Коллекторы метановых газов

Геологические особенности распределения углеводородных газов в горном массиве Кузнецкого угольного бассейна


В эксплуатационной практике в подземные горные выработки периодически повторяются неожиданные опасные выбросы свободного метана и случаи эндогенного самовозгорания с возможностью эндогенных пожаров и взрывов. Такие процессы до настоящего времени носят неуправляемый характер и требуют детального геологического изучения.

Создается определенная вероятность, что основная причина такой ситуации скрывается в отсутствии детального геологического анализа, который должен включать физическое состояние метановых газообразных соединений, геодинамические процессы, регулирующие локальное образование и распространение объемов свободных углеводородных газов в трещиноватой среде горного массива и характерные условия эндогенного самовозгорания.

Даже при кратком анализе информационного пакета геологоразведочных работ становится очевидным, что на угольных месторождениях газо­образные углеводороды необходимо рассматривать как два отдельных генетических вида из легких и тяжелых углеводородных соединений. Первый — это метан, адсорбированный по угольной массе пластов, аналитически определенный в угольных геологоразведочных пробах как молекулярно поровый объем газа, второй вид — тяжелые углеводородные соединения, представляющие продукт синтеза, сформированный при миграции свободных магматических углеводородных флюидов из глубинных горизонтов литосферы.

В ряде иностранных информаций такое деление рассматривается как «метан угольного пласта» в молекулярно поровом состоянии и отдельно «метан ложа» или свободные газо­образные соединения тяжелых углеводородов, которые синтезированы на глубинных горизонтах литосферы динамикой флюидов магмы.

Тяжелые углеводороды как генетический вид газов в геологоразведочной практике по нашим угольным месторождениям, к сожалению, детально не изучаются и практически не учитываются.

Выполнение детального геологического анализа показывает, что каждый из этих газообразных углеводородных видов представлен отдельными условиями формирования и имеет возможность локальной концентрации в свободном газообразном состоянии. Эти условия фактически создаются изменением проницаемости горного массива при раскрытии трещин по локальным зонам геодинамического растяжения.

В современных геологоразведочных отчетах приводятся только результаты выполненных работ без рассмотрения геодинамических процессов, формирующих локально объемные зоны сжатия-растяжения, механизм которых регулирует возможность концентрации объемов свободного метана в трещиноватой среде горного массива.

Элементарными наблюдениями по подземным и открытым выработкам установлено, что в зонах растяжения раскрытые трещины разных систем являются основными проводниками и коллекторами свободных углеводородных газов и это обуславливает необходимость детального рассмотрения с генетической детализацией отдельных систем трещиноватости.

В объеме данной геологической информации рассматриваются краткие характеристики систем трещиноватости, соответствующие тектогенетической геохронологии формирования горного массива.

Диагенетическая система трещин

Система формируется в течение периода осадконакопления, название системы принято соответственно геохронологии формирования осадочных литотипов, то есть формируется после седиментации слоевой текстуры горных пород и представляет сложную геодинамическую схему с периодическими изменениями физико-механических процессов. При гравитационной седиментации каждый литологический слой формируется геодинамикой вертикально инверсионного цикла и представляет слоевой текстурный пакет из отдельных монолитных гранулометрических разностей с границами между слоями строго по горизонтальной слоистости.

В слоевых структурах блочность рассматривается как результат развития трещин с разделением объема слоевой монолитности осадков при физико-механических и геодинамических процессах, действующих в разные геохронологические периоды формирования бассейна. В слоевой системе процесс формирования диагенетических трещин обусловлен вертикальным гравитационным давлением и обезвоживанием осадков с изменением при литификации трехмерного объемного состояния.

Каждый отдельный литологический слой имеет характерные элементы залегания трещин, сформированные в период литификации осадочных отложений периодическими изменениями векторов одностороннего горизонтального давления.

В результате, по каждой отдельной литологической структуре, угольному пласту, алевролитам и песчаникам в хронологическом порядке сформирована нормально секущая трещиноватость с образованием блоков близкой к прямоугольной форме.

Хронологически первыми сформированы блоки по всей слоевой мощности литологического слоя, после этого процесса образованы блоки в каждом монолитном слое.

Блочность по мощности литологического слоя формируется двумя системами нормально секущих трещин, продольной и диагональной, такое разделение принято относительно элементов общего простирания горного массива.

Блочность в монолитных слоях формируется двумя относительно четко выраженными нормально секущими трещинами, в которых азимут простирания незначительно отличается от системы трещин по мощности литологического слоя, и соответствует процессу механического разрыва в вертикально инверсионных циклах литогенеза при изменении вектора горизонтального сжатия.

Неотектоническая система трещин

При интерпретации результатов аэрокосмической съемки поверхности Земли аэрокосмической партией ЗСГУ составлена карта линейного развития линеаментов неотектоники по юго-восточной части Кузбасса. В зонах развития глубинных разломов по открытым выработкам геологической службой разреза «Сибиргинский» выполнена масштабная геологическая фотодокументация отдельных участков. Результаты анализа геодинамики тектонического строения позволяют сделать выводы по отдельным характерным элементам развития неотектонических процессов.

После завершения осадконакопительного процесса в начале юрского периода, на объем осадков бассейнового блока воздействует цикл горизонтального сдвига. Геодинамика цикла представлена периодом начального горизонтального растяжения и последующим периодом горизонтального сжатия с резким развитием скорости геосинклинального прогиба на платформенной части бассейна. В период растяжения по осадочному чехлу образованы линейно ориентированные трансрегиональные глубинные разломы с апофизными линеаментами, при этом по осадочным отложениям сформированы сложные формы отдельной нетектонической блочности.

Формирование неотектоники в юрский период произошло при значительном увеличении скорости геосинклинального прогиба, общий горизонт осадконакопления на площади бассейна изменился на 7-10 градусов, это спровоцировало увеличение скорости подводных потоков и позволило из области предварительного накопления осадков перенести на платформу объемы крупных фракций из хорошо окатанных магматических пород.

В современной геологической интерпретации эти отложения представлены как слабосцементированные юрские конгломераты с циклично слоевой текстурой осадконакопления.

В горных выработках по линейно вытянутым глубинным разломам неотектоническая система трещин представлена локальным развитием зон интенсивной трещиноватости с повышенной интенсивностью развития вертикальных и кососекущих трещин.

Прослеживается характерный процесс слоеобразования при осадконакоплении, по геологическому разрезу сформированы отдельные участки четко выраженных линзовидных русловых отложений с характерным проявлением на границах линз геодинамики горизонтального сжатия-растяжения. По зонам растяжения наблюдаются локальные разгрузки подземных трещинных вод в аэрлифтном режиме при интенсивном выделении метана и сероводорода.

В результате полевых наблюдений установлены характерные деформации эксплуатационных выработок, из зон объемного сжатия-растяжения на откосе борта погашения и на откосах рабочих уступов неожиданно проявляются отдельные вывалы и обрушения.

По вертикальному разрезу глубинного разлома не установлено значительных дислокаций, отдельные участки имеют незначительную вертикальную амплитуду смещения — от двух до десяти метров. Это характеризует динамику растяжения в начальный период формирования глубинного разлома без значительного действия вектора вертикального и горизонтального давления.

В приразломных зонах с удалением от глубинных разломов характерно постепенное снижение интенсивности трещиноватости, уменьшение газопроявления метановых и глубинных газов, в угольных пластах снижается развитие инъективных внедрений песчаных пород, снижается интенсивность развития русловых линзообразных форм.

По протяженности и элементам залегания трещиноватости неотектонические формы можно разделить на трансрегионально развитые разломы и примыкающие к ним апофизы.

Для неотектонической системы трещин характерным условием является ярко выраженная локальность гидрогеологических и газодинамических проявлений, установленная на участке развития глубинного разлома в пойменной части реки Мрассу.

Анализ воды, выполненный Новокузнецкой гидрогеологической экспедицией в 1996 году, показывает, что по химическим соединениям состав проб соответствует природным трещинным водам при разгрузке из глубинных разломов.

В межсезонные периоды характерным признаком является устойчивый запах сероводорода и тяжелых углеводородов, при стабильных объемах разгрузки водоносного горизонта и метановых газов эти условия периодически наблюдаются с 2000 года.

Система кососекущих трещин в цикле горизонтального сдвига

В горном массиве система представлена сместителями локальных разрывных нарушений, в основном типа пологий надвиг со сложной системой оперяющих трещин. Распространяется динамикой цикла горизонтального сдвига от границ развития волновых структур осадконакопления при геодинамическом периоде растяжения и последующего сжатия.

В главной моноклинали на юго-востоке Кузнецкого бассейна по разрезу пермских отложений процесс горизонтального сдвига имеет максимальную интенсивность горизонтального растяжения с развитием вертикальных и кососекущих интрузий магмы и последующей динамикой минимального горизонтального сжатия.

Отложения Нижнебалахонской серии при горизонтальном сжатии имеют значительную деформацию с развитием кососекущих трещин, здесь интрузивные силлы диабазов участвуют в формировании крупных складчатых форм.

На северо-западе бассейна по Прокопьевско-Киселевскому району и на севере в районе Томь-Колыванской дуги проявляется максимальная интенсивность динамики сжатия.

Таким образом, после завершения осадконакопления в угольном бассейне по интенсивности дислокаций горного массива в общей тектонической схеме определяются основные центры горизонтального сжатия — на северо-западе с векторным давлением от Салаирского кряжа и северный вектор в районе Томь-Колыванской дуги.

Система трещин термогенеза магматических интрузий

При внедрении магматических интрузий система сформирована по контактной зоне осадочных отложений. Полевые наблюдения трещин термогенеза выполнены в открытых работах по обнажению дайки диабазов на разрезе «Томусинский», береговом обнажении по реке Мрассу и в пойменной части по выходу на поверхность Сыркашевского и Майзасского силлов в пределах Мрасского района.

В процессе литификации расплавленной магматической интрузии при снижении температурного режима уменьшается объем дифференцированных слоев с аналогичным влиянием на контактных границах с осадочными отложениями, действует своеобразный механизм формирования термальной диагенетической трещиноватости.

Этими процессами формируется раскрытие трещиноватости в структуре прямоугольного блочного строения, в общей мощности интрузии и по каждому дифференцированному слою. Слоистость дифференцированных слоев ориентирована параллельно плоскости раскрытой трещины-разлома, а мощности слоев и размеры блоков закономерно увеличиваются к центральной части интрузии.

Контакты интрузий и осадочных отложений интенсивно разуплотнены до рыхлого состояния, со следами выгорания органики и характеризуются как интенсивно проницаемая зона. При пересечении разведочной скважиной магматических интрузий значительно увеличивается выброс метановых газов и газовое давление в объеме скважины.

По долине реки Мрассу береговое обнажение Сыркашевского силла представлено интенсивно разуплотненной сыпучей горной массой, дресвой с включениями отдельных сферической формы валунов из диабазов, представляющих остатки блочного строения. При этом горный массив, включающий силл, не имеет следов интенсивного выветривания, это свидетельствует о том, что разуплотнение является результатом воздействия активной окислительной химической реакции, которая распространяется по магматической интрузии.

По результатам глубокого геологоразведочного бурения в нижнем течении реки Мрассу в 1994 году вскрытые в горном массиве формы интрузивных тел в приразломной зоне являются локально объемными коллекторами и проводниками подземных трещинных вод с повышенной минерализацией, высокой газоносностью метана и тяжелых углеводородов, при этом присутствуют соединения водорода, сероводорода, гелия, радона. По наблюдениям геологов ОАО «Южный Кузбасс», в 2014 году постоянный факел метано-газового выброса составляет около 0,5 метра от устья этой скважины.

Система трещин кольцевых структур

Система трещин кольцевых структур формируется после завершения процесса осадконакопления и основного тектогенеза неотектоники, при локально вертикальной геодинамике микроплюмов из магматических слоев. Геодинамика микроплюмов рассматривается как завершающийся геодинамический процесс в осадконакопительном периоде угольного бассейна.

На фоне ранее сформированных систем трещиноватости образованы кольцевые структуры трещин и выделяются как отдельная система блочности концентрически радиальных форм, образованных в процессе локально вертикальных куполо­образных деформаций осадочного массива.

Эта система, как и глубинные разломы, определена по результатам интерпретации космической съемки на поверхности Земли. В ходе изучения реального геологического пространства на участках развития кольцевых структур по открытым работам проведена геологическая съемка и установлены элементы залегания отдельных трещин, соответствующих элементам залегания для развития концентрических форм.

 

Для обоснования локальных коллекторов свободных метановых газов в структуре блочного строения угольного бассейна необходимо выполнить геодинамический анализ геосинклинальных прогибов за период осадконакопления и в геодинамике складчатых форм.

В объеме угольного бассейна обоснованием для выделения структуры блочного строения являются карты угленосности Балахонской серии по Кузнецкому угольному бассейну, выполненные под руководством геолога Н.М. Белянина, опубликованы «Геология СССР, т. 7, 1964 г.».

По результатам этой работы при современном структурно-тектоническом анализе мощности отложений угленосных серий и свит в границах развития Доронинской, Кемеровской, Чусовитино-Бунгурской и Тутуясской впадин появляется возможность выделить эти синклинальные структуры как блоки второго порядка.

На блоках второго порядка в процессах осадконакопления Нижнебалахонской, Верхнебалахонской и Ерунаковской серий в геохронологической последовательности проявляется механизм геосинклинальной геодинамики, в результате которого формируются глубинные стратиграфические горизонты объемного сжатия и растяжения.

Анализ мощности осадочных отложений на блоках второго порядка свидетельствует, что при общем геосинклинальном прогибе бассейнового блока и последующего горизонтального сдвига сформирована структура отдельных блочных синклиналей, где по верхним горизонтам образованы объемные зоны сжатия, по нижним горизонтам  — зоны растяжения. При этом для всех ранее сформированных локальных зон сжатия-растяжения в цикле горизонтального сдвига горизонтальным сжатием формируется увеличение амплитуд геосинклинальных прогибов с дополнительным импульсом перераспределения напряженного состояния в горном массиве угольного бассейна, завершается этот процесс образованием локальных микроплюмов.

Реальная оценка коллекторских свойств и ресурсов свободных углеводородных газов по нижним горизонтам современного бассейна практически невозможна из-за отсутствия глубокой геологической разведки. При этом надо отметить, что в зонах развития глубинных разломов, формирующих геоморфологию пойменного рельефа основных поверхностных водотоков, из разведочных и технических скважин наблюдаются выбросы с последующим интенсивным выделением метановых и глубинных газов в течение нескольких лет.

По наблюдениям в зонах развития глубинных разломов можно сделать вывод, что геодинамикой синклинальных прогибов на блоках второго порядка в нижних стратиграфических горизонтах угольного бассейна сформированы отдельные пока еще неизученные геологической разведкой объемные зоны растяжения, которые являются глубинными коллекторами свободных углеводородных газов в трещиноватой среде.

 

Современная концепция распространения сланцевых газов с молекулярно поровым распределением объемов в горной породе может иметь обоснование только в условиях объемного геодинамического сжатия. При этом надо понимать, что в этих условиях дегазация угольного пласта и горных пород первично распространяется на незначительный радиус влияния скважины, и в результате получаем кратковременный приток поровых метановых газов, далее при снижении дебита появляется необходимость стимулировать следующие кратковременные увеличения с применением метода гидроразрыва.

Практика бурения скажин при извлечении сланцевых газов без анализа геодинамических процессов показывает, что на разбуренной площади только единичные скважины из зоны растяжения имеют повышенный дебит и достаточно хорошо реагируют повышением дебита при применении гидроразрыва с минимальным давлением, которым расширяются границы зоны объемного растяжения.

При добыче сланцевых газов становится очевидным, что общие затраты значительно сокращаются после выполнения геодинамического анализа и целенаправленного бурении в локальные зоны растяжения.

В горном массиве угольного бассейна по условиям формирования локальные зоны сжатия-растяжения соответствуют двум основным геохронологическим периодам геодинамики.

Первый период — развитие и распространение горизонтов сжатия-растяжения в волновых структурах осадконакопления.

Осадконакопительный цикл, формирующий каждую угленосную серию, содержит отдельный геодинамический период волновой структуры осадконакопления, характерной особенностью периода является формирование волновых форм из угольных пластов в условиях геосинклинального прогиба горизонта осадконакопления на отдельных блоках. В региональных разрезах волновые структуры осадконакопления выражены расщеплением и слиянием горизонтов органических отложений.

Здесь надо отметить, что при оценке осадконакопления отдельных серий авторами не учтены условия окончательного формирования верхних слоев на горизонтальной поверхности, это в какой-то мере затрудняет реальное представление геодинамики волновых структур осадконакопления в геохронологии периодических циклов при формировании угленосности серий.

В процессе осадконакопления мощность угленосной свиты остается постоянной в пределах 120-140 метров. Характерным примером образования современных волновых структур осадконакопления с формированием объемного растяжения-сжатия является геодинамика осадконакопления в границах Усятской угленосной свиты на юго-востоке Кузбасса.

Здесь после отложения пласта VI на горизонтальной поверхности по участкам Урегольский 1-4 и Томусинский 3-4 формируются локальные геосинклинали А1 с временным развитием растяжения и сжатия на нижних горизонтах. Далее вертикально инверсионной цикличностью при заполнении осадками синклинальных прогибов создается горизонтальная поверхность для формирования отложений угольного пласта IV-V.

После осадконакопления пластов IV-V и III вертикально инверсионный цикл геодинамики осадконакопления угленосной свиты на участках А2 и А3 представлен отсутствием вертикального подъема, а сформированный синклинальный прогиб обуславливает современные зоны сжатия-растяжения в нижних горизонтах.

В границах угленосной свиты процессы образования фиксированных синклинальных прогибов происходят за счет дисимметричности цикла в механизме инверсионной вертикальной геодинамики.

В зонах А1-3 по нижним горизонтам горного массива синклинальный прогиб сформирует объем растяжения, за границами влияния зоны А формируется антиклинальный объем сжатия. При формировании волновых структур осадконакопления от верхних границ локально синклинальных прогибов по горному массиву распространяются зоны объемного сжатия-растяжения, способные в раскрытой трещиноватой среде аккумулировать объемы свободных углеводородных газов. Анализ результатов геологоразведочных работ, представленных геологами А.И. Боевым и Э.М. Сендерзоном, свидетельствуют, что в Мрасском и Томь-Усинском районах по нижним стратиграфическим горизонтам наибольшая интенсивность геодинамики волновых структур осадконакопления.

В объеме стратиграфического разреза по бассейну геодинамика волновых структур в границах угленосных серий и свит формируется в период всего процесса осадконакопления, при этом завершающий цикл горизонтального сдвига процессом сжатия перераспределяет в объеме горного массива геодинамический потенциал напряженного состояния зон сжатия и растяжения.

Выводы:

1. Анализ отдельных геодинамических структур по угольному бассейну дает возможность обосновать общую схему формирования зон сжатия-растяжения.

2. Геодинамика зон сжатия-растяжения определяет границы распространения локальных концентраций метановых газов.

3. Уровень метанобезопасности на угольных шахтах и эффективность организации промышленной добычи углеводородных газов зависит от детализации геологических условий с выделением границ сжатия-растяжения.

 

Анатолий Мавренков, заслуженный геолог РФ


СГИ Тимофеева