КОЛЛЕКТОРЫ МЕТАНА В УГЛЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЯХ ДОНБАССА

Наведено основні чинники формування, зміни і газоносності колекторів метану вугленосних формацій Донбасу.

При проведении научных исследований, связанных с одной из наиболее актуальных проблем в области природопользования – газоносностью угленосных формаций, изучение коллекторских свойств угленосных толщ имеет первостепенное значение. Это подчеркивается специфичностью коллекторов угленосных формаций, в которых первостепенную роль имеет сорбционная емкость углистого вещества, от содержания, распределения и количества которого в различных литолого-фациальных типах пород и степени их эпигенеза зависит общая величина газоносности угленосных толщ.

В отличие от газовых месторождений, где газ находится главным образом в одной фазе - свободной, а в зоне газоводяного контакта в двух - свободной и водорастворенной, в угленосных толщах газ находится в трехфазном состоянии: в виде водорастворенного, свободного и сорбированного углистым веществом, рассеянным в породах или сконцентрированным в угольных пластах. Следовательно, газоносность этих толщ определяется суммарной емкостью двух типов коллекторов: порового пространства пород и сорбционной способности органического вещества. В целом, доля свободного газа в угленосных формациях Донбасса невелика и по данным разных авторов колеблется в пределах 5-15 %. Основной объем метана находится в сорбированном виде.

Изучению коллекторов метана посвящено много публикаций различных авторов [1-11] и др. Этому вопрос всегда уделялось большое внимание и авторами данной работы [12-16] и др. В них чаще рассматриваются отдельные типы коллекторов, а не образующийся из них комплекс. В настоящей статье приведены результаты теоретического анализа, преследующего цель выделения главнейших факторов формирования каждого типа коллекторов и обобщения воедино основной информации обо всей их совокупности.

Проанализирована информация о формировании и изменениях в угленосных толщах трех типов коллекторов метана: гранулярного, трещинно-порового и сорбционной емкости углистого вещества.

Основные положения, полученные в результате этого анализа, следующие.

Гранулярные коллекторы метана. Гранулярными коллекторами являются песчано-алевритовые породы, характеризующиеся межгранулярной пористостью и проницаемостью. Следовательно, основным признаком гранулярных коллекторов является литологическая принадлежность пород.

Гранулярные коллекторские свойства пород есть функция условий осадконакопления: гидродинамического режима, обусловленного скоростью течений, отдаленностью областей сноса, глубиной бассейна и другими факторами седиментации, от которых зависит гранулометрический состав отложений.

Формирование этого типа коллекторов происходило уже на стадиях диагенеза и раннего эпигенеза в результате тесного взаимодействия фациальных и геотектонических факторов, определяющих основные наиболее характерные качественные и количественные черты горных пород угленосных формаций.

При изучении углевмещающих пород, как коллекторов гранулярного типа, основное внимание уделяется их структурным и текстурным особенностям, обусловливающим емкостные и фильтрационные свойства.

Основным гранулярным коллектором метана являются песчаники аллювиально-дельтового комплекса фаций, в балансе газонасыщенности которых сосредоточено более 90,0 % свободного метана.

Главными физическими свойствами гранулярных коллекторов являются пористость пород и их проницаемость, значения которых и изменения подчиняются петрофизическим закономерностям. Основная особенность коллекторов этого типа – это закономерное уменьшение значений пористости с увеличением степени эпигенеза, происходящее для всех литотипов пород однонаправлено, но количественно различно. Причем, с увеличением степени эпигенеза эти различия уменьшаются, а коллекторские свойства пород в целом существенно ухудшаются.

Трещинно-поровые и трещинные коллекторы метана. Главным фактором формирования трещинно-порового и трещинного типов коллекторов метана является тектоническая и техногенная трещиноватость пород.

Во всех случаях газоносность этого типа коллекторов выше, чем гранулярных, поскольку она характеризуется суммарным газосодержанием. Так, доля свободного газа в тектонически нарушенных толщах возрастает на 20,0 - 30,0 %, иногда до 50,0 % и, соответственно, газоносность угленосных толщ в целом существенно выше.

Дизъюнктивные нарушения в зависимости от их характеристик и степени газопроницаемости могут являться как путями миграции газов, так и экранами, способствующими их накоплению.

Формирование техногенных коллекторов метана обусловлено целым рядом горно-геологических и горнотехнических факторов, сопутствующих отработке угольных пластов, и происходит в углепородной толще, ограниченной 100 - 120 м в кровлю и 50 – 60 м в почву отрабатываемого угольного пласта.

Основными физическими свойствами пород, определяющими их роль, как трещинных коллекторов метана, являются объем зияющих трещин и газопроницаемость. Следует учитывать влияние степени эпигенеза на развитие зон повышенной трещиноватости пород, вблизи тектонических нарушения. Вне зависимости от типа дизъюнктива при равных амплитудах смещения с увеличением степени эпигенеза уменьшается ширина трещиноватой зоны влияния нарушений.

В литологическом отношении основными коллекторами рассматриваемого типа являются песчаники вне зависимости от степени их эпигенеза.

Для угленосных формаций Донбасса максимальным развитием трещиноватости характеризуются угленосные толщи Донецко-Макеевского района.

Сорбционная емкость углистого вещества. Сорбционная емкость газогенерирующего углистого вещества (сконцентрированного в угольных пластах или рассеянного во вмещающих породах) – основной фактор формирования газоносности угленосных формаций, в которых от 85 до 95 % метан находится в сорбированном виде.

Из всех видов сорбции (адсорбция, абсорбция, хемосорбция) для углистого вещества наиболее характерна адсорбция газа, ввиду очень большой (150 - 200 м2/г) внутренней поверхности углей. В донбасских углях широко развиты микропоры радиусом до 50 A (5·10-6 мм), где практически находится весь сорбированный метан.

Основным фактором, определяющим современную газоносность угольных пластов является метаморфизм углей, с увеличением которого их сорбционная газоемкость непрерывно возрастает, достигая максимальных значений (35 - 38 м3/т с.б.м.) на антрацитовой стадии. Природная газоносность каменных углей всех стадий метаморфизма и слабометаморфизованных антрацитов близка к их сорбционной емкости, менее последней на 10 - 20 %.

На стадии развития суперантрацитов в структуре угольного вещества наблюдается резкий качественный скачок, молекулярная упорядоченность становится столь большой, что сорбирующая поверхность практически падает до нуля, суперантрациты группы метаморфизма А12 и выше не продуцируют метан, его удельное содержание снижается до практически полного отсутствия.

Сорбционная емкость вмещающих пород по сравнению с углем незначительна и непосредственно зависит от количества рассеянного в них органического вещества (РОВ). Так, в углистых аргиллитах (РОВ до 40 %) газоносность возрастает до 5,0- 7,0 м3/т (7,5-17,5 м3/м3 породы).

Зависимость сорбции пород от их литологического состава (возрастание от песчаников к аргиллитам) объясняется увеличением содержания РОВ с уменьшением гранулометрических показателей (также от песчаников к аргиллитам).

Показатели сорбционной емкости вмещающих пород закладываются еще на стадии седиментогенеза, зависят от фациальных условий осадконакопления, гидродинамического режима, которые обусловливают гранулометрический состав пород и количество РОВ в них.

Процессы возрастания сорбционной газоемкости РОВ вмещающих пород с увеличением степени эпигенеза последних аналогичны изменениям сорбционной емкости углей под влиянием метаморфизма.

Следовательно, основными факторами, определяющих сорбционную емкость пород и их соответствующую газоносность являются количество содержащегося в них РОВ и степень эпигенеза.

Нами построена обобщающая модель, отображающая роль различных коллекторов в изменение газоносности (суммарной, включающей свободный и сорбированный метан) угленосных формаций Донбасса в зависимости от степени эпигенеза пород и метаморфизма углей (рис. 1). При ее построении использованы некоторые количественные показатели, приведенные, прежде всего, в отчетах бывшего ПГО «Донбассгеология».

Непосредственной взаимосвязи отдельных коллекторских свойств с общей газоносностью не наблюдается, поскольку последняя есть результат многофакторных явлений. И это касается, прежде всего, коллекторов гранулярного и трещинно-порового типов.

Наглядным подтверждением этому является повышение суммарной газоносности угленосных толщ с увеличением стадии эпигенеза за счет повышения вклада сорбированной емкости углистого вещества, несмотря на то, что роль гранулярных коллекторов со снижением пористости убывает.

Газоносность гранулярных коллекторов зависит не только от их пористости, но и от количества РОВ в них. И чем выше степень эпигенеза пород, тем более существенным становиться влияние органики по сравнению с пористостью, значения которой к тому же снижаются. Т.е. получается, что с повышением степени эпигенеза пород газоносность гранулярных коллекторов повышается, что на первый взгляд кажется парадоксальным, поскольку пористость их уменьшается. Однако, здесь показан вклад не только свободного метана (содержание которого уменьшается), а приводится суммарная газоносность, включающая свободный и сорбированный метан (роль которого существенно возрастает). Причем, закономерно это возрастание будет тем значительнее, чем выше насыщение пород РОВ. Для пород, находящихся на стадии эпигенеза, включающей угли марки ОС и выше, существенно снижаются значения пористости (у песчаников менее 4 %, у алевролитов менее 3,5 %). Свободный метан отсутствует, роль этого типа коллекторов, как гранулярных, утрачивает значение, газоносность пород зависит только от количества сорбированного РОВ.

При моделировании трещинно-порового коллектора использована закономерность увеличения (в среднем на 30 %) газоносности пород с этим коллектором в сравнении с гранулярным. Последнее обуславливается тем, что для этого типа коллектора характерен дополнительный приток газа по трещинам и чем значительнее трещиноватость пород тем, естественно, выше будет их газоносность при прочих равных условиях. В модели наиболее высокие значения газоносности коллектора этого типа показаны для зон эпигенеза, включающих угли марки Т и А10. Это может быть объяснено тем, что при переходе от позднего катагенеза к метагенезу происходят новые качественные изменения как в углях, так и во вмещающих породах. Развивается и достигает максимума плитчастость, сланцеватость, сопровождаемые увеличением хрупкости пород и их трещиноватости, что соответственно сказывается на повышении газоносности трещинно-порового коллектора. В целом суммарная газоносность этого типа коллектора складывается из трех факторов – пористости пород, количества РОВ в них и степени их общей трещиноватости, включая тектоническую и техногенную трещиноватость, которые следует рассматривать обособленно, для каждого шахтного поля.

Что касается третьего, основного для угленосных формаций коллектора – сорбционной емкости углистого вещества, то его газоносность обуславливается единственным и основным фактором – наличием и количеством органического вещества и, естественно, степенью его метаморфизма.

Резюмируя основные положения, полученные в результате анализа коллекторов метана в угленосных формациях Донбасса, можно сделать следующие выводы:

- угленосные отложения образуют три типа коллекторов – гранулярные, сорбционные и трещинно-поровые, главными факторами формирования которых являются: литолого-фациальная принадлежность пород, степень их насыщенности газогенерирующим органическим веществом, стадии эпигенеза пород и метаморфизма углей, тектоническая и техногенная трещиноватость пород;

- коллекторские свойства пород заложены на самой ранней стадии литогенеза (седиментогенезе) в результате тесного взаимодействия фациальных и геотектонических факторов, обусловивших гидродинамический режим осадконакопления, от которого зависит гранулометрический состав пород, распределение и количество в них органического вещества, определяющие показатели гранулярных и сорбционных коллекторов метана;

- толщи пород одного и того же литолого-фациального состава, находящиеся на одной и той же стадии эпигенеза, характеризуются одинаковыми коллекторскими свойствами и, соответственно, газоносностью. При этом изменение последней зависит от степени трещиноватости массивов горных пород (как тектонического, так и техногенного генезиса) и их обводненности. Т.е. суммарная газоносность угленосных толщ складывается из природной (связанной с гранулярными коллекторами и сорбционной емкости углистого вещества) и дополнительных поступлений газа по трещинным коллекторам;

- построенная модель носит обобщающий характер, отображая тенденции в изменении фоновой газоносности (суммарной, включающей свободный и сорбированный метан) угленосных формаций Донбасса в зависимости от степени эпигенеза пород и метаморфизма углей. Модель может быть использована как методическая основа для определения газоносности конкретных структур и выявления в их пределах аномальных значений, указывающих на образования скоплений метана.

СПИСОК ССЫЛОК

1. Ханин, А.А. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение [Текст] / А.А. Ханин. – М.: Недра, 1969.
2. Лукинов, В.В. Горно-геологические условия образования скоплений свободного метана на угольных месторождениях [Текст]/ В.В. Лукинов // Наук. вісн. НГУ.- 2007. - № 4. – С. 55- 59.
3. Лидин, Г.Д. Газообильность каменноугольных шахт Юго- Западной части Донецкого бассейна [Текст] / Г.Д. Лидин, А.Э. Петросян.– М.: Из-во АН СССР, 1962. – 259 с.
4. Айруни, А.Т. Газообильность каменноугольных шахт СССР. Комплексное освоение газоносных угольных месторождений [Текст] / А.Т. Айруни, Р.А. Галазов, А.И. Брижанев и др. – М.:Наука, 1990.-120 с.
5. Лидин, Г.Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР [Текст]. Т. III. Газообильность каменноугольных шахт Центрального района Донецкого бассейна / Г.Д. Лидин, А.Г. Айруни. – М.: Из-во АН СССР, 1963. – 351 с.
6. Брижанев, А.М., Закономерности размещения метана в Донецком бассейне [Текст] / А.М. Брижанев, Р.А. Галазов // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. - М.- 1987.- Вып. 6.- 48 с.
7. Закономерности распределения метана в угольных месторождениях [Текст] / А.Э. Петросян, Г.Д. Лидин, А.М. Дмитриев, Н.Н. Куликова. - М.: Наука, 1973. -147 с.
8. Дубинин, М.М. Поверхность и пористость адсорбентов [Текст] / М.М. Дубинин. В кн.: Основные проблемы теории физической адсорбции. - М.: Наука, 1970.- С. 251-269
9. Кирюков, В.В. Особенности тонкой структуры углей в связи с процессами газогенерации в Донецком бассейне [Текст] / В.В. Кирюков, А.М. Брижанев, В.В. Синолицкий // Ресурсы петрадиционного газового сырья и проблемы его освоения. – Л.: ВНИГРИ, 1990. – С. 66-73.
10. Эттингер, И.Л. Сорбционные свойства углей и их роль в процессах газовыделения в угольных шахтах [Текст] / И.Л. Эттингер. – М.: Наука, 1969.
11. Каталог коллекторских свойств каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов [Текст] / МакНИИ. - Макеевка, 1988. - 49 с.
12. Газоносность угольных месторождений Донбасса [Текст] / А.В. Анциферов, М.Г. Тиркель, М.Т. Хохлов и др.; под общ. ред. Н.Я Азарова. - К.: Наук. думка, 2004. - 232 с.
13. Разработать методику определения газоносности вмещающих пород в зависимости от их коллекторских свойств и трещиноватости и провести ее опытную проверку в Донецком бассейне [Текст]: отчет по этапу Н1а-1в задания 01.03 проблемы 0.05.07 ГКНТ (заключ.) / ПГО «Донбассгеология»; рук. А.А. Голубев, В.А. Землянухин. – Артемовск, 1984.- 58 с.
14. Генетический аспект формирования скоплений и месторождений свободных углеводородных газов Большого Донбасса [Текст]/ А.А. Голубев, А.А. Майборода, В.А. Анциферов, В.А. Канин // Зб. наук. пр. УкрНДМІ НАН України – Донецьк. – 2008. – № 3.- С. 25-40.
15. Анциферов А.В., Геолого-геофизический подход к выявлению техногенных коллекторов на угольных месторождениях электромагнитным методом зондирования становлением поля в ближней зоне ЗСБ [Текст] / А.В. Анциферов, Л.А. Иванов, А.А. Майборода, В.В. Туманов, В.А. Анциферов // Сб. тр. НГУ. – Днепропетровск, 2007. - № 4. – С. 50-65.
16. Проведення теоретичного аналізу формування колекторських властивостей вуглевміщувальних порід і зональності їх розподілу в Донецькому басейні [Текст] : звіт по НДР 25/05 (заключ.) / УкрНДМІ НАНУ; кер. А.О. Майборода. – Донецьк, 2008. – 79 с.