Оценка газоносности угольных пластов по комплексу геолого-геофизических исследований разведочных скважин Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

і— Коротко об авторах

Федосеев С.М.- научный сотрудник лаборатории обогащения полезных ископаемых Института горного дела Севера им. Н.В. Чер-с кого СО РАН

------Ф

^--------

-------------------------------------- © А.Г. Черников, 2006

УДК 622.371

А.Г. Черников

ОЦЕНКА ГАЗОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПО КОМПЛЕКСУ ГЕОЛОГОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Создание экономически приемлемых и безопасных условий эксплуатации угольных шахт обуславливает необходимость прогнозирования метанообильности угольных пластов. Относительно новым направлением в углеразведке является оценка запасов угольного метана для целей его промышленной добычи. В настоящее время изучение газоносности угольных пластов осуществляется преимущественно с помощью проб, отобранных керногазонаборниками. Фрагментарность выполняемого опробования не обеспечивает необходимую полноту, детальность и достоверность геологического прогнозирования. В связи с этим и была сформулирована задача - получение массовой и достоверной оценки параметров газоносности угольных пластов, в процессе решения которой был разработан и опробован новый способ, использующий комплекс геолого-геофизических исследований метаноугольных скважин.

Для угольных пластов - «нетрадиционных» коллекторов газа, характерны минимальные (на грани точности геофизи-

ческих методов) различия в свойствах углистого вещества и содержащегося в нем в свободном состоянии флюида при низких (менее 5-7 %) значениях пористости. Газ содержащийся в сорбированном состоянии также не оказывает какого-либо влияния на показания геофизических методов. При этом даже незначительные колебания в количестве присутствующих в угле минеральных примесей (зольность), существенно сказываются на показаниях практически всех методов ГИС, делая невозможным прямую оценку газосодержа-ния. В связи с этим, способы определения параметров газоносности, практикуемые в нефтегазовой геофизике, для угольных коллекторов оказываются не эффективными.

Петрофизические особенности углей как коллекторов газа предопределили создание моделей нового типа - литогенетических, динамических моделей. Основой разработанного типа моделей является изоморфное отображение совокупности геологических процессов, сформировавших угольный пласт, через определенные по данным геофизических методов геологические характеристики разреза и формализованные в виде установленной временной последовательности событий, определенных на множестве дискретных состояний.

Основой разработанной методики геолого-

геофизического прогнозирования газоносности угольных пластов является системное представление процессов образования угольного пласта, его последующего преобразования в экстремальных термодинамических условиях и дальнейшего изменения в постинверсионный период.

Уголь, являясь высокопористым природным сорбентом, характеризуется способностью к обратимой (физической) адсорбции, т.е. концентрированию веществ (из общего объёма газовой и жидкой фазы) у своей поверхности. Условия осадконакопления и последующая геологическая обстановка, в которой образовалась угольная залежь, определяют баланс образовавшегося и сохранившегося в угольных пластах метана.

Сорбционные способности углей, также как показатели качества и другие свойства сформировались в результате

воздействия двух групп факторов - первичных (генетических) и вторичных (процессов углефикации) (рис. 1).

К первичным факторам следует отнести следующие: интенсивность тектонических движений, исходный органический материал, условия накопления органической и минеральной массы, обусловленные палеорельефом, гидрогеологической обстановкой и палеоклиматическими условиями, химический характер среды, вещественный состав и гранулометрический состав подстилающих и перекрывающих пород, а также другие факторы. Совокупность этих факторов можно определить как фациальные условия осадконакопления.

К вторичным, относятся постдиагенетические факторы - температура и давление на глубине максимального погружения,

а также геологическое время. [3]. На результаты совместного воздействия этих двух групп факторов накладывается влияние регрессивно-эпигенетических процессов (после-инверсионная тектоника, гидродинамический режим, гео-температурный режим, климатические условия и др.), наиболее ярко проявляющиеся в зонах тектонической нару-шенности и гипергенеза. Таким образом, совместное воздействие перечисленных факторов формирует угольный пласт и его характеристики, выражающиеся через морфологию, петрографический состав, восстановленность, степень метаморфизма, окисленность, нарушенность, качественные показатели, газоносность и физические свойства.

В угольных пластах метан находится, в основном, в сорбированном состоянии в виде абсорбированного метана в твердых углегазовых растворах и в адсорбированном состоянии на поверхности макромалекул и микротрещин, а также в свободном состоянии. Подавляющая часть мета-морфных газов сосредоточена в межмолекулярном пространстве угля. Наибольшей подвижностью обладает газ находящийся в свободном и адсорбированном состояниях.

В распределении газоносности в угольных пластах большое значение имеет их проницаемость. Проницаемость угольных пластов по напластованию существенно выше чем вкрест напластования. Причем, дисперсия зна-

чений проницаемости существенно выше для пластов сложного строения, чем для простых пластов. Таким образом, для пластов простого строения направление оси миграции свободного метана определяется проницаемостью непосредственной кровли. Для пластов сложного строения миграция газа имеет дифференциальный характер, определяемый горизонтальной проницаемостью угольных и вертикальной породных пачек. Горизонтальная составляющая вектора миграции направлена в ненарушенных пластах по их восстанию.

Существенными факторами, влияющим на газосодер-жание является совокупность постинверсионных преобразований МГП. К ним относятся нарушенность и гипергенез. Эти процессы оказывают существенное влияние на перераспределение параметров газового поля в угленосной толще.

Существенной характеристикой рассматриваемой системы уголь - вмещающие породы является её герметичность.

1 Уголь

2 Угл аргиллит

3 Аргиллит

4 Алевролит

К; X | 5 Песчаник

6 Уголь А*<5%

ІШШ 7 Уголь А'[5-Ю)-/.

ІНШІЇ! 8 Уголь АІ10-І5|%

I — ; 9 Уголь А“>|}%

а) индексация лотологических разностей

Рис. 2. Литогенетическая модель угольного пласта используемая для прогноза газоносности

Этот фактор определяет внутрипоровое давление в угольном пласте, тем большее (на равных стадиях углефикации),

чем ниже проницаемость боковых пород. Герметичность системы в основном определяет тип пород покрывающих и подстилающих угольный пласт. Повышенное давление мета-морфогенных газов затрудняет процессы десорбции метана, а также процесс отщепления боковых цепей углеводородных и углеродных сеток с выделением летучих компонентов. Чем выше герметичность системы, при прочих равных условиях, тем выше сорбционная способность угля. Следовательно, система уголь - вмещающие породы предопределяет естественное (доинверсионное) распределение метаноносности угольных пластов.

Таким образом из приведенного краткого анализа факторов природной газоносности можно определить факторную составляющую системы:

[генетические] ^ [прогрессивно—эпигенетические] ^ [регрессивно—эпигенетические] ^ [газоносность];

Исходя из изложенных выше геолого-геофизических предпосылок, разработана литогенетическая модель газоносности углей представляющую собой чередование слоев литотипов, подстилающих угольный пласт и перекрывающих его (рис. 2).

Для ее описания пакетной модели применен математический аппарат нелинейной марковской статистики. [1]. В качестве признаков в ней применяются переходные вероятности литологических последовательностей в группе пластов, вмещающих угольный пласт. Фиг. 5, а, в. Такая группа пластов, несущая информацию о предистории и по-слеистории образования угольного пласта названа «пакетом». Пакетная модель учитывает зольность угля и мощности непосредственной почвы, угольного пласта, непосредственной кровли.

Учет влияния вторичных (метаморфических) факторов в модели осуществляется путем определения на объекте исследования «координатных блоков». Фиг. 5, б.

Практическая процедура расчленения на блоки заключается в следующем: На карту (план) участка наносится прямоугольная координатная сетка произвольного масштаба представляющая собой прямоугольные координаты

Х и У. Координатой Z является глубина залегания. Каждая из координат Х и У делится на несколько) интервалов. Для координаты Z разделение на интервалы осуществляется в соответствие с количеством ступеней метаморфизма. [2]. Таким образом, весь объем разведуемого участка делится на блоки. Их число определяется произведением количества интервалов по каждой из осей координат Ых х Ыу х N2. Определенные на марковской последовательности координаты однозначно обозначают положение изучаемого пласта в пространстве и, следовательно, локализуют область равного метаморфизма. Ранговые значения пространственных составляющих совместно с значениями литологической последовательности и степени нарушенности образуют вектор переходных состояний и ему приписывается значение газоносности (Вп) по данным лабораторных исследований угольных проб.

7 ^ X ^ У ^ 7 ^ Ь1 ^ Ь2 ^ ЬЗ ^ Лё ^ Кн ^ Лё ^ Ь5 ^

^ Ь6 ^ Ь7 (Иъ; Иу; И5) ^ Бг Г

де Z, X, У - индексы координат; 1_1... 1_7 - индексы литотипов в кровле и почве пласта; Дй - индекс зольности; Кн - коэффициент нарушенности; И3; Иу; И5 - значения мощности непосредственной почвы угольного пласта или пачки, изучаемого угольного слоя и непосредственной кровли; Б1, - газоносность.

Генетические факторы выражаются последовательностью литотипов слоев (пакетом), в соответствии с принятой литологической классификацией, а исследуемый слой угля выражается через значение зольности, аналогично тому как они определялись при изучении показателей качества. Через координаты X, У, Z определяется пространственное положение исследуемого слоя — отражающее изменение площадной и вертикальной составляющих метаморфизма. Уровень дискретизации пространственных характеристик определяется размерами литолого-геофизических ступеней и участков [2].

Постинверсионные факторы могут быть выражены через глубину залегания слоя от устья скважины (коррелируемую со степенью преобразований в зоне гипергенеза) и

приведенный относительный диаметр скважины, отражающий степень нарушенности слоев. При изучении пластов залегающих ниже зоны гипергенеза, глубина по скважине в вектор переменных не включается.

Исследуемыми параметрами является природная газоносность и ее компонентный состав. При обучении используются данные по газоносности определенные по результатам исследований проб, полученных с помощью газокер-нонаборников или установленные для региона статистические связи геологических показателей и параметров газоносности.

Решение обратной задачи - определение естественной метаноносности по марковской последовательности признаков осуществляется путем наложения маски, образованной вектором признаков, последовательно на матрицы переходных вероятностей и вероятностной оценки последовательности событий, зафиксированных в векторе. Считая множество Bk полной группой событий, мы рассчитываем для пакета, содержащего изучаемый угольный пласт по набору матриц, относящихся к различным значениям метаноносности, вероятности перехода за t шагов из состояния 1 в состояние t для каждого значения Вк и получаем распределение вероятностей по шкале показателя В. Полученные значения Р(Вк) являются гипотезами. В качестве решения принимается гипотеза с максимальным значением вероятности: В = max Р ( Вк ).

Опробование технологии прогноза газоносности угольных пластов производилось на материалах участков: Первомайский, Свидовский (Донбасс), Киргайский, Сигнал, Тал-динский (Кузбасс) и др. Полученные по основным параметрам газоносности погрешности не превышают пределов, установленных требованиями угольной промышленности.

------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вистелиус А.Б. Основы математической геологии. - Л.: Наука,

1980.

2. Гречухин В.В. Петрофизика угленосных формаций. - М.: Недра, 1990, 360 с.

3. Черников А.Г. Роль геохронологического фактора в термобарической модели преобразования углей. В сб. IX Всесоюзного угольного совещания, Ростов-на-Дону, 1991 г. кн.1, с. 205-207.

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

Черников Александр Георгиевич - кандидат геолого-минерало-гических наук, заведующий сектором, ОАО «ПРОМГАЗ».

------Ф

^--------

----------------------------- © Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова,

2006

УДК 622.86

Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МЕТАНООБРАЗОВАНИЯ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ*

Решение проблем интенсификации газоотдачи угольных пластов при промышленном извлечении угольно-