Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности распределения углеводородных газов в угольных бассейнах в связи с перспективой их промышленного освоения

ВАК РФ 04.00.17, Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Закономерности распределения углеводородных газов в угольных бассейнах в связи с перспективой их промышленного освоения"

РОСКОМНЕДРА

Всероссийский ордена Трудового Красного Знамени нефтяной

научно-исследовательский геологоразведочнный институт

ПЕТРОВА ЮЛИЯ ЭДУАРДОВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ В УГОЛЬНЫХ БАССЕЙНАХ В СВЯЗИ С ПЕРСПЕКТИВОЙ ИХ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ

Специальность 04.00.17 - геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-нинералогических наук

(ВНИГРИ)

1.а правах рукописи

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена во Всероссийском нефтяном научно-исследовательском геологоразведочном институте (ВНИГРИ)

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических

наук, профессор В.П.Якуцени Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор P.C.Сахибгареев, доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Н.Волков

Ведущее предприятие: Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеканова (технический университет)

Защита диссертации состоится "<2с? " 1993 г. в/У

на заседании специализированного совета Д.071.02.01 при Всероссийском нефтяном научно-исследовательском геологоразведочном институте (ВНИГРИ)

Адрес: 191104, Санкт-Петербург, Д-104, Литейный пр., 39

\

I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИГРИ Автореферат разослан " •• 0 АДМ-? 1993 г.

Учений секретарь специализированного совета кандидат геолого-минералогических наук

А.К.Дертев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выявления закономерностей накопления и распределения промышленных скоплений углеводородных ( УВ ) газов в угленосных отложениях, пригодных для утилизации, определяется тем, что активное освоение высокогазоносны* угольных бассейнов по основному полезному ископаемому- углю без извлечения УВ газов приводит к потере ценного сырья, необходимого местной энергетической и химической промышленности, и сопровождается высоким газовым фоном з выработках. Ежегодно при искусственной дегазации угленосных массивов теряется около 80-90% извлекаемо .3

го газа (1,6-2,0 клрд.м ).

Эффективная добыча и рациональное использование угольного 1а;а, помимо получения дополнительного источника метана для промышленности и экономии угля, решает еще две важные задачи: снижение газовой напряженности недр и уменьшение взрывоопасности при горнопроходческих работах, а также улучиение экологической обстановки окружающей среды

Работа выполнялась в соответствии с плановыми заданиями ВНИГРИ по общесоюзной НТП 0.50.05.01 и договору с Геолкомом N 14Г.3430 - 317. В целом работа направлена на обоснование сырьевой базы нетрадиционного газового сырья и выявление геологических перспектив комплексного освоения газоугольных бассейнов и месторождений.

Цель работы - выявление закономерностей накопления и размещения углеводородных газов в угольных бассейнах, оценка их ресурсов и .-громышленной значимости как нетрадиционного вида газового сырья,прог лоз газоносности продуктивных отложений слабо изученных угольных бассейнов, выбор и обоснование первоочередных объектов утилизации.

Основные задачи исследований:

- изучение пространственных, временных и генетических эа;ономер-ностей накопления и раопределения УВ газов в угольных бассейнах;

- определение критериев прогноза и поисков скоплений интенсивно

го гаэонакопления в угленосных отложениях;

- оценка газового потенциала угольных бассейнов СНГ, определение их перспектив как сырьевой базы УВ газов;

- типизация угольных бассейнов по их промышленной значимости в качестве комплексных газоугольных объектов и обоснование первоочередных объектов освоения;

- сравнительный анализ современных методов и технологий извлечения газов из продуктивных отложений угольных бассейнов, позволяющих утилизировать добытый газ;

- оценка экономического эффекта от использования каптируемого

газа.

Фактический материал. В основу исследований положен фактический материал,собранный автором при полевых исследованиях в угледобывающих районах России, Украины и Казахстана в период 1985-1992 гг., а также опубликованные материалы по газоносности угленосных толщ 24 угольных бассейнов СНГ и 29 угольных бассейнов зарубежных стран.

Научная новизна работы:

- Показана ведущая роль структурно-геотектонических факторов в распределении УВ газов различных фазовых состояний и концентраций в угленосных отложениях.

- Выявлены закономерности распространения высокогаэоносных угленосных отложений. Установлена их связь с тектонически активными регионами, к которым приурочены средне- и высокометаморфизованные угленосные отложения каменноугольного и пермского возраста, подвергшиеся региональному метаморфизму,а также юрско-палеогенового возраста,где основным фактором углефикации является контактово-термальный метаморфизм.

- Установлены критерии прогноза и поисков высокометаноносных угленосных отложений и залежей свободных газов, их приоритетность в зависимости от уровня прогнозирования.

- Оценен газовый потенциал основных угольных бассейнов СНГ и составлена "Карта распределения ресурсов углеводородных газов по основным угольным бассейнам СНГ".

- Произведена дифференциация угольных бассейнов СНГ по их значимости как нетрадиционных источников газа.Разработана классификация промышленных газоугольных бассейнов,базирующаяся на корреляц> энных связях между геологическими особенностями бассейнов и параметрами их промышленной газоносности.Выделено четыре геолого-промышленных типа газоугольных бассейнов СНГ по перспективности их комплексного освоения: высокоперспективные, за счет высоких концентраций как сорбированных, так

и свободных УВ газов; перспективные, за счет высоких содержаний сорбированных газов;перспективные за счет высоких концентраций свободных газов; слабоперспективные в связи с низкой метаноносностью углей и отсутствием свободных 1_коплений газов.К непромышленным по газопродуктивности отнесены угольные бассейны с низкой метаноносностью продуктивной толщи в целом.

- Составлена "Карта перспективности угольных бассейнов СНГ как нетрадиционных источников метана",позволяющая дифференцировать промышленные по метану угольные бассейны от непромышленных и возможно промышленных и своевременно определить методы их комплексного освоения

с учетом газоносносности недр.

Практическая значимость. Проведенная на основе выполненных иссле-

дований оценка прогнозных ресурсов УВ газов в основных угольных бассейнах страны показала значительные перспективы угленосных отложений как сырьевой базы нетрадиционного газового сырья при комплексном освоении недр с применением прогрессивных технологий, способствующих максимальному извлечению угольных газов в качестве сопутствующего, а в ряде случаев - самостоятельного полезного ископаемого.

Выполненный прогноз газонасыщенн^сти продуктивных толщ угольных

- б -

бассейнов, слабоизученных или не изученных по газоносности, позволил:

- произвести дифференциацию газоугольных бассейнов по их пер- , спективности на попутное извлечение УВ газов;

- установить возможность выявления в их пределах залехей свободных газов;

• - определить очередность вовлечения в отработку ресурсов УВ газов в пределах перспективных бассейнов.

Анализ опыта добычи и использования УВ газов в угольных бассейнах СНГ и за рубежом позволил рассчитать возможный экономический эффект от утилизации каптируемого газа, составивший 30-50 млрд.руб./год (в ценах 1992 г.).

Защищаемые положения

1. Закономерности изменения масштабов нетрадиционной газоносности продуктивных толщ основных угольных бассейнов России и сопредельных стран СНГ.

2. Научные принципы количественного и качественного прогноза газоносности в угольных бассейнах и построенная на их основе "Карта перспективности угольных бассейнов СНГ как нетрадиционных источников метана" с целью обоснования наиболее перспективных объектов для эффективной утилизации нетрадиционного газового сырья.

3. Классификация угольных бассейнов по их промышленной газоносности, основанная на различиях геолого-тектонического строения, возраста и истории развития угленосных толщ, специфики газогенерации и газонакопления в их пределах.

Апробация и реализация результатов работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались на: Первом Международном Симпозиуме "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения" (С-Петербург,1992 г.); Первой Всесоюзной конференции "Нетрадиционные ресурсы углеводородного сырья и проблемы их освоения"(Ленинград, 1988 г.); У-й и У1-й научно-технических конференциях молодых

ученых в Институте геологии и геохимии горючих ископаемых (Львов,1988, 1990 гг.); на конференциях молодых ученых ВНИГРИ (198Б-1988 гг.), опубликованы в 12 работах.

По результатам исследований выполнены экспонаты на ВДНХ СССР (Москва, 1987,1991 гг.), отмеченные бронзовой и серебряной медалями, а также Международной Выставке "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения" (С-Петербург,1992 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

глав и заключения.Имеет объем fстраниц,сопровождается*! / таблицами,

33

иллюстрирована рисунками. Список использованной литературы состоит из /2 У наименований.

Работа выполнена, во ВНИГРИ, научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор В.П.Якуцени, которой автор выражает глубокую признательность. Автор также благодарит многих исследователей научных и производственных организаций (ПГО "Донбассгеология", ПГО "ЗапСибгеология",ГТП "Полярноуралгеология",'ВНИИгаз, ВНИГРИуголь, ПГО "Укруглегеология",Тр."Карагандауголь",Тр."Дальневостокуглеразвед-ка"); особенно-A.M.Брижанева , А.И.Гресова, Г.К.Карасева и В.В.Кирю-кова, позволивших детально познакомиться с первичными материалами по изучаемому вопросу, и за консультации,а также сотрудников ВНИГРИ,способствовавших выполению и оформлению диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава работы "Состояние изученности проблемы газоносности

продуктивных толщ угольных бассейнов" содержит краткую информацию о направлениях и объеме исследований, проводимых с целью изучения газоносности угленосных толщ. По методам, объемам и целенаправленности изучения газов угленосных толщ в б. СССР можно выделить ряд этапов.

Первые три этапа (1890-1927; 1936-1950; 1958-1979гг.) были посвящены изучению газоносности угленосных толщ Донецкого бассейна, а с кон ца 50-х годов - Кузнецкого, Карагандинского, Печорского и, в меньшей

степени, других бассейнов. В исследованиях, выполненных Д.И.Менделеевым, Н.Н.Черницыным, В. В. Бел оуеовым,Н.М. Страховым.Г.Д.Лидчным,А.А.Скочин-ским , В . В . Ходотом ,И.Л.Эттингером,К.Я.Яновской,А.И.Кравцовым,Б.Е.Забигай-ло и др. были рассмотрены вопросы генезиса УВ газов, химического их состава, форм связи газа с углем,зависимости распределения метана в угленосной толще от сложной совокупности геологических факторов¡разработана гипотеза газовой зональности;выявлены возможности управления газовыделениями; разработан ряд методов исследования газоносности угленосных толщ и т.д. Основной целью первых трех этапов изучения газоносности угленосных толщ была безопасность ведения горных работ.

Качественно новый этап изучения угольных газов начался в 80-х годах. Были продолжены работы в наиболее изученных по газу бассейнах и активизировалось изучение газов в бассейнах Сибири и Дальнего Востока. Исследования А.Т.Айруни, A.M.Бриханева, А.И.Гресова, А.Г.Ефремовой, Б. М. Зииакова,А.Н.Зоей,Г.К.Карасева,В.Г.Натуры,А.В.Подмаркова, Д.Е.Разварина.Е.ft.Рогозиной.В.П.Ступакова.В.Т.Хрюкина и др.производились по следующим направлениям: изучение происхождения, состава и содержания газов; газовая зональность; выявление влияния геологических факторов на формирование газоносности углей и вмещающих пород; изучение скопления свободных газов.иценка ресурсов УВ газов;прогноз газоносности углей и вмещающих пород;разработка и совершенствование методов исследований газоносности угольных бассейнов и извлечения газов из продуктивных толщ и т.д.Целью этого периода исследований являлась не только безопасность ведения горных работ, но и обоснование возможности использования УВ газов угольных бассейнов в промышленных масштабах.

Несмотря на многолетнее изучение УВ газов угленосных толщ, изученность газоносности угольных бассейнов б. СССР оставалась крайне неравномерной и неравноценной. Так,основное внимание уделялось изучению условий образования, сохранения и размещения сорбированного газа и значительно меньше - свободного газа Исследования в области разработки

оптимальных технологических схем добычи газа с условием его последующего использования, а также экономических аспектов этого вопроса начались в б.СССР только в последние годы.

Во второй главе работы "Современное представление о газоносности угленосных формаций" приводятся краткие сведения о геологии природных газов угленосных формаций. В их основе лежат работы А.Д.Алексеева, Н.Ф.Батракова,А.М.Брижанева,Н.Б.Вассоевича,А.Г.Ефремовой,Б.Е.Заьигайло, Б.К.Эимакова,В.В.Кирюкова.А.И.Кравцова,С.Г.Неручева,В.А.Успенского и др. Основные положения главы сводятся к следующему:

- природные газы угленосных формаций состоят преимущественно из метана;нередки примеси азота,углекислого газа,содержание которых может изменяться от долей процента до 100%; в виде примесей могут также присутствовать тяжелые углеводороды(ТУ),водород,окись углерода и,в микро»

концентрациях, гелий, аргон и другие инертные газы;

- основная часть УВ газов в угленосных толщах органического происхождения и сингенетична им;

- характерной особенностью миграционных процессов является широкое развитие внутриформационной миграции газов из угольных пластов во вмещающие породы при подчиненной роли межформационной миграции газов, не связанных с продуктивной толщей;

- по преобладанию в составе газов тех или иных компонентов в разрезе угленосной толщи выделяйся три зоны: в верхней части разреза располагается маломощная зона газового выветривания, где метан полностью отсутствует или его количество не превышает 50-80%;ниже находится

мощная зона метановых газов (содержание СН колеблется в пределах SO -

4

- 100%); при наличии суперантрацитов под метановой зоной располагается зона метаморфогенной деметанизации, где содержание метана не превышает 5-10%. Присутствие этих трех зон во всех угольных бассейнах или на отдельных участках в пределах одного бассейна не обязательно;

- природные газы в угленосных отложениях находятся преимуществен-

но в двух состояниях:сорбированном и свободном.Соотношение форм нахождения газов зависит от содержания органического вещества,литологических особенностей и коллекторских свойств пород угленосной толщи, а также от геологических,гидрогеологических и термобарических условий;коллектором сорбированных газов является угольное вещество,свободных - в основном смещающие породы;

- газоносность угольных пластов и вмещающих пород подвержена резким колебаниям. В угольных пластах она изменяется в пределах от долей

3 3

до 45 м /т г.м.,во вмещающих породах обычно составляет менее 1-2 ы /т,

3 3

достигая в углистых породах 6-8 м /т и даже 13 м /т;

- современное распределение газов в угольных пластах и вмещающих породах характеризуется значительной качественной и количественной изменчивостью, что определяется одновременным влиянием многочисленных геологических факторов.Возникновение и рост метаноносности угленосных отложений находятся в прямой зависимости от мощности угленосных толщ, их угленасыщенности, степени метаморфизма углей, их вещественного состава. Тектонические процессы, магмггтизм, литологический состав вмещающих пород и покровных отложений способствуют как накоплению газов, так и дегазации толщ;

- на накопление и распределение сорбированных и свободных газов одни и те же геологические факторы оказывают различное влияние; накопление и распределение сорбированных газов в угольных пластах определяется видом и степенью метаморфизма углей,и в меньшей мере,тектоническим строением; размещение залежей свободных газов в основном зависит от тектонического строения толщ и наличия коллекторов и покрышек.

В третьей главе "Закономерности накопления и распределения углеводородных газов в угольных бассейнах" приводятся результаты анализа условий формирования, размещения,геологического строения 34 угольных бассейнов СНГ и газоносности продуктивных толщ 24 из них, а также геологии и газоносности 29 угольных еассейнов зарубежных стран.На основе

этих материалов выполнено исследование характера и степени взаимосвязей газоносности углей и насыщенности угленосных толщ свободными скоплениями газа с геологическими параметрами бассейнов.

Изучение условий формирования и истории развития угольных бассейнов базируется на разработанной В.М.Богомазовым(1989г.)типиэации угле-

V

носных формаций с позиции концепции тектоники литосферных плит,

В работе приводится краткая характеристика геологических особенностей, промышленных параметров и газоносности различных тектонических групп и типов угольных бассейнов СНГ и зарубежных стран. Сравнительный анализ этих данных позволяет сделать выводы, что разновозрастные угольные бассейны,сформировавшиеся при различных режимах и этапах тектонического развития земной коры, в различных палеотектоническик структурах отличаются строением, мощностью угленосных толщ, степенью угл<?насыщен-ности,видом и степенью метаморфизма углей,а также газоносностью продуктивных толщ.

Условия формирования и геологическое строение угольных бассейнов, приуроченных к краевым прогибам(Кузнецкий,район Предуральского прогиба Печорского бассейна и др.) и наложенным прогибам и впадинам срединных массивов ( Карагандинский, Горловский, Зырянский и др.), а также авлакогенам(Складчатый Донбасс)имех>т много общих черт:большие мощности угленосных отложений,высокая их угленасыщенность,выдержанность по площади многочисленных угольных пластов,преимущественно средняя и высокая степень регионального, реже коитактово-термального метаморфизма углей, сложное тектоническое строение.Отличия заключаются в меньших размерах, меньшем количества угольных пластов к большей их мощности,значительно более интенсивном проявлении магматизма в бассейнах срединных массивов, особенно приуроченных к их внутренним зонам. На формирование современной газоносности продуктивных толщ основное влияние оказали средняя и высокая степень регионального, реже контактово-термального метаморфизма угольного вещества, высокая угленасыщенность мощных и сверхмощных

угленосных отложений и сильная дислоцированность последних. В результате сформировались следующие особенности газоносности угольник бассей-

3

нов: газоносность палеозойских углей высокая (до 40-44 м /т г.м.),ме-

3

эозойских -средняя или низкая (до 10-20 м /т г.м.);основное количество газа находится в сорбированном состоянии, однако в краевых прогибах и авлакогенах широко развиты залехи свободных газов, в отложениях срединных массивов скопления свободных газов единичны; состав газов однородный, преимущественно метановый; образование их связано в основном с региональным, реже с контактово-термальным метаморфизмом; глубина залегания верхней границы метановой зоны()13)достигает 480 и реже 1000 м,мощность зоны газового выветривания(ЗГВ) сильно изменчивая, вертикальн?,я газовая зональность выдержанная; основной тип коллекторов угленосных толщ краевых прогибов - трещинный, реже порово-трсщинний и трещинно-поросый, преобладающий тип ловушек - тектонический ,дхя авлакогенов характерны поровые и трещинно-поровые коллекторы и ловушки смешанного типа:структурно-тектонические, структурно-литоло-гические.

Угленосные отложения, связанные с формациями наложенных впадин межгорного типа ( Сахалинский, Партизанский и др.), имеют резко изменчивую, относительно невысокую мощность угленосных отложений,для которых характерно:средний и низкий метаморфизм углей,преимущественно сложное тектоническое строение и, для мезо-кайнозойских толщ, широкое развитие интрузивного и эффузивного магматизма.Газоносность и распределение УВ газов в угольных бассейнах мезо-кайнозойсхого возраста определяется тектоническим строением и магматическими процессами. Сочетание указанных геологических факторов определило следующие особенности современной газоносности продуктивных толщ:общая газоносность угленосной толщи высокая за счет развития многочисленных скоплений свобод-

3

ных газов,при низкой газоносности углей(в среднем 6-12 м /т г.м.); основная часть газов находится в свободном состоянии; состав газов сме-

шанный: при преобладающей роли метана характерно повышенное содержание

ТУ,СО ,С0, N , Н и Не; образование газов связано преимущественно с 2 2 2

контактово-термальным.реже региональным метаморфизмом; мощность ЗГВ достигает 700 м, вертикальная зональность нарушена; основной тип коллекторов - трещинный, преобладающий тип ловушек - тектонический.

Угольные бассейны, локализующиеся в грабенах и тафрогенах сводо-во-глыбовых областей, характеризуются преимущественно незначительной мощностью продуктивных толщ и весьма высокой их угленасыщенностью, широким развитием сверхмощных пластов сложного строения, низкой степенью метаморфизма углей, преимущественно простым, тектоническим строением и отсутствием магматизма. УВ газы присутствуют лишь в двух(из десяти) угольных бассейнах этого типа - Челябинском и Аркагалинском, где их образование и распределение происходило под влиянием низкой степени регионального метаморфизма и относительно интенсивных тектонических процессов. Указанные факторы привели к следующим особенностям газоносности

3

этих бассейнов: газоносность углей низкая(до 13 м /т г.м.); газы находятся в сорбированном состоянии, скопления свободных газов единичны; состав - метановый,с незначительными примесями; образование газов связано преимущественно с региональным метаморфизмом;мощность ЗГВ до 700м, вертикальная зональность нарушена.

Геологическое строение угольных бассейнов, связанных с формациями древних платформ, й значительной степени зависит от их приуроченности к конкретным палеоструктурам. Продуктивные толщи угольных бассейнов, локализующиеся во внутриплатформенных структурах (Подмосковный) или расположенные в структурах краевых частей древних платформ (платформенные части Донецкого и Ленского бассейнов и др.),сформировавшиеся при относительно спокойном тектоническом режиме,обладает невысокой мощностью продуктивных толщ,преимущественно низкой угленасыщенностью, изменчивой мощностью и невыдержанностью по простиранию угольных пластов, низкой степенью метаморфизма углей,простым тектоническим строением,от-

сут^твисм магматизма.Метаноноснссть угольных пластов низкая(не превыша-3

ет 1-7 м /т г.м.),залежи свободных газов, как правило, отсутствуют,что связано с незначительной скоростью эволюции ОВ, невысокой степенью его преобразования и слабой дислоцированностью отложений. Б период тектоно-магматического этапа развития территорий угленакопления резко увеличивается степень катагенетических преобразований углей за счет регионального метаморфизма толщи - в перикратонных прогибах (Кизелов-ский и др.) или контактово-термального - в краевых частях платформ с проявлением траппового магматизма (Тунгусский бассейн);значительно усложняется ее тектоническое строение, что способствует увеличению газоносности угленосных отложений.Для угольных бассейнов перикратонных про-

3

гибок характерно: газоносность углей в среднем 11-15 м /т г.м. до 3

38 м /т г.м.;основной объем газов находится б сорбированном состоянии, скопления свободных газов едииичны;состав газов метановый с незначительным количествам примесей ТУ,Н ;образование газов связано с региональ-

2

кым метаморфизмом угленосной толщи;ыощность ЗГВ достигает 1200м,сильно

изменчивая,вертикальная зональность выдержана.Для угольных бассейнов,

сформировавшихся в краевых частях древних платформ с проявлением трап-

3

нового магматизма,характерно:Бысокая газоносность угл,5й(до 40м /тг.м.);

газ находится преимущественно в сорбированном состоянии, характерно

наличие многочисленных залежей свободного газа;состав газов смещанный

(при преобладании метана содержится значительное количесво ТУ,Н ,С0);

2

образование газов связано преимущественно с контактово-термадьныи.реже региональным метаморфизмом;мощность ЗГВ колеблется в пределах 300 м, вертикальная газовая зональность нарушена;тип коллекторов преимущественно трещинно-поровый,основной тип ловушек - тектонический,структурно-тектонический .

Специфическими особенностями угленосных толд угольных бассейнов областей элиплатформенной активизации являются их большие мощности, изменчивое количество пластов неустойчивой мощности, средняя и высо-

кая угленасыщенность разреза, слабое проявление регионального метаморфизма, простое тектоническое строение, отсутствие магматизма в активизированных зонах; относительно более высокая степень метаморфизма, более сложное тектоническое строение, локальное проявление магматизма - в особо активизированных зонах.Генерация и накопление УВ газов в угленосных- отложениях рифтогеннцх областей свойственны только для особо активизированных зон (Южно-Якут>ский, Улугхемский бассейны), где основными факторами,способствовавшим формированию современной метано-носности, являются средняя степень регионального метаморфизма мощных высокоугленасгченных отложений и благоприятные условия течения процессов дегазации.в результате:газоносность углей незначительная в верхних

3 3

горизонтах ( 5-10 м /т г.м.) закономерно нарастает до 20 м /т г.м, и

более в глубоких частях разрезов; основная форма нахождения газов -сорбированная, скопления свободных газов единичны; состав газов метановый, с незначительным количеством примесей; мощность ЗГВ преимущественно 300-400 м, слабоизменчивая,вертикальная зональность выдержанная. В активизированных зонах (Иркутский бассейн)слабометаморфизованные угленосные толщи почти не содержат метана.

В целом, для всех однотипных газоносных угленосных формаций характерна более высокая степень газоносности палеозойских отложений по отношению к мезозойским и кайнозойским, примерно в 1,5-2 раза.

Сопоставление данных о газоносности 24 угольных бассейнов СНГ и 29 угольных бассейнов 12 зарубежных стран позволяет сделать вывод о том, что геологические особенности и степень газоносности одновозра-стних угленосных толщ, приуроченных к однотипным палеотектоническим структурам, характеризуются высокой сходимостью при незначительных отклонениях, связанных со спецификой геологического развития каждого угольного- бассейна.

Анализ размещения газоугольных бассейнов в осадочной толще земной коры, сравнительный анализ газоносности угольных планов и рас-

пределения скоплений свободных газов, а также комплекса геологических факторов и характера их влияния i;a формирование газоносности продуктивных толщ угольных бассейнов, позволили установить, что размещение газоносных угленорнцх формаций в пределах поясов и узлов углеобразо-вания контролируется тектоническим режимом, приуроченностью к палео-тектоническим структурам и длительностью генерационных процессов. Образование, сохранность и закономерности современного распределения природных газов в конкретных угленосных формациях и связанных с ними угольных бассейнах обусловлены одновременным воздействием различных геологических факторов,комплекс которых и характер влияния определяются типом палеотектоничсскик структур,к которым приурочены бассейны. Максимальная газогенерация происходила в угленосных формациях, сформировавшихся ь орогчнный этап подвижного тектонического режима и этап тектоно-магматической активизации стабилизированного режима-. Высоко газоносные продуктивные толщи угольных бассейнов каменноугольного и пермского возраста, подвергшиеся региональному метаморфизму,и юрско-палео-генового возраста, с контактово-термальным метаморфизмом, приурочены к краевым и наложенным прогибам орогенных областей и зонам тектоно-магма-тической активизации окраин древних платформ.

В четвертой главе "Прогноз газоносности угольных бассейнов СНГ и оценка нетрадиционных ресурсов метана" сформулированы основные теоретические положения прогнозирования газоносности угольных бассейнов и установлены цели и задачи качественного и количественного выражения результатов прогноза для каждого уровня - глобального, регионального, зонального, локального. На основании детального анализа закономерностей накопления и распределения УЕ газов в угленосных толщах отечественных и зарубежных бассейнов разработаны ведущие критерии прогноза продуктивной метаноносности угольны:', пластов и наличия залежей свободных газов для каждого уровня прогнозирования. Одноименные критерии прогноза скоплений сорбированных и свободных УБ газов имеют различное

содержание. Система и приоритетность отдельных критериев применительно к каждому уровню прогноза определялась их информативностью и степенью надежности.

При решении задач регионального уровня прогноза зедущую роль играют геотектонические и структурные критерии,так как геотектонический режим определяет типы палеотектонических структур, в которых размещаются газоносные угольные бассейны, характер дислоцированности и проявления магматизма, а типы структур, в свою очередь, определяют большинство особенностей угленосных формаций,влияющих на метаноносность(мощность и угленасыщенность отложений,вид и степень метаморфизма и т.д.). На втором месте по информативности находятся стратиграфические критерии. Таким образом,структурно-тектоническая позиция и возраст углеоб-разования уже на ранних стадиях изучения позволяют произвести дифференциацию угольных бассейнов по степени их перспективности в качестве газовых объектов и своевременно начать более детальное их изучение.

С целью определения перспектив угольных бассейнов СНГ как сырьевой базы УВ газов и геолого-экономического обоснования их в качестве газоугольных объектов произведена количественная оценка УВ газов,заключенных в продуктивных толщах бассейнов до глубины 1800 н. В оценку вошли 20 разрабатываемых угольных бассейнов,из которых по 7 бассейнам (Донецкий, Кузнецкий, Печорский, Карагандинский, Львовско-Волынский, Улугхемский и Минусинский) использованы данные оценки ресурсов УВ газов в угольных пластах, а по первым трем бассейнам и в свободных скоплениях, выполненной Г.К.Карасевым, А.Г.Ефремовой, Б.М.Зимаковым, A.M.Брижаневым, А.Н.Зосей, А.В.Подмарковым, В.Г.Натурой и др. В 13 газоносных угольных бассейнах автором произведена оценка ресурсов УВ газов в пределах угольных пластов.

3

Суммарные ресурсы УВ газов составили 67,8 трлн м , из них по ка-3 3 3

тегориям С - 1,2 трлн.м , Д - 2,2 трлн. м и Д - 64,4 трлн. м .Наиболее

3 1 2

богата ресурсами метанового газа в угольных бассейнах Россия, где

- 18 -

з з

сосредоточено около 66 трлн. и, на Украине - 1,3 трлн. м ив Казах-3

стане - 0,5 трлн.и .

На основании выполненной нами оценки ресурсов УВ газов угольных бассейнов и их плотности составлена "Карта распределения ресурсов углеводородных газов по основным бассейнам СНГ".

Установленные закономерности формирования метаноносности угольных пластов и наличия залежей свободных метановых газов и оценка потенциальных ресурсов УВ газов позволили автору предложить геолого-промышлен-нув классификацию газоугольных бассейнов СНГ,базирующуюся на корреляционных связях между геологическими особенностями бассейнов и параметрами их промышленной газоносности.Промышленная значимость газоугольных бассейнов в этой классификации определяется степенью метаноносности продуктивных отложений,их насыщенностью скоплениями свободных газов,количеством ресурсов метановых газов и их плотностью. За главные диагностические признаки приняты: принадлежность к палеотектонической структуре и возраст угленакопления.Кроме того,учтены формационные признаки, контролирующие образование газов в угленосных отложениях: вид и степень метаморфизма углей,модность и степень угленасыщенности толщ и т.д.

Все угольные бассейны, расположенные на территории СНГ, подразделены на промышленные и непромышленные в качестве источников метана.

Среди промышленных газоугольных бассейнов нами выделены 4 геолого-промышленных типа:

1. Гйзоугольные бассейны с высокой метаноносностью продуктивных 3

толщ (в среднем 17-13 м/'т г.м.) и содержащие значительное количество

залежей свободных газов. Ресурсы УВ газов в них составляют п х 1 -

3 Г. 3 2

- п х 10 трлн.м,плотности ресурсов - преимущественно п х 10 млн.м /км.

Бассейны этого типа приурочены к краевым прогибам ( Предьерхоянская

часть Ленского, Предуральская часть Печорского и Кузнецкий бассейны),

авдакогенам (Складчатый Донбасс), впадинам и прогибам окраин древних

платформ с проявлением траппового магматизма (Тунгусский бассейн).

2. Газоугольные бассейны, продуктивные толщи которых отличаются

3

средней и высокой метаноносностью (в среднем 12 - 18 м /т г.м.) и

почти не содержат скоплений свободных газов . Ресурсы УВ газов в

2 3

них исчисляются преимущественно п х 10 млрд.м , плотности ресурсов -2 3 2

п х 10 млн.м /км .Это бассейны каменноугольного и пермского возраста, связанные с наложенными впадинами и прогибами краевых и центральных частей срединных массивов (Карагандинский, Горловский, Экибастузский) и перикратонными прогибами (Кизеловский, Львовско-Волынский).

3. Газоугольные бассейны, для которых характерна высокая газоносность угленосных толщ за счет широкого развития скоплений свободных газов при низкой и средней метаноносности угольных пластов (в

3

среднем 6-12 м /т г.м.). Ресурсы газов в угольных пластах исчислягат-

3 3 2

ся л х 10 млрд.м, а плотности ресурсов -ан1-ах10 млн.м /км.

Г общем газовом балансе количество УВ газов в свободном состоянии достигает 60-30%. Это бассейны, сложенные мезозойскими и кайнозойскими отложениями и приуроченные к впадинам и прогибам межгорного типа(Саха-ллнский. Партизанский, Угловсккй).

4. Газоугольные бассейны со средней метаноносностьи угленосных

о

толщ ( в среднем 10 - 13 м /т г.м.) и почти полным отсутствием

скоплений саободких газов. Ресурсы газа в их пределах исчисляют-

2 3 3 2

ся п х 10 млрд.м, а плотность ресурсов - п х 1 - п х 10 млн.м / км.

Это газоугольные бассейны мезозойского возраста, сформировавшиеся в наложенных прогибах срединных массивов (Буреинекий,Зырянский), прогибах о^обо ак1ивизйрованных областей континентального рифтогенеза(К)жно-Якутский, Улугхемский).

Сравнивая промышленные типы газоугольных бассейнов СНГ между собой и учитывая опыт разработки метановых газов в тектонически однотипных угольных за рубежом,, можно отметить, что наибольшее промышленное эи&чги«сг ^ ¡сачзстзс источника метана имеют угольные бассейны первого геолого-г.рошшлеаного типа. Угленосные толщи бассейнов

этого типа высокоперспективны для попутной и самостоятельной добычи метана как из угольных пластов,так и из залежей свободного газа.Важное промышленное значение для попутной добычи метана имеет большинство угольных бассейнов второго и третьего геолого-промышленных типов за счет высокого газового потенциала гольных пластов в первом случае и широкого развития свободных газовых скоплений - во втором. Угольные бассейны четвертого геолого-промышленного типа малоперспективны на попятную добычу метана как из угольных пластов, так и из вмещающих пород. Перспективы их как газоугольных объектов в будущем могут бкть связаны с отработкой более глубоких горизонтов, чем это ныне проектируется.

К непромышленным в настоящее время отнесены угольные бассейны с низкой и весьма низкой метаноносностью углей и практически полным отсутствием или единичными скоплениями залежей свободных газов. При пе-

3

ресмотре кондиций часть из них, с метаноносностью углей 3-8 м/т г.м.,

может перейти в разряд промышленных (Челябинский, Аркагалинский и

платформенная часть Донецкого бассейна). Остальные бассейны,средняя

3

метаноносность углей в которых не превышает 1-2 м /т г.м., следует считать бесперспективными (Иркутский, платформенная часть Ленского бассейна и др.).

На осносе разработанной нами геодого-промышленной классификации

произведен прогноз газоносности неизученных угольных бассейнов СНГ,

оценена их возможная промышленная значимость как газоугольных объектов

и впервые составлена "Карта перспективности угольных бассейнов СНГ как

нетрадиционных источников метана".

Пятая глава "Технология освоения и экономика добычи и утилизации

углеводородных газов угольных бассейнов СН£ и за рубежом".В настоящее

время дегазация применяется на 565-580 угольных шахтах 17 стран мира

3

с суммарным объемом извлекаемого метана около 8,5 млрд.м /год, в том

3

числе в СНГ на 220 шахтах ежегодно извлекается около 2,0 млрд.м /год метана. Объем утилизации газа в зарубежных странах достигает 70-100%

от объема каптируемого, тогда как к СНГ не превышает 15-20%. За рубежом добытый газ используется в различных отраслях промышленности и в коммунально-бытовом хозяйстве. В СНГ использование каптированного метана ограничивается, как правило, топками ааятных котельных.

Разработаны и успешно применяются в промышленных масштабам разнообразные способы извлечения газа из угленосных толщ, анализ которых показывает, что для промышленного ого' использования наиболее эффективным, позволяющим получать высокие и относительно стабильные дебиты почти чистого метана,является бесшахтный способ дегазации.Однако,при рекомендациях применения того или иного способа дегазации, с последующей утилизацией газа, необходимо учитывать геологиеские особенности и горно-технические условия конкретного бассейна, а также экономические аспекты и инфраструктуру угледобывающего региона.В Западной Европе и Японии применяются преимущественно шахтные способы дегазации. В дальнейшем предполагается расширение области применения шахтного газа с содержанием метана менее 30% за счет внедрения новых технологических схем его переработки. В США и КНР рост объема каптированного угольного raja происходит в основном га счет использования бесшахтного способа дегазации, целью которого ставится не только снижение газообильности выработок, а прежде всего добыча метана в промышленных масштабах.Так,

в СШД, в настоящее время и? 5 тысяч скважин добывается более 3

10 млрд.м /год газа, а к 2000 году предполагается увеличить ежегодную

3

добычу метана из угленосных толщ до 60 млрд.м .

Газы угольных бассейнов СНГ,за исключением, да и то частично,Донецкого, Печорского и Карагандинского, в большинстве своем выбрасываются в атмосферу.Вместе с тем, экономический эффект только от продажи каптированного метана мог бы составить около 30-50 млрд.руб./год(в ценах 1992 г.). С учетом экономии угля и природного газа, а также улучшения экологии окружающей среды эта цифра может быть увеличена в несколько раз.

Заключение

Основные выводы диссертационного исследования сводятся к следующему:

1. Особенности геотектонического строения и история развития угольных бассейнов определяют комплекс и характер влияния геологических факторов на современную газоносность их продуктивных толщ. Степень газоносности углей и возможность формирования газовых залежей в угленосных формациях контролируется тектоническим режимом,приуроченностью к палео-тектоническим структурам и длительностью генерационных процессов, при этом ведущую роль играет тектонический режим. Наиболее газоносны регионально метаморфизованные угленосные толщи бассейнов каменноугольного и пермского возраста и контактово-териально метаморфизованные - юрско-па-леогенового возраста, сформировавшиеся в краевых и наложенных прогибах в орогенный этап подвижного тектонического режима,или на окраинах древних платформ в этап тектоно-магматической активизации стабилизированного режима.

2. Положение и контуры площадей возможного рапространения высокогазоносных отложений определяются соответствующей масштабу исследований й рангу территорий системой критериев (геотектонических, структурных, формационых, стратиграфических и магматических). Приоритетность критериев зависит от уровня прогнозирования.

3. Суммарные ресурсы УВ газов в угольных пластах 20 бассейнов СНГ в

3

пределах реальных глубин и площадей угледобычи составляют 67,8 трлн.м,

3 3

в том числе в России 65,9 трлн.м (Тунгусский - 41,4 трлн.м, Кузнецкий-

3 3

13,2 трлн.м, Предверхоянская часть Ленского бассейна - 8,4 трлн.м ).

4. Все угольные бассейны СНГ делятся на две группы по их промышленной значимости в качестве газоуголышх объектов - промышленные и не-промшиленнные. Промышленные гаэоугольные бассейны по их перспективности на комплексное освоение подразделены на четыре геолого-промышленных типа: 1 - высокоперспективные за счет высоких концентраций как сорбированных, так и свободных УВ газов; 2 - перспективные за счет висских

содержаний сорбированных газов; 3 - перспективные за счет высоких концентраций свободных газов; 4 - сдабоперспективные с низкой метаноносностью углей и ке содержащие свободных скоплений газов.

5. Угольный газ каптируется при разработке угля и утилизируется в количесве 60-100% от добытого практически во всех развитых странах мира. В СНГ, в том числе в России, степень утилизации угольного газа не превышает 15-20%. Наиболее эффективным способом, с точки зрения утилизации газа, является бесшахтный способ дегазации, применяемый в основном в США и КНР. В СНГ на долю газа, добытого этим способом, приходится около 15% от общего объема каптажа.

6. Возможный экономический эффект от использования каптированного метана в СНГ мог бы составить около 30-50 млрд.руб./год(в ценах 19Э2 г.),без учета экономии угля и природного газа, а также экологического эффекта.

7. На основе выполненных исследований газоносности угольных бассейнов СНГ и с учетом степени их освоенности по основному полезному ископаемому - углю,высокоперспективны на попутное и самостоятельное извлечение метана в настоящее время и сохранят свое значение в будущем - До-нецкий(Складчатый Донбасс).Кузнецкий,Печорский (Предуральский прогиб); перспективны - Карагандинский,Сахалинский,Партизанский,Угловский;слабоперспективны - Зырянский,Буреинский,Южно-Якутский,У'угхемский бассейны. Перспективы последних как газоугольных объектов могут быть связаны в будущем с отработкой глубоких горизонтов. Кизеловский.Экибастузский и Львовско-Волынский бассейны по различным причинам перспективны на попутную добычу метана только в настоящее время,в дальнейшем они утратят свое значение. Ленекий(Предверхоянский прогиб),Тунгусский и Горловский бассейны являются резервом газоугольного сырья в будущем. При пересмотре кондиций и усовершенствовании технологии добычи, слабоперспективными следует считать Аркагалинский и Челябинский бассейны, а также платформенную часть Донецкого бассейна. По аналогии с изученными одно-

типными бассейнами в будущем можно считать высокоперспективным - Таймырский; перспективными - Тениз-Коржункульский и Узгенский; слабоперспективными - Сосьвинско-Салехардский, а также платформенную часть Печорского бассейна. Остальные бассейны,на основании анализа имеющихся данных или по аналогии, можно считать бесперспективными,в их числе Подмосковный,Иркутский,Канско-Ачинский,Майкюбикский,Днепровский и др.

Список опубликованных работ автора по теме диссертации:

1. Прогноз перспектив промышленного освоения газов угольных бассейнов СССР и за рубежом. Б сб."Основы прогноза и поисков нетрадиционного углеводородного сырья". Л., изд. ВНИГРИ, 1989, с.68-74.

2. Перспективы комплексного освоения угольных бассейнов СССР как возможных промышленных источников нетрадиционного газового сырья. Материалы 5-ой конф. молодых ученых. Львов, 1988, т.2, с.106-117. Деп. в ВИНИТИ 22.02.89, N 1209-1389.

3. Нетрадиционные источники углеводородного сырья. И., Недра, 1989,223с.(совместно с В.П.Якуцени.Е.С.Барканом,В.М.Безруковым и др.).

4. Проблемы извлечения и использования газов угольных месторождений. В сб. "Актуальные проблемы геологии нефти и газа". Деп.в ВИНИТИ от 14.11.91 N 4289-В91.

5. Геолого-промышленная классификация угольных бассейнов СССР как возможных источников метана. В сб."Ресурсы нетрадиционного газового сырья и проблемы их освоения". Л., изд.ВНИГРИ, 1990, с.27-35.

6. Угольные бассейны Дальнего Востока как возможный объект промышленного извлечения метана. В сб."Гидрогеологические особенности кефтегазонакопления в ловушках". Л., изд.ВНИГРИ, 1991, с.151-158.

7. Современное состояние изучения и освоения нетрадиционных источников газового сырья. Обзор "Геология, методы поисков, разведки

и оценки месторождений нефти и газа". М., ВИЭМС, 1991, 75 с.(совместно с Б.П.Якуцени, Е.С.Барканом, И.А.Лагуновой и др.).

8. Нетрадиционные источники газового сырья. В сб."Актуальные

проблемы нефтегазовой геологии" (под ред.К.А.Черникова). Л.,Недра,

1991,с.57-66(совместно с В.П.Якуцени,Е.М.Каплан,Н.М.Кругликовым и др.) 9. Газы угольных бассейнов. Справочник по геологии нефти и газа,

(под ред.С.Г.Неручева), СПб, Недра,1993.

10. Газовый потенциал угольных бассейнов и перспективы его промышленного освоения в СНГ. Тез.док.Международного Симпозиума "Нетрадиционные источники углеводородного сифья и проблемы его освоения". СПб.

1992, т.2, с.42-44.

11. Закономерности формирования и размещения свободных газовых скоплений в пределах угольных бассейнов СНГ. Тез.док.Международного Симпозиума "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения". СПб, 1992, с.44-46.

12. Комплексная разработка метаноносных угольных месторожений.М., ЦНИИЭуголь, 1993, 144 с.(совместно с В.Е.Зайденваргом, А.Т.Айруни,

Р.Л.Галазовым, А.М.Брижаневым).

/