ТНЗ под действием напряжений происходит упругое сжатие пород, сопровождаемое закрытием трещин с уменьшением пористости и проницаемости пород. В ТРЗ происходит раскрытие трещин с увеличением пористости и проницаемости. Таким образом, ТРЗ являются участками повышенной проницаемости и могут рассматриваться в качестве перспективных метаноносных зон.

Тектонофизика. Выделение областей газовых скоплений при помощи тектонофизического метода, основанного на изучении поля деформаций, изложено в [9, 13]. При интерпретации результатов используются программы XL, GEOS, Surfer. GEOS — программа реконструкции полей напряжений и деформаций по трещинам в жилах и зеркалам скольжения [13]. Основные параметры поля деформации — это ориентация осей полей деформаций (позволяет оценить направление тектонических движений), коэффициент Додэ-Надаи (необходим для выделения блоков сжатия и растяжения) и вертикальная компонента z (поднятие-опускание участка). Данный подход позволяет выявлять зоны растяжения, к которым приурочены скопления метана.

Итак, систематическое изучение газоносности угольных пластов на месторождениях СССР началось еще в 30-е гг. XX века. Однако созданные для этой цели методики определения природной газоносности имеют существенный недостаток: полученные данные характеризуют локальные свойства участка и не отражают весьма сложное распределение газа в угольном массиве.

На фоне этого, большинство современные методики, применяемых на угольных месторождениях при установлении областей с повышенным содержанием газа, имеют ряд преимуществ, поскольку являются комплексными. Создание комплексной методики стало возможным благодаря накоплению большого объема теоретических исследований и привлечению воз-

можностей смежных наук, таких как геология, геохимия, геофизика, тектонофизика и т.д.

Не смотря на то, что методики являются комплексными, возможно создание методики, которая одновременно позволяла бы учитывать строение угольной толщи (литологический состав вмещающих пород, разрывные нарушения, их тип и т.д.), ее напряженно-деформированное состояние и газоотдачу угольных пластов при таком виде напряженного состояния. Основная доля метана угольных пластов содержится в сорбированном состоянии. Вопрос выхода метана из угля при изменении вида напряженного состояния остается малоизученным.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдеева A.M., Зося А.Н. О скоплениях (залежах) свободных газов в угленосных отложениях Юго-Западного Донбасса//Уголь Украины, №11, 2004. — С. 28—32.

2. Анциферов В.А. О методике сейсмического прогноза перспективных газоносных структур и участков повышенных газовыделений// Науковий вюнж НГУ, 2011. — №5. — С. 15-20.

3. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. М.: Недра, 1988, 166 с.

4. Гончаров Е.В., Н.Д. Иванников и Ё.А. Гончарова. Прогнозирование местоположения участков угольных пластов, пригодных для каптирования метана// Физические процессы горного производства. Вып.24, 1995, с 100104.

5. Канин В. А., Тараник А. А. и Довбнич М.М. Приуроченность локальных скоплений горючих газов в угольных шахтах к разломам кристаллического фундамента// Геотехническая механика, Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. Вып. 87, с. 52-57.

6. Карамушка О.А. Анализ параметров тектонических блоков, выделенных на территории Красноармейского, Донецко-Макеевского, Центрального и Луганского геолого-промышленных районов// Геотехническая механика, 2009, № 81.

7. Карамушка О.А., Баранов В.А., Ткаченко А.В. Выделение нарушенных зон в угольных пластах// Форум гирникив-2008, Днепропетровск, 2008, с 29-33

8. Кондратов Л.С., Фокина Ё.М. Исследование газового поля шахтных полей по адсорбированной форме газа с целью предотвращения аварийных ситуаций// Наука и техника в газовой промышленности, 2009, №3, с 77-83.

9. Корчемагин В.А., Алехин В.И., Павлов И.О. Структурно-тектоно-физические исследования для прогноза газоносности и горно-геологических

условий на полях шахт Донецко-Макеевского района// Геотехническая механика, № 87, 2010, с 209-217

10. Левашов С., Якимчук Н., Корчагин И. Применение мобильных геофизических технологий при поисках и разведке метана в угольных бассейнах// Геолог Украши. №2, 2011, с 49-54.

11. Лукинов В.В. Горно-геологические условия образования скопления свободного метана на угольных месторождениях// Науковий Вюник НГУ, №4, 2007 с 55-59

12. Майборода A.A., Анциферов В.А., Голубев A.A., Иванов Л.А. // Коллекторы метана в угленосных формациях Донбасса// Науков1 праш УкрНДМ1 НАН Украши, №4, 2009, с 6-15.

13. Папченко А.Ю., Корчемагин В.А. Прогнозирование участков скопления метана по данным тектонофизики на поле шахты «Холодная Балка — Нижняя».

14. Приходченко В.Ф., Приходченко С.Ю. Тектонический контроль суфляров метана//Геотехническая механика: Межвед. Сб. науч. трудов, вып.88, 2010, с54-59.

15. Пугачев Е.В., Гумиров Ш.В. Роль глубинных разломов в образовании месторождений нефти и метана в Кузбассе// Проблемы электроснабжения и электросбережения на горнорудных и металлургических предприятиях Кузбасса: Материалы всероссийской научно-практической конференции. Новокузнецк, 2000, с 35-41.

16. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Майский Ю.Г., Рылов В.Г. Роль процессов углеводородной флюидизации в формировании метанообильных зон в угленосных бассейнах//ГИАБ, №6, 2002, с 20-26.

17. Шабаров А.Н., Гончаров Е.В., Лазаревич Т.И., Золотых С.С. Прогнозирование областей высокой метаноотдачи и технология извлечения газа на основе геодинамического районирования недр// ФТПРПИ, №1, 2003. — С. 48—54.

18. Шайдорова И.М., Афанасьев А.В. Опыт выделения нетрадиционных коллекторов газа-метана и применения качественного показателя газоносности на угольных месторождениях Западного Донбасса// Геотехническая механика, №87, 2010, с 175-179. ЕЕШ

Ютяев Е.П. — кандидат технических наук, генеральный директор

ОАО «СУЭК-Кузбасс», office@suek.ru

Гизатулина И.Н. — аспирант,

Курта И.В. — ассистент кафедры,

Серегин А.С. — аспирант,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», rectorat@spmi.ru.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ