Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Выделение зон с повышенной газоотдачей угольных пластов на основе многоволновой сейсморазведки и ГИС

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Выделение зон с повышенной газоотдачей угольных пластов на основе многоволновой сейсморазведки и ГИС"

На правах рукописи

ПОГОСЯН АРСЕН ГАГИКОВИЧ

ВЫДЕЛЕНИЕ ЗОН С ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООТДАЧЕЙ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ И ГИС

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МДР 20:2

Краснодар-2012

005013537

Работа выполнена в ОАО «Газпром промгаз» в отделе разработки геофизических технологий и исследования трудноизвлекаемых ресурсов углеводородов в г. Краснодаре

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карасевич Александр Мирославович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кострыгин Юрий Петрович

кандидат технических наук Мосякии Александр Юрьевич

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО Южный федеральный университет

Защита диссертации состоится 6 апреля 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.101.09 по геофизике, геофизическим методам поисков полезных ископаемых Кубанского государственного университета по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 105.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Кубанского государственного университета

Факс (861)219-96-34 E-mail: geoDhvsic@fpm.kubsu.ru

Автореферат разослан «j/ » марта 2012 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Специалисты углегазового промысла рассматривают угольные пласты как нетрадиционные газовые коллекторы, имеющие существенные отличия физических свойств от традиционных газовых коллекторов. Низкая эффективность геологоразведочных работ, высокий процент низкодебитных и "сухих" эксплуатационных скважин, отсутствие надежных критериев оценки извлекаемых запасов, характерны для метаноугольных месторождений с нетрадиционными коллекторами. Учитывая специфику технологии добычи метана из угольных пластов при промысловом освоении метаноугольных месторождений, важное значение приобретает задача выявления локальных зон повышенной природной газопроницаемости углей. Кроме того, в нетрадиционных условиях метаноугольной среды необходимо обоснование дополнительных диагностически значимых критериев, характеризующих фильтрационные свойства метаноугольного коллектора и влияющих на формирование благоприятных зон повышенной газоотдачи (фильтрационной способности).

Актуальность тематики диссертационной работы определяется постоянной практической потребностью в геолого-геофизических данных о локальных зонах повышенной газоотдачи на осваиваемых углегазовым промыслом площадях в Кузбассе, а также повышенными геологическими рисками при бурении опытно-промышленных и эксплуатационных скважин. Задачи, решаемые в данной диссертационной работе, являются частью общей проблемы - организации промысловой «бесшахтной» добычи метана угольных пластов.

Целью диссертационной работы является разработка геолого-геофизических критериев выделения зон с повышенной газоотдачей угольных пластов на базе применения многоволновой сейсморазведки и ГИС при освоении метаноугольных месторождений. Это обеспечивает надежное проектирование кустов опытно-промышленных и эксплуатационных скважин для добычи метана из угольных пластов, а также группирование угольных пластов по степени их перспективности в разрезе скважины.

Основная идея работы заключается в использовании упруго-деформационных модулей (УДМ) углей в сочетании с условиями внешней нагрузки на угольный пласт, обусловленной горно-динамической обстановкой, а также дополнительных нелинейных сейсмических признаков, отражающих флюидодинамические и геодинамические эффекты в метаноугольной среде, обеспечивающих повышение достоверности прогноза благоприятных зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

Объест и предмет исследовании

Объект: Пермские отложения (верхний отдел, ерунаковская подсерия) южной части Кузбасского угольного бассейна, Талдинская брахисинклиналь.

Предмет: Физические свойства угольных пластов и вмещающих угли терриген-иых горных пород, особенности физико-механических и коллекторских свойств угольных пластов и способы их прогноза, взаимосвязи показателей качества углей и коллекторских свойств, эмиссионная активность системы уголь-метан-зона трещино-ватости, горно-динамические условия района исследований.

Основные задачи исследований:

1. Оценка состояния вопроса по изучению метаноугольного разреза при создании углегазового промысла на геологоразведочном этапе освоения метана угольных пластов;

2. Исследование особенностей сырьевой базы метана угольных пластов и выработка современных критериев оценки перспективности объектов промысловой добычи метана. Исследование факторов, влияющих на природную газопроницаемость углей и формирующих благоприятные зоны повышенной проницаемости;

3. Разработка геолого-геофизических критериев оценки фильтрационных свойств угольных пластов, включающая:

- анализ физико-механических свойств углей и их взаимосвязи с показателями качества и газопроницаемости угольных пластов;

- оценку влияния горно-динамических условий на формирование свойств газопроницаемости угольных пластов с учетом результатов пробной добычи метана на площади Таллинская;

- выделение перспективных интервалов и классификация угольных пластов по степени перспективности на основе анализа упруго-деформационных, поглощающих и радиоактивных свойств угольных пластов.

4. Проведение специальных многоволновых сейсмических наблюдений во внутренних точках среды ПМ ВСП, специализированная обработка многоволновых данных ВСП с привлечением упруго-деформационных атрибутов волнового поля с целью прогноза благоприятных зон для добычи метана;

5. Разработка технологии выявления флюидодинамических и геодинамических эффектов в метаноуголыюй среде на основе изучения эмиссионной активности геосреды, экспериментальное опробование предлагаемой технологии специализированной обработки сейсмической информации.

Исходными данными для изучения физических свойств метаноугольной среды в сложных сейсмогеологических условиях Кузбасса, явились результаты опытно-методических исследований, проведенных по технологии многоволновой скважинной сейсморазведки (ПМ ВСП) на экспериментальном полигоне ОАО «Газпром промгаз» в Кузбассе, материалы ГИС 9 скважин, результаты лабораторных исследований вещества углей и вмещающих пород скв. Ум 5.2, 5.1 (323 образца), результаты техногенных испытаний (гидроразрыва) и опытной добычи метана на площадке Ум 5 (8 скважин).

Методы исследования:

- комплекс скважшшых исследований ГИС (АКШ, ГК, ГГК), многоволновая скважшшая сейсморазведка (ПМ ВСП), лабораторные исследования физико-механических и коллекторских свойств образцов керна углей;

- анализ и обобщение фактических сведений о физических и коллекторских свойствах углей по геолого-геофизическим и лабораторным данным;

- при обработке экспериментальных данных применялись методы поляризаци-ошю-позиционного анализа волновых полей (ППК), спектрально-корреляционного и вейвлет анализа данных, а также алгоритмы адаптивной фильтрации в окне «живой формы».

Научная новнзна работы

В процессе проведения исследований получены результаты, обладающие научной новизной:

1. Определены диапазоны изменения УДМ углей и вмещающих горных пород на Таллинской площади Кузбасса, обоснована эффективность изучения геофизическими методами УДМ для оценки качества углей - зольности и влажности.

2. Установлена взаимосвязь между упруго-деформационными модулями, горнодинамическими условиями и показаниями газоотдачи угольных пластов на Таллинской площади Кузбасса.

3. Предложена технология специализированной спектрально-энергетической обработки сейсмического волнового поля, позволяющая выявлять локальные флюидо- и геодинамические эффекты в метаноугольной среде на основе ее эмиссионной активности.

Практическая значимость

Практическая значимость проведенных исследований определяется целесообразностью и возможностью эффективного применения информации об упруго-деформационных модулях и геодинамических критериев (эмиссия, горное давление, рельеф) для выделения зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

В результате исследования предложен рациональный комплекс обработки и объектно-ориентированной интерпретации геолого-геофизических данных на основе многоволновой скважинной сейсморазведки и ГИС в условиях метаноугольного разреза. Этот комплекс рекомендован для применения на всех этапах геологоразведочного процесса при освоении метаноугольных месторождений.

Результаты проведенных исследований использованы ОАО «Газпром промгаз» при разработке рекомендаций по обработке и интерпретации данных сейсморазведки на метаноугольных месторождениях. Результаты работы внедрены в производственную практику многоволновых сейсморазведочных работ в ОАО «Газпром промгаз».

Защищаемые положения

1. Предложенный комплекс диагностически значимых поисковых критериев, включающий физико-механические свойства (модули Юнга и сдвига, коэффициент сжимаемости), горное давление и их связи с фильтрационными свойствами угольных пластов, обеспечивающий повышение достоверности прогноза при локализации зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

2. Разработанная технология изучения эмиссионной активности, включающая в себя разложение сейсмического волнового поля на базе адаптивных алгоритмов энергетической фильтрации, оценку геодинамического шума и «вейвлет» анализ зарегистрированного во внутренних точках среды волнового поля, позволяющая выявлять локальные флювдоданамические и геодинамические эффекты в метаноугольной среде.

3. Методика обработки многоволновой скважинной сейсморазведки ПМ ВСП в условиях метаноуголыюго разреза, обеспечивающая прогноз диагностически значимых упруго-деформационных параметров при изучении строения угольных пластов.

Публикации и личный вклад автора

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных лично автором, или при его непосредственном участии. Личный вклад автора заключается:

-в установлении закономерностей изменения ФМС угольных пластов, отражающих физические свойства углей;

-в установлении физико-геологических факторов, в наибольшей степени влияющих на газоотдачу угольных пластов;

- в определении подходов к оценке по данным ПМ ВСП и ГИС благоприятных зон для добычи метана в пределах месторождения Таллинская;

- в физическом обосновании и разработке технологии выявления флюидодина-мических и геодинамических эффектов в метаноугольной среде на основе методики низкочастотной резонансной эмиссии (НРСЭ);

- в экспериментальной апробации предлагаемых подходов выявления благоприятных зон для добычи метана и технологии выделения эмиссионной активности метаноугольной среды.

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, три из которых опубликованы в рекомендованных ВАК РФ журналах.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- достаточным объемом экспериментального материала: исследовано 9 углегазо-вых эксплуатационных скважин на Таллинской площади Кузбасса;

-положительными результатами экспериментального опробования предлагаемой технологии выявления газодинамических и геодинамических процессов в мета-

ноугольной среде на основе методики НРСЭ на материалах ВСП, проведенного до и после гидроразрыва угольных пластов;

- положительными результатами опробования технологии ПМ ВСП в условиях метаноуголыюго разреза с целью оценки ФМС в околскважинном пространстве;

-высокой степенью сходимости результатов корреляции независимо полученных данных, характеризующих физическое состояние и условия внешней нагрузки на угольный пласт.

Реализация н апробация работы

Реализация и апробация работы осуществлялись в процессе проводимых исследований, разработанные способы интерпретации опробовались на экспериментальных материалах. Основные положения и результаты работы докладывались на заседании секции Ученого Совета ОАО "Газпром промгаз" «Региональная нефтегазодобыча, разработка метаноугольных месторождений, информационно-аналитические системы» г. Москва, 2011 г. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях: IX Международная научно-практическая конференция «Геомодель», Геленджик, 2007; X Международная научно-практическая конференция «Геомодель», Геленджик, 2008; 4 Международная геолого-геофизическая конференция и выставка «Санкт-Петербург - 2010, К новым открытиям через интеграцию геонаук»; IX ежегодная международная конференция и выставка по теме ВСП: трехмерная сейсморазведка, и сейсмология, «Гальперинские чтения, 2009»; 34 сессия международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» г. Ухта, 2007; IGRC 2011-Международная конференция по исследованиям в газовой отрасли Международного газового союза IGU., г. Сеул 2011.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения и содержит 141 страницу машинописного текста, 37 рисунков, 8 таблиц. Список литературы включает 81 наименований.

Область применения результатов

В инвестиционных проектах по добыче метана из угольных пластов на этапах геологоразведочных работ и работ по подготовке к промысловому освоению метана угольных пластов, а также при выборе мест заложения эксплуатационных скважин по добыче метана из угольных пластов.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научное руководство и помощь на всех этапах выполнения работы научному руководителю, д.т.н., профессору A.M. Карасевичу, а также к.ф.-м.н. Н.М. Сторонскому и заведующему отделом РГТ ОАО «Газпром промгаз» к. г.м.н. Д.П. Земцовой. Особая благодарность

д.ф.м.н., профессору A.A. Никитину, д.т.н., профессору В.И. Гуленко, д.т.н. профессору, С.И. Дембицкому за помощь и моральную поддержку в ходе подготовки диссертации.

Автор благодарен заведующему аспирантурой ОАО «Газпром промгаз» Е.В. Дьяченко, ученому секретарю ОАО «Газпром промгаз» д.т.н., профессору О.Ю. Елагиной за методическое и организационное содействие при подготовке диссертационной работы, а также своим коллегам - специалистам ОАО «Газпром промгаз»: С.Д. Бовкуну, А.Н. Долинину, к.г.м.н. Н.П. Шкирман, А.Г. Шаркову, A.J1. Пугач за содействие при выполнении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, определены цели и задачи работы, рассмотрены научная новизна и практическая ценность исследований, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИЗУЧЕНИЮ МЕТАНО-УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА ПРИ СОЗДАНИИ УГЛЕГАЗОВОГО ПРОМЫСЛА

В этой главе сформулированы основные сведения о состоянии вопроса изучения метаноугольного разреза при создании углегазового промысла в условиях Кузбасса, необходимые для определения направлений дальнейшего исследования.

В первом параграфе приведены основные геологические задачи, решаемые на этапе геологоразведочного изучения метаноугольных месторождений; рассмотрены применяемые геофизические методы при решении этих задач, а также особенности промысловой добычи метана из угольных пластов.

В решение обозначенной проблемы изучения физических свойств метаноугольного разреза значительный вклад внесли российские и зарубежные ученые - А.Т. Ай-руни, A.B. Анциферов, М.И Большинский, М.В. Голицын, В.А. Гончаренко, В.В. Гре-чухин, В.Ю. Зайченко, Ю.Н. Малышев, Н.И. Мишин, A.A. Памфилов, A.A. Скочин-ский, A.A. Тихомиров, К.Н.Трубецкой, В.Т. Хрюкин, В.В. Ходот (США), И.Л. Эттин-гер и ряд других исследователей.

Главные результаты пути, пройденного в Кузбассе исследователями геологами и геофизиками угольных месторождений, является создание информационной базы о газоносности метаноугольных месторождений и исследование особенностей сырьевой базы промысловой добычи метана. Проведенными исследованиями методами электронной микроскопии показано, что в отличие от преобладающей «свободной» формы нахождения природного газа в традиционных трещинно-поровых коллекторах, метан в угольном коллекторе находится на 80-90% в связанном, сорбированном состоянии, создавая, по мнению многих авторов (А.Т. Айруни, Ю.Н. Малышев) -твердый углегазовый раствор (ТУГР). Особая форма физического состояния системы флюид-коллектор требует дополнительных исследований факторов влияющих на

природные фильтрационные свойства угольных пластов-коллекторов. Так исследователями Ю.Н. Малышевым и А.Т. Айруни показано, что газопроницаемость углей зависит в основном от физико-механических свойств и находится в обратной зависимости от внешней нагрузки на пласт. В лабораторных условиях установлено (Ю.Н. Малышев, 2001), что межмицеллярные поры и щелевидные расширения, формирующие фильтрационный объем пор существенно сужаются под воздействием внешнего горного давления. Исследования М.И. Болышшского (2003 г.) влияния разгрузки углепо-родного массива на показания газовыделений установили, что после разгрузки массива горных пород (разгрузочными щелями) скорость газовыделения из него резко возрастает. Однако эти исследования факторов, влияющих на природные фильтрационные свойства углей, проведены в шахтах - вблизи горных выработок, где существенно нарушена естественная горная динамика и в лабораторных условиях.

В разработку теоретических и экспериментальных основ по обоснованию возможности реализации широкомасштабной добычи метана из угольных пластов «бесшахтным» углегазовым промыслом в условиях Кузбасса значительный вклад внесли российские ученые: A.M. Карасевич, Н.М. Сторонский, В.Н. Васюков. Ими показано, что отсутствие надежных критериев прогноза природной газопроницаемости углей, как основы для проектирования заложения кустов скважин, повышают геологические риски при принятии решений на этапе эксплуатационного бурения скважин и являются ограничивающими факторами развития углегазовой отрасли.

Предложена методическая база их изучения и расширены геолого-геофизические критерии оценки газопроницаемости угольных пластов на базе современных технологий обработки геофизической информации.

Во втором параграфе приведены основные группы критериев - геологических, геолого-промысловых, технологических служащих основой при оценке промышленной значимости ресурсов метана угольных пластов для самостоятельной коммерческой добычи «бесшахтной» добычи. Дана критическая оценка значимости критериев с учетом имеющихся результатов опытно-промышленных испытаний на Таллинской площади Кузбасса.

В третьем параграфе рассмотрены характерные особенности физических свойств коллектора - угольного пласта. Приведены качественные взаимосвязи газопроницаемости и физических свойств углей, дан обзор существующих на практике способов оценки фильтрационных свойств угольных пластов. Показано, что все они характеризуют фильтрационные свойства в области влияния горной выработки, и поэтому неустойчивы при прогнозе фильтрационных свойств в условиях естественного залегания угольных пластов на удалении от скважин.

В первой главе показано, что в настоящее время природная газопроницаемость угольных пластов за пределами влияния горных работ и дегазационных скважин

практически не изучена, не установлены факторы, влияющие на природную газопроницаемость углей в их естественных условиях залегания.

Глава 2. ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

В данной главе соискателем исследуются факторы, влияющие на природную газопроницаемость угольных пластов с учетом результатов пробной опытно-промышленной «бесшахтной» добычи метана на юге Таллинской площади Кузбасса (площадка Ум 5). Обосновываются диагностически значимые критерии выявления благоприятных зон для мест заложения эксплуатационных скважин на основе анализа широкого набора УДМ, радиоактивных, поглощающих, горно-динамических характеристик среды. Исследования проведены для совокупности угольных пластов девяти углеме-тановых скважин и с учетом результатов техногенных испытаний (гидроразрыва) пластов и добычи метана в восьми скважинах.

Первый параграф посвящен изучению УДМ угольных пластов по данным ГИС и лабораторным исследованиям кернового материала. На первом этапе, используя данные лабораторных исследований и ГИС, исследуются петрофизические и физико-механические свойства угольных пластов и вмещающих отложений в разрезе скв. УМ 5.2 пл. Таллинская с целью оценки диапазона изменения физических свойств и выявления диагностической значимости упруго-деформационных параметров углей на площади Таллинская.

Эти исследования позволили установить характер взаимосвязи между упругими модулями среды и литологией пород, слагающих метаноугольный разрез. Показано, что коэффициент сжимаемости р углей характеризуется в целом высокими значениями на фоне плотных песчаников и алевролитов, принимающих низкие значения 3-10 10"2 кПа'1. По значениям р угли достаточно уверенно локализуются в разрезе на фоне вмещающих пород, и, что особенно важно, обеспечивается разделение углей но степени их зольности (рис.1).

Дополнительная информация, подтверждающая чувствительность параметра сжимаемости к величине зольности угольных пластов, получена на основе интерпретации данных ГИС. Так, на графиках, отображающих зависимость упруго-деформационных модулей Е, С, р от величины зольности А, определяемой по данным ГИС, отмечается закономерность изменения коэффициента сжимаемости при увеличении или уменьшении зольности углей, при этом одним и тем же значениям модулей Юнга и сдвига соответствуют угли с широким диапазоном значений их зольности (рис. 2). Отметим, что количественные критерии перспективности и промыслового значения извлечения метана из угольных пластов по данным оценки модулей сжимаемости (зольности), а также по петрографическому составу углей (содер-

'га

-О

8 20 2

¡15 " 10 5

0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Рис. 1. Зависимости сжимаемости \> от скоростей упругих волн Ур, У*

Угольные пласты уверенно локализуются как по степени зольности, так и на фоне вмещающих пород разреза ф уголь в уголь зольный о песчаник « алевролит крупнозернистый « алевролит мелкозернистый

- * в— » „ Я"

/ / V,. ч \

\ V. ч . * N о в •

• * . а • . ;Ч •

скв. 5.2. • • скорорти \7р, Ув (м/с)

жанию витринита) в углях на сегодняшний день отсутствуют. В настоящее время можно только предполагать, что, чем больше сжимаемость, а, следовательно, и выше содержание витринита (растительный компонент ископаемых углей) и ниже зольность, тем выше фильтрационный потенциал угольных пластов.

Исследователи В.Н. Ревва, Н.В. Недодаев изучили в лабораторных условиях изменения физико-механических свойств горных пород и углей при увлажнении их шахтной водой. По их данным установлено, что 3% влагонасыщение углей и горных пород приводит к существенному изменению их физико-механических свойств, снижаются упругие и прочностные свойства: модуль сдвига й - в 1,35 раза; модуль упругости Е - в 1,30 раза. Такие изменения значений упруго-деформационных параметров могут быть зафиксированы на базе многоволновых сейсмических наблюдений.

Установлено влияние общей влагонасыщенносги на деформационные характеристики углей, определенных по данным ГИС, так, упругие модули Е, й угольных пластов уменьшаются с увеличением влажности, причем наибольший диапазон их изменения в зависимости от влажности наблюдается по коэффициенту сжимаемости (рис. 2 в, г).

Таким образом, унруго-деформационные свойства угольных пластов определяются в основном коэффициентом сжимаемости и отображают изменение показателей качества угольных пластов (зольности и влажности) в разрезе скважины Ум 5.2.

С целью оценки изменения физических свойств угольных пластов по площади рассчитаны и проанализированы УДМ по данным ГИС в девяти скважинах эксплуатационного бурения, в пределах юго-восточного крыла Талдинской синклинали. Полученные данные распределения физических свойств сопоставлены с дебитами скважин (рис. 3). Отметим, что все значения УДМ угольных пластов рассчитаны с учетом

Рис. 2. Влияние зольности на: коэффициент сжимаемости |1 (а); модули Юнга Е и сдвига в (б); влияние влажности на: коэффициент сжимаемости р (в); на модули Юнга Е и сдвига в (г)

их строения, т. е. с выделением в интервале залегания угольного пласта наиболее однородных угольных пачек (не включающих внутрипластовые углистые прослои).

Установлено, что одни и те же значения модулей Юнга и сдвига свойственны угольным пластам как с высокими, так и с низкими дебитами, при этом коэффициент сжимаемости для высокодебитных угольных пластов принимает относительно низкие значения (0.1-0.2 ГПа"1) (рис. 3, в). Данное обстоятельство позволило сделать вывод о более сложной многофакторной взаимосвязи газопроницаемости углей с физическим состоянием среды, учитывающей не только «внутренние» свойства углей (УДМ, показатели качества), но и «внешние» шрно-динамические факторы, рассматриваемые в третьем параграфе главы.

Во втором параграфе, с целью прогноза интервалов возможной газоносности углей, на основании диагностической значимости коэффициента сжимаемости р и параметров, отражающих зольность углей - естественной радиоактивности ГК, а также амплитудных характеристик продольных и поперечных волн, отражающих поглощающие свойства разреза в скв. Ум 5.5, по данным ГИС построены зависимости вышеприведенных параметров меганоугольного разреза (рис. 4).

Установлено, что прогнозируемые интервалы, сопоставленные с показаниями газосодержания по данным газового каротажа, характеризуются высокой подтвер-ждаемостыо. Однако при этом остается открытым вопрос о факторах, влияющих на изменение природной газопроницаемости угольных пластов по площади формирующих газоотдачу, что ограничивает прогноз потенциала газоотдачи угольных пластов на основе лишь вышеприведенных «внутренних» физических критериев.

66 б/н 65 64 63 62 6160/5958 57 56 55?54 б/н52а52 51 50 48 45 44 43

б)

! | Ш СКВ. о СКВ. жш скв. и скв. шш СКВ. ШМ СКВ. и СКВ. о СКВ. 2

с 4

\

10

• г ш

Ж с \ \\\ / ¿' М/І4 ! 1

\ І - ИТх

1—

Т і 1 1_ N5 У- пл.

66 б/н 65 64 63 62 6160/5958 57 56 55754 б/н 52а52 51 50 48 45 44 43

Т~~Р I I Н—г

66 б/н 65 64 63 62 6160/5958 57 5655754 б/н 52а 52 51 50 48 45 44 Рис. 3. Распределение упруго-деформационных модулей Е, С, р угольных пластов

Таким образом, помимо внутренних причин - присутствия трещин, формирующих транспортные каналы для метана, на фильтрационную способность угольного коллектора существенное влияние оказывают условия «внешней» нагрузки на пласт.

Рис. 4. Выделение потенциально газонасыщенных интервалов в разрезе скважины с учетом естественной радиоактивности но зависимости: плотности I

от сжимаемости р (а); сжимаемости р от амплитуды Р-волны (б) 1

Третий параграф посвящен изучению горно-динамических условий на площади Таллинская при оценке их влияния на показатели добычи эксплуатируемых скважин. С целью выявления взаимосвязи между распределением горного давления и по- I казаниями дебитов для совокупности скважин, приведены результаты оценки распределения горного давления в точках их бурения. Приведены расчеты вертикальной и горизонтальной составляющей горного давления, которые называют, соответственно, ( геостатическим давлением и боковым давлением. Вертикальная компонента горного давления (геостатическое давление) рассчитана но величине средней плотности вышележащих горных пород, а горизонтальная компонента (боковое давление) пропор- | циональна геостатическому давлению упругой модели горной породьг.

3 _ Риик

я-— (1)

г верт

Величина коэффициента пропорциональности А. показывает, какая часть вертикальной нагрузки передается через породу в сторону (А.Н. Попов, 2005). Численно этот коэффициент равен отношению бокового давления породы к вызвавшей его вертикальной нагрузке (геостатическому давлению). Коэффициент пропорциональности

- боковой распор, рассчитывается по формуле Дннника, учитывающей значение коэффициента Пуассона ст:

По расчетным значениям геостатического давления установлено, что скважины Ум 5.2, Ум 5.4, характеризующиеся высокими показаниями дебигов (рис. 5 а), пробурены в условиях аномально пониженных величин вертикальной компоненты горного давления и повышенных значений бокового распора (рис. 5 б, 6).

Рис. 5. Распределение дебита газа (а); геостатического давлении (б); в экспериментальных скважинах эксплуатационного бурения на Таллинской площади

Скважины высокого дебита

Скважины с низким дебитом

Рис. 6. Распределение коэффициента бокового распора угольных пластов

Данное обстоятельство позволило сделать вывод о том, что высокодебитные скважины сосредоточены в горно-динамических условиях, благоприятных для формирования и существования трещин, служащих фильтрационными каналами.

Выводы из анализа горно-динамических условий подтверждаются результатами оценки напряжений по данным гидроразрыва, при этом величина минимального сжимающего напряжения оценивается по давлению, при котором начинается образование трещины. Таким образом, показано, что распределение УДМ угольных пластов в комплексе с характером проявления горного давления являются главными физико-геологическими критериями, формирующими зоны повышенной газоотдачи.

Высокие дебиты и наличие локальных высокодебитных зон, обусловленных повышенной природной газопроницаемостью угольных пластов, следует ожидать на участках с наименьшим возрастанием внешней нагрузки на угольный пласт и с развитой системой открытой эндо - и экзогенной трещиноватости. На результатах исследований данной главы основано первое защищаемое положение.

Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГНОЗА БЛАГОПРИЯТНЫХ ЗОН ДЛЯ ДОБЫЧИ МЕТАНА НА ОСНОВЕ МНОГОВОЛНОВОЙ СКВАЖИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

В этой главе приведено описание результатов применения методики ПМ ВСП с целью изучения строения и физических свойств угольных пластов. Приводятся результаты экспериментального опробования предлагаемой технологии изучения эмиссионной активности метаноугольной среды, а также дано физическое обоснование интерпретации наблюдаемых эмиссионных эффектов в метаноугольной среде до и после проведения гидроразрыва.

В первом параграфе показано, что проведение скважинных многоволновых исследований ПМ ВСП, с использованием современных технических средств регистрации многокомпонентного волнового поля во внутренних точках среды впервые в условиях метаноугольного разреза Кузбасса позволило выделять и прослеживать отражения от угольных пластов в околскважинном пространстве, и, что особенно важно, получить качественно новую информацию о продольных и поперечных волнах.

В первой части раздела приведены основные результаты стандартного графа обработки данных ПМ ВСП с применением принципов поляризационно-позиционной (ППК) и полярной (ПК) корреляции многоволнового поля. Показано что, стандартная обработка многоволновых наблюдений ВСП обеспечила выделение в волновом поле отраженных волн продольной и обменной природы, а также изучение строения угольных пластов в околскважинном пространстве (рис. 7).

Продольные отраженные РР-волны связаны практически со всеми границами изучаемого разреза. Наиболее интенсивные и динамически выраженные монотипные отражения наблюдаются на глубинах залегания относительно мощных угольных пластов № 68,67,66,62,60-59,52а,51,50; частотный состав отражений 25-70 Гц (рис. 7 а).

На составляющих ВП, поляризационно оптимально ориентированных для регистрации поперечной составляющей, выделены отражения обменных Р8 волн; частотный состав 20-60 Гц (рис. 7 б). Следует отмстить, что ранее проведеннымн работами ВСП и МОВ ОГТ оставался нерешенным вопрос о возможности регистрации продольных и поперечных волн, отраженных от угольных пластов в сложных сейсмогсологических условиях Кузбасса.

На основе сведений о скоростях распространения продольных и поперечных волн построены глубинные разрезы продольных РР- и объемных Рв-волн, которые служили базой для корреляции целевых угольных пластов и построения структурной модели околоскважинного пространства по поверхности ассоциаций целевых угольных пластов см. рис. 7, а, б.

Информация о волнах продольной и поперечной природы послужила базой для последующей специализированной обработки, включающей расчет диагностически значимых упруго-деформационных модулей угольных пластов с целью прогноза благоприятных зон повышенной газоотдачи в околскважинном пространстве.

При этом проведенный анализ данных лабораторных исследований и ГИС физико-механических свойств от физических свойств угольных пластов и петрофизиче-ского состава, слагающих метаноугольный разрез горных пород, послужил обоснованием для интерпретации полученных значений УДМ ВСП.

Результаты расчетов приведены во второй части первого параграфа главы.

Упругие характеристики разреза, полученные в околоскважшшом пространстве по данным ВСП, хорошо коррелируются с данными, полученными на основе широкополосного акустического каротажа (рис. 8). Наилучшая сходимость расчетных параметров по данным ВСП и данных ГИС наблюдается по параметру модуля всестороннего сжатия К - обратной величины сжимаемости (рис. 8, б).

По данным ВСП на удалениях от скважины установлено наименьшее значение модуля всестороннего сжатия К целевого угольного пласта № 60-59 (рис. 8 в), характеризующее повышенную сжимаемость среды р. Отмеченное распределение коэффициента сжимаемости р по площади позволило прогнозировать возможное развитие повышенных фильтрационных свойств по ассоциациям пачек угольных пластов № 60-59 в северо-западном секторе.

Полученные результаты показывают принципиальную возможность количественной оценки УДМ угольных пластов по методике многоволновых наблюдений ПМ ВСП в условиях Таллинской площади Кузбасса.

Таким образом, одним из возможных методических приемов количественной оценки упруго-деформационных параметров метаноугольного разреза, дополняющим лабораторные исследования ФМС и во многом свободным от недостатков лабораторных исследований, является методика скважинных сейсмических наблюдений в многоволновой модификации ПМ ВСП.

Прослеживание целевых угольных пластов в околоскважинном пространстве

Рис. 7. Волновые поля и глубинные разрезы продольных отраженных волн РРТ (а); обменных отраженных волн РвТ (б)

скв. 5.2

СЗ ПВ2

ПВ(. ЮВ

Во втором параграфе дано описание предложенного автором способа практического выявления зон микроструктурной неоднородности и флюидодинамической активности в метаноугольной среде на основе технологии изучения эмиссионной активности НРСЭ. Технология НРСЭ является более эффективной в практическом применении, чем все существующие, и впервые применена в условиях метаноугольной среды.

Надежной основой для проведения исследований подобных эффектов в сейсмическом волновом поле в сложных сейсмогеологических условиях Кузбасса послужили данные скважинных сейсмических наблюдений ВСП.

скорость \'"р (м/с)

2800

ПВ2 •

модуль объемного сжатия К (ГПа>

ПВ7

[ значения параметра | * | скважина Ум 5.2 | • | пункт возбуждения ВСЛ

Рис. 8. Скоростная модель ВСП околоскважинного пространства (а); сопоставление упруго-деформационных параметров разреза, полученных но данным ГИС и ВСП (б); распределение упругих параметров в околскважинном пространстве но целевому угольному пласту № 60-59 (в)

Автором высказано предположение, что в условиях метаноугольной среды при акустическом и механическом внешнем воздействии (инжекции упругой волновой

энергии, гидроразрыва) на систему уголь-меган-зона трещиноватости происходящие в ней флгоидодинамические процессы, которые обычно носят равномерный характер, и в равновесном состоянии имеют относительно низкую скорость миграции (по системе трещин) газов, активизируются и в конечном итоге приобретают лавинообразный характер. При этом наблюдается сейсмическая эмиссия в области геодинамического шума, постоянно существующего в геосреде.

Для обоснования приведенных выводов опробована специализированная обработка по технологии НРСЭ (Д.П. Земцова, A.A. Никитин) экспериментальных исследований волнового поля ВСП, зарегистрированного до и после гидродинамического воздействия на угольные пласты, обеспечивающего интенсификацию адсорбированного метана из угольных пластов и повышению газоотдачи (рис. 9). Во второй части параграфа изложены основные процедуры предлагаемой технологии НРСЭ и результаты ее применения.

Рис. 9. Выделение зон техногенного воздействия на угольные пласты но данным ВСП, выполненного до и после гидроразрыва

Результаты опробования показали достаточную простоту применения технологии и обоснованность предлагаемой интерпретационной модели наблюдаемой эмиссионной активности. Показано, что интенсивные флюидодинамические процессы в меганоугольной среде, возникающие за счет изменения макроструктуры системы трещиноватости под влиянием техногенного воздействия, сопровождаются повышенным фоном сейсмической эмиссии, характер проявления которой может быть выявлен на основе спектрально-энергетического анализа (вейвлет анализа) геодинамического шума.

До гидроразрыва пластов После гидроразрыва пластов

График энергии геодинамического шума наблюдаются две области повышенной наблюдается ступенчатое понижение энер-

А.усл. од. энергии шума , гии с удалением от скважины О©©

А.усл. ед.

6.ÜI-. 06 -

50 100 150 200 250 Х,м

-выделяются участки, характеризующиеся

резонансной низкочастотной эмиссией, связанные с повышенной трещиноватостью

График частоты геодинамического шума отмечается плавное понижение частоты сигнала

появляются участки локального Р.,Гц понижения частот © ©

100 150 200 250 300 Х,м

Резонансная эмиссия отсутствует

Результаты опробования показали достаточную простоту применения способов и обоснованность предлагаемой интерпретационной модели наблюдаемой эмиссионной активности. Показано, что интенсивные флюидодинамические процессы в метано-угольной среде, возникающие за счет изменения макроструктуры системы трещино-ватости под влиянием техногенного воздействия, сопровождаются повышенным фоном сейсмической эмиссии, характер которой может быть выявлен на основе спектрально-энергетического анализа (вейвлет анализа) геодинамического шума.

Отклик сейсмической эмиссии на внешнее упругое воздействие может вскрывать фундаментальные свойства тонкой структуры флюидодинамических процессов, происходящих внутри системы уголь-метан-трещиноватость. Применение описанного выше способа оценки эмиссионной активности по сети профилей (при наличии протяженных профилей ВСП) обеспечит построение карты аномалий низкочастотной резонансной эмиссии и картирование по этим аномалиям зон флюидодинамической активности.

ЛНРНОРНЛИ ФГМ СТРОЕНИЯ

МЕТЛНОУ10.1ЬН010 РЛЗРЕЗЛ

♦ -

многокомпонентны*: СКВАЖИННЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ИЛЬ. ПОДЫШИ ИМ ЦСН. Данные I Н(*

--1

Опенка качества нолевых материалов |

СТАНДАРТНЫЙ ГРАФ ОБРАБОТКИ .МНОГОВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ

тА . -

Рисчег <риКСНрОИШ1Ш.1Х ком- Оценка и ли следящих 11ос|росннс скорое! нон Построение рифе 10В

помин 1 ВО.ШОВОЮ ноли II 1'. * волн модели 1' и N наш ВСП НР, 1\Ч волн

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

деформационных модулей Машинная филмрацнм, разложение волновою Оценка 1 еодннимнческо! о

| ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ |

1Т _

Выделение юн шшышешюп нрошшае.чосш угольны* Пластов, оценка зольности влажности

Рис. 10. Блок-схема основных процедур определения параметров метаноуголыюго разреза по данным ПМ ВСП и ГИС

Таким образом, специализированные процедуры обработки скважинных данных направленные на изучение физических свойств (УДМ, эмиссия) угольных пластов включают следующие виды обработки: расчет упруго-деформационных модулей среды (УДМ), расчет эффектов НРСЭ. Применение вышеназванных процедур направлено на выделение зон повышенной проницаемости углей, оценку зольности и влажности углей. Методология изучения физических свойств метаноугольного разреза на основе обработки данных ПМ ВСП представлена на рис.10.

В третьем параграфе автор показывает целесообразность привлечения данных, аэрокосмического зондирования морфометрических особенностей рельефа с целью

районирования перспективных площадей по газодинамическим критериям и планирования последующих наземных геофизических работ.

Причинная взаимосвязь новейшей геодинамики и процессов рельефообразова-ния, с одной стороны, и газодинамических процессов с геодинамическим фактором в метаноуголыюм разрезе, с другой стороны, может стать основой создания принципов геодинамического дешифрирования при прогнозе газодинамики в условиях метано-угольных месторождений Кузбасса. Этому способствует то, что, космические снимки дают уникальную информацию благодаря высокой степени разрешенное™ и генерализации информации, хорошему отображению на них локальных геоморфологических структур (линеаментов), зон нарушений и деформаций, признаков новейшей геодинамической активности.

На результатах этой главы основаны второе и третье защищаемые положения диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных автором исследований разработаны геолого-геофизические критерии выявления зон повышенной газоотдачи углей на основе многоволновой скважинной сейсморазведки и ГИС. К разработанным критериям относятся: физико-механические свойства, горно-динамические условия, а также эмиссионная активность метаноугольной среды.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Приведен обзор физико-геологических критериев, отражающих фильтрационные свойства углей, а также существующих на практике способов оценки фильтрационных свойств углей. Показано, что основными критериями, характеризующими газоотдачу угольных пластов, являются деформационные свойства и условия внешней нагрузки на угольный пласт. Показано, что все существующие способы оценки фильтрационных свойств являются недостаточными для оценки природной газопроницаемости углей на удалениях от скважины в условиях их естественного залегания вне зоны влияния горной выработки и дегазационных скважин.

2. Определен диапазон изменения упруго-деформационных модулей для условий Кузбасса. Установлено, что метаноугольный разрез на Талдинской площади характеризуется неоднородностью ФМС и вариацией в широких пределах УДМ угольных пластов одной степени метаморфизма не только в пределах одной площади, но даже и в разрезе отдельно взятой скважины. Установлено влияние влажности и зольности на упруго-деформационные свойства углей. Определен наиболее чувствительный параметр - сжимаемость среды Р, реагирующая на изменения зольности и влажности углей.

3. Предложенный комплекс диагностически значимых физико-механических, радиоактивных, поглощающих параметров разреза позволяет сгруппировать угольные

пласты по степени перспективности и возможной газонасыщенности в разрезе скважины.

4. На этапе проектирования опытно-промышленных и эксплуатационных скважин, обоснована необходимость учета не только «внутренних» физических свойств и показателей качества углей, влияющих на формирование зон повышенной газопроницаемости, но и «внешних» факторов воздействия на угольный пласт - горнодинамических и геодинамических условий.

5. На основе проведения экспериментальных работ впервые показана эффективность изучения метаноугольного разреза методом скважинной сейсморазведки ПМ ВСП, которая обеспечивает регистрацию волн различного типа и разной природы, и, в конечном итоге, построение упруго-деформационной модели среды.

6. Предложена и экспериментально опробована технология выявления эмиссионной активности с целью изучения внутренних процессов в метаноуголыюй среде. Физически обоснованы и разработаны способы интерпретации данных низкочастотной резонансной эмиссии в метаноуголыюй среде.

7. Показана целесообразность разработки принципов геодинамического дешифрирования космических снимков рельефа для условий метаноугольных месторождений Кузбасса, которое может обеспечить районирование перспективных площадей по газодинамическим критериям и планирование последующих наземных геофизических работ.

По теме диссертации опубликованы следующиеработы:

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Земцова Д.П., Погоснп А.Г. Возможности многоволновых скважинных исследований I1M ВСП в условиях метаноугольного разреза Кузбасса / Геофизика. Москва, 2008 г., №6, стр. 27-35.

2. Земцова Д.П., Никитин A.A., Погосяи А.Г. Изучение зон трещиноватости метаноугольного разреза Кузбасса на основе сейсмической эмиссии геодинамического шума /Известия высших учебных заведений, геология и разведка. Москва, 2009 г., №3, стр. 51-55.

3. Карасевич A.M., Сторонский Н.М., Земцова Д.П., Погосяи А.Г., Шайхисламова М.Р. Геолого-геофизические факторы выявления зон повышенной проницаемости угольных пластов (на примере метаноугольных месторождений Кузбасса) / Газовая промышленность. Москва, 2012 г. Спец. выпуск (в печати).

Публикации в других научно-технических изданиях:

4. Земцова Д.П., Секретов С.Б., Погосяи А.Г., Пугач A.J1. Структура метаноугольного разреза Кузбасса но данным наземно-скважинной сейсморазведки / Сб. тезисов 1Х-ой научно-практической конференции и выставки «Геомодель-2007», Геленджик: EAGE, 2007, стр. 145.

5. Никитин A.A., Земцова Д.П., Погоснп А.Г. Перспективы геофизических методов при поисках метановых залежей в угленосных отложениях / Материалы VI Международной научно-практической конференции им Успенского Д.Г. - Ухта, 2008 г.

6. Земцова Д.П., Секретов С.Б., Погосян А.Г., Пугач А.Л. Прогноз трещиноватости ме-таноугольного разреза Кузбасса на основе низкочастотного резонанса геодинамического шума / Электронный сб. тезисов Х-ой научно-практической конференции и выставки «Гео-модсль-2008», Геленджик: EAGE, 2008 г.

7. Земцова Д.П., Погосян А.Г. Возможности изучения фильтрационных свойств коллекторов угольных пластов на основе многоволновых скважинных сейсмических наблюдений / Сб. тезисов IX ежегодной международной конференции и выставки "Инновационные технологии в сейсморазведке и сейсмологии на базе фундаментальной теории распространения упругих волн" — «Гапьперинские чтения-2009», Москва, 2009, стр. 102-108.

8. Земцова Д.П., Погосян А.Г. Возможности применения многоволновой сейсморазведки для оценки упруго-деформационных модулей метаноугольного разреза / Электронный сб. тезисов XI-ой научно-практической конференции и выставки «Геомодель-2009», Геленджик: EAGE, 2009 г.

9. Земцова Д.П., Погосян А.Г. Возможности применения многоволновой сейсморазведки для оценки упруго-деформационных модулей метаноугольного разреза / Сборник тезисов 4-й Международной научно-практической конференции и выставки Санкт - Петербург-2010. К новым открытиям через интеграцию геонаук", Санкт-Петербург, 2010 г.

10. Земцова Д.П., Никитин A.A., Погосян А.Г. Мультиплексный анализ атрибутов сейсмических волн - эффективная технология разведки метана угольных пластов и сланцевого газа / Электронный сб. тезисов международной конференции по исследованиям в газовой отрасли Международного газового союза 1GU, IGRC-2011, Южная Корея, Сеул, 2011 г.

Подписано в печать 28.02.12. Формат 60x84/16. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1.3. Тираж 100 экз. Заказ № 12060.

Тираж изготовлен с оригинал-макета заказчика в типографии ООО «Просвещение-Юг» 350059, г. Краснодар, ул. Селезнева, 2. Тел. 239-68-31.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Погосян, Арсен Гагикович, Краснодар

61 12-5/2182

ОАО «Газпром промгаз» отдел разработки геофизических технологий и исследования трудноизвлекаемых ресурсов УВ в г. Краснодаре

На правах рукописи

ПОГОСЯН АРСЕН ГАГИКОВИЧ

ВЫДЕЛЕНИЕ ЗОН С ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООТДАЧЕЙ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ И ГИС

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карасевич Александр Мирославович

/

Краснодар - 2012

ВВЕДЕНИЕ

4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИЗУЧЕНИЮ МЕТАНОУГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА ПРИ СОЗДАНИИ УГЛЕГАЗОВОГО ПРОМЫСЛА.............................................................................................6

1.1. Физико-геологическое строение района исследований и геологоразведочный этап освоения метана угольных пластов.........................11

1.2. Особенности сырьевой базы метана угольных пластов.............................25

1.3. Критерии оценки перспективности объектов промысловой добычи метана из угольных пластов.................................................................................30

1.4. Природная газопроницаемость угольных пластов и факторы, влияющие на формирование благоприятных зон повышенной газопроницаемости........37

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ..................51

2.1. Анализ физико-механических свойств углей и их взаимосвязи с показаниями добычи метана на Талдинской площади Кузбасса.....................52

2.2. Выделение перспективных интервалов и классификация угольных пластов по степени перспективности на метаноносность (на основе анализа упруго-деформационных, поглощающих и радиоактивных свойств угольных пластов)...................................................................................................................73

2.3. Взаимосвязи изменения горно-динамических условий и результатов добычи метана угольных коллекторов на площади Талдинская......................79

Выводы и рекомендации.......................................................................................92

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИИ ПРОГНОЗА БЛАГОПРИЯТНЫХ ЗОН ДЛЯ ДОБЫЧИ МЕТАНА НА ОСНОВЕ МНОГОВОЛНОВОЙ СКВАЖИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ..............................................................................94

3.1. Прогноз благоприятных зон для добычи метана на основе обработки многоволновых данных ВСП с привлечением упруго-деформационных атрибутов волнового поля....................................................................................96

3.1.1. Результаты экспериментальных исследований и обработки данных.99

3.1.2. Расчет упруго-деформационных модулей среды...............................106

3.2. Технология выявления газодинамических процессов на основе изучения эмиссионной активности среды.........................................................................110

3.2.1. Физические основы предлагаемой технологии прогноза газодинамической активности........................................................................112

3.2.2. Основные процедуры технологии........................................................115

3.2.3. Результаты применения технологии....................................................118

3.3. Возможности оценки геодинамического фактора в условиях Кузбасса на основе привлечения данных аэрокосмического зондирования......................124

Выводы и рекомендации.....................................................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................133

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

136

Введение

Актуальность проблемы

Специалисты углегазового промысла рассматривают угольные пласты как нетрадиционные газовые коллекторы в связи с существенным отличием их коллекторских свойств от аналогичных свойств традиционных газовых коллекторов.

Одним из основных положений стратегии освоения ресурсов метана угольных месторождений самостоятельно независимо от добычи угля является разработка научно-методических основ разведки и освоения метано-угольных месторождений.

В настоящее время низкая эффективность геологоразведочных работ, высокий процент низкодебитных и "сухих" эксплуатационных скважин, отсутствие надежных критериев оценки извлекаемых запасов характерны для метаноугольных месторождений с нетрадиционными коллекторами.

Учитывая нетрадиционность угольного коллектора и специфику технологии добычи метана из угольных пластов (применение техногенных способов повышения газоотдачи) при промысловом осваивании метаноугольных месторождений актуальное значение на этапе геологоразведочных работ приобретает задача выявления локальных зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

Факторы, влияющие на формирование зон повышенной газоотдачи угольных пластов, определяются в первую очередь физико-механическими свойствами (ФМС) углей и их качеством, основными показателями которого являются влажность, зольность углей и степень метаморфизма, отражающие их физические свойства, а также характером распределения горного давления, обусловленным структурно-тектонической и новейшей геодинамической обстановкой.

ФМС углей Кузбасса и вмещающих угли горных пород в условиях их естественного залегания изучены недостаточно, задача разработки геолого-геофизических критериев выявления зон повышенной газоотдачи угольных пластов для добычи метана по данным ГИС и многоволновой сейсморазведки ранее не ставилась. Требуется проведение дополнительных исследований с целью установления количественных и качественных взаимосвязей ФМС и горно-динамических условий среды от фильтрационных свойств угольных пластов с целью разработки надежных геолого-геофизических критериев выявления зон повышенной газоотдачи.

Кроме того для нетрадиционных условий метаноугольной среды необходимо обоснование дополнительных диагностически значимых сейсмических атрибутов, характеризующих фильтрационные свойства метаноугольно-го коллектора и влияющих на формирование благоприятных зон (повышенной фильтрационной способности) для промысловой добычи метана. Так, особенности физического свойств угля в состоянии твердого углегазового раствора (ТУР) (Малышев, 2000; Алексеев, Айруни 1994) и сложная трещин-но-иерархическая структура углей дает основание предположить об активной роли излучения микросейсм источниками, связанными с поверхностями сейсмического криппа в трещинно-иерархической среде, а также с процессами связанными с распадом ТУР. В связи с этим считается целесообразным их изучение применением современных технологий обработки сейсмических данных учитывающих нелинейные свойства среды и прежде всего эмиссионную активность геосреды.

Актуальность тематики диссертационной работы, определяется постоянной практической потребностью данных о локальных зонах повышенной газоотдачи на осваиваемых углегазовым промыслом площадях в Кузбассе и повышенными геологическими рисками при бурении опытно-промышленных и эксплуатационных скважин.

Целью диссертационной работы является разработка геолого-геофизических критериев выделения зон с повышенной газоотдачей угольных пластов на базе применения многоволновой сейсморазведки и ГИС при освоении метаноугольных месторождений. Это обеспечивает надежное проектирование кустов опытно-промышленных и эксплуатационных скважин для добычи метана из угольных пластов, а также группирование угольных пластов по степени их перспективности в разрезе скважины.

Основная идея работы заключается в использовании упруго-деформационных модулей (УДМ) углей в сочетании с условиями внешней нагрузки на угольный пласт, обусловленной горно-динамической обстановкой, а также дополнительных нелинейных сейсмических признаков, отражающих флюидодинамические и геодинамические эффекты в метаноуголь-ной среде, обеспечивающих повышение достоверности прогноза благоприятных зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

Объект и предмет исследований

Объект: Пермские отложения (верхний отдел, ерунаковская под серия) южной части Кузбасского угольного бассейна, Талдинская брахисинклиналь.

Предмет: Физические свойства угольных пластов и вмещающих угли терригенных горных пород, особенности физико-механических и коллектор-ских свойств угольных пластов и способы их прогноза, взаимосвязи показателей качества углей и коллекторских свойств, эмиссионная активность системы уголь-метан-зона трещиноватости, горно-динамические условия района исследований.

Основные задачи исследований:

1. Оценка состояния вопроса по изучению метаноугольного разреза при создании углегазового промысла на геологоразведочном этапе освоения метана угольных пластов;

2. Исследование особенностей сырьевой базы метана угольных пластов и выработка современных критериев оценки перспективности объектов промысловой добычи метана. Исследование факторов, влияющих на природную газопроницаемость углей и формирующих благоприятные зоны повышенной проницаемости;

3. Разработка геолого-геофизических критериев оценки фильтрационных свойств угольных пластов, включающая:

- анализ физико-механических свойств углей и их взаимосвязи с показателями качества и газопроницаемости угольных пластов;

- оценку влияния горно-динамических условий на формирование свойств газопроницаемости угольных пластов с учетом результатов пробной добычи метана на площади Таллинская;

- выделение перспективных интервалов и классификация угольных пластов по степени перспективности на основе анализа упруго-деформационных, поглощающих и радиоактивных свойств угольных пластов.

4. Проведение специальных многоволновых сейсмических наблюдений во внутренних точках среды ПМ ВСП, специализированная обработка многоволновых данных ВСП с привлечением упруго-деформационных атрибутов волнового поля с целью прогноза благоприятных зон для добычи метана;

5. Разработка технологии выявления флюидодинамических и геодинамических эффектов в метаноугольной среде на основе изучения эмиссионной активности геосреды, экспериментальное опробование предлагаемой технологии специализированной обработки сейсмической информации.

Исходными данными для изучения физических свойств метаноугольной среды в сложных сейсмогеологических условиях Кузбасса, явились результаты опытно-методических исследований, проведенных по технологии многоволновой скважинной сейсморазведки (ПМ ВСП) на экспериментальном полигоне ОАО «Газпром промгаз» в Кузбассе,

материалы ГИС 9 скважин, результаты лабораторных исследований вещества углей и вмещающих пород скв. Ум 5.2, 5.1, результаты техногенных испытаний (гидроразрыва) и опытной добычи метана на площадке Ум 5 (8 скважин).

Методы исследования:

- комплекс скважинных исследований ГИС (АКШ, ГК, ГГК), многоволновая скважинная сейсморазведка (ПМ ВСП), лабораторные исследования физико-механических и коллекторских свойств образцов керна углей;

- анализ и обобщение фактических сведений о физических и коллекторских свойствах углей по геолого-геофизическим и лабораторным данным;

- при обработке экспериментальных данных применялись методы поля-ризационно-позиционного анализа волновых полей (ППК), спектрально-корреляционного и вейвлет анализа данных, а также алгоритмы адаптивной фильтрации в окне «живой формы».

Научная новизна работы

В процессе проведения исследований получены результаты, обладающие научной новизной:

1. Определены диапазоны изменения У ДМ углей и вмещающих горных пород на Талдинской площади Кузбасса, обоснована эффективность изучения геофизическими методами УДМ для оценки качества углей - зольности и влажности.

2. Установлена взаимосвязь между упруго-деформационными модулями, горно-динамическими условиями и показаниями газоотдачи угольных пластов на Талдинской площади Кузбасса.

3. Предложена технология специализированной спектрально-энергетической обработки сейсмического волнового поля, позволяющая выявлять локальные флюидо- и геодинамические эффекты в метаноугольной среде на основе ее эмиссионной активности.

Практическая значимость

Практическая значимость проведенных исследований определяется целесообразностью и возможностью эффективного применения информации об упруго-деформационных модулях и геодинамических критериев (эмиссия, горное давление, рельеф) для выделения зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

В результате исследования предложен рациональный комплекс обработки и объектно-ориентированной интерпретации геолого-геофизических данных на основе многоволновой скважинной сейсморазведки и ГИС в условиях метаноугольного разреза. Этот комплекс рекомендован для применения на всех этапах геологоразведочного процесса при освоении метаноугольных месторождений.

Результаты проведенных исследований использованы ОАО «Газпром промгаз» при разработке рекомендаций по обработке и интерпретации данных сейсморазведки на метаноугольных месторождениях. Результаты работы внедрены в производственную практику многоволновых сейсморазведочных работ в ОАО «Газпром промгаз».

Защищаемые положения

1. Предложенный комплекс диагностически значимых поисковых критериев, включающий физико-механические свойства (модули Юнга и сдвига, коэффициент сжимаемости), горное давление и их связи с фильтрационными свойствами угольных пластов, обеспечивающий повышение достоверности прогноза при локализации зон повышенной газоотдачи угольных пластов.

2. Разработанная технология изучения эмиссионной активности, включающая в себя разложение сейсмического волнового поля на базе адаптивных алгоритмов энергетической фильтрации, оценку геодинамического шума и «вейвлет» анализ зарегистрированного во внутренних точках среды волно-

вого поля, позволяющая выявлять локальные флюидодинамические и геодинамические эффекты в метаноугольной среде.

3. Методика обработки многоволновой скважинной сейсморазведки ПМ ВСП в условиях метаноугольного разреза, обеспечивающая прогноз диагностически значимых упруго-деформационных параметров при изучении строения угольных пластов.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИЗУЧЕНИЮ МЕТА-НОУГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА ПРИ СОЗДАНИИ УГЛЕГАЗОВОГО

ПРОМЫСЛА

Целью данной главы является обзор основных аспектов проблемы изучения метаноугольного разреза на основе опубликованных литературных источников.

В условиях Кузбасса в настоящее время отсутствует эффективная методика наземных геофизических исследований, обеспечивающая изучение физических свойств угольных пластов и решение геологических задач, с учетом снижения геологических рисков при создании углегазового промысла на этапе опытно-промышленных и эксплуатационного освоения (ОПЭ). Кроме того, весьма ограничены данные о физико-геологической модели метаноугольного разреза, что сужает возможности обоснованной геологической интерпретации получаемых геофизических данных.

В связи с этим, одним из основных положений стратегии освоения ресурсов метана угольных пластов, самостоятельно независимо от добычи угля, является создание научно-методических основ разведки и освоения метано-угольных месторождений.

1.1. Физико-геологическое строение района исследований и геологоразведочный этап освоения метана угольных пластов

Кузнецкий бассейн - крупнейший из разрабатываемых в России бас-

л

сейнов площадью 27 тыс. км (350 х 110 км). В нем выделяется более 20 геолого-промышленных районов, представленных на рис. 1.1.

В пределах синклинория развиты угленосные отложения карбона и перми мощностью 4 км (на востоке) и 7 км (на западе).

Продуктивные отложения распределены на две серии: балахонскую (С2-з - Р1) и кольчугинскую (Р2). Первая включает до 60 рабочих угольных пла-

стов мощностью 1-10 м, суммарно 120 м, вторая включает до 65 пластов мощностью 1-24 м, суммарно 200 м. Наибольшей угленосностью обладают Ерунаковский, Ленинский, Бачатский, Мрасский, Томусинский, Прокопьев-ско-Киселевский районы (рис. 1.1).

В геотектоническом отношении Кузнецкий бассейн представляет собой крупный синклинорий, современный контур и строение, а также напряженное состояние, которого предопределены движениями окружающих горных массивов. Характер складчатости и дизъюнктивной нарушенности толщ изменяется от окраин к центральной части синклинория (рис. 1.1).

В пределах Кузнецкого синклинория по этому признаку выделяют пять основных зон [40]:

1. Приколывань-Томская складчатая зона, охватывающая Анжерский и Кемеровский районы с брахисинклиналями и Титовский район линейных складок и разрывов. Эта зона характеризуется малыми перспективами промысловой добычи метана, особенно из скоплений свободных газов;

2. Присалаирская зона линейной складчатости и разрывов, в которой крупные нарушения разделяют смятые в складки угленосные отложения на отдельные блоки. Эта зона охватывает Бачатский и Прокопьевско-Киселев-ский районы с крупным падением пластов, иногда и опрокинутым (наименее перспективные для промысловой добычи метана сложнодислоцированные структуры юго-западных площадей), а также Ле�