Содержание к диссертации
Введение
История литолого-стратиграфических исследований 14
Геологическое строение 25
Стратиграфия и литология 34
Угленосность 52
Качественная характеристика углей 66
Метаноносыость угольных пластов 72
Методика проведения работ 80
Основные закономерности осадконакопления 88
Фации 88
Рекомендации по выбору наиболее оптимальных интервалов разреза и площадей для добычи метана из угольных пластов 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
Список литературы 116
Введение к работе
В последние годы, в Кузбассе, наряду с интенсивно развивающейся угольной промышленностью, зарождается новая отрасль топливно-энергетического комплекса России - промысловая добыча метана из угольных пластов, которая позволит не только снизить газоопасность последующей добычи угля, но и создать эффективные отечественные технологии извлечения метана. Эти технологии можно будет уже в ближайшее время использовать при заблаговременном извлечении метана из угольных пластов до начала добычи угля. Проблема извлечения метана из угольных пласте как самостоятельного полезного ископаемого, в России обсуждается на разных уровнях уже более 10-ти лет / Зимаков Б.М. 1993, Зимаков Б.М. и др. 1994, Золотых С.С. и др. 1998, Ка-расевич A.M. 2001/.
Сегодня Кузбасс это основной в РФ угледобывающий регион. По марочному составу, в его пределах имеется весь известный спектр углей, от бурых до термоантрацитов. Общие ресурсы углей в Кузбассе оцениваются цифрой около 600 млрд. т. По результатам геологоразведочных работ на 01.01.2002 г. на государственном балансе числится 55,5 млрд. т углей, разведанных по промышленным категориям. Годовая добыча угля в Кузбассе в 2003 г. составила 143 млн. т, к 2020 г ее планируется довести до 200 млн. т.
Поэтому, сколько бы не было противников у идеи организации промысловой добычи метана из угольных пластов и создания эффективных технологий его извлечения, постоянные простои, аварии и взрывы на шахтах, связанные с выделением метана в горные выработки, заставляют вновь и вновь обращаться к данной теме.
Кроме того, актуальным было и остается комплексное освоение недр. Важнейшей целью природно-ресурсной политики является обеспечение рационального и эффективного использования природно-ресурсного потенциала России с целью удовлетворения текущих и перспективных потребностей экономики страны и экспорта (Путин В.В. 1999).
Объективными предпосылками добычи метана как самостоятельного полезного ископаемого в Кузбассе является зарубежный и отечественный опыт подобных работ, наличие эффективных технологий извлечения метана из угольных пластов и огромные его ресурсы в недрах Кузнецкого бассейна. По масштабности ресурсов газа - 13 трлн. м3 до глубины 1,8 км, Кузбасс сопоставим с газоносными провинциями Западной Сибири.
Практические работы по организации крупномасштабной добычи метана из угольных пластов в Кузбассе были начаты трестом «Кузбассуглеразведка» и ПЕО «Запсибгеология» с привлечением специалистов ICF RESOURCES INK в 1991 году. За это время была доказана геологическая возможность и экономическая целесообразность извлечения метана из угольных пластов до наняла добычи угля с глубин 600-1200 м.
По результатам изучения накопленного к тому времени фактического материала, первоочередным для организации опытно-промышленной добычи был признан Ерунаковский геолого-экономический район. Он расположен на юге центральной части Кузнецкого бассейна. Северная его граница проводится по Караканскому хребту и Абинским горам, восточная и южная проходят по левому берегу р.Томь, западная принята но Соколовскому (Журинскому) взбросу, северо-западная - по р. Иня. Площадь района около 1645 км'. По административному делению эта территория занимает часть Беловского, Прокопьевского и Новокузнецкого районов Кемеровской области (см. рис. 1),
Освоение района угледобывающей отраслью начато в 1960-е годы со строительства разреза "Каракасский". В 1986 г. пущены в эксплуатацию разрезы "Таллинский" и "Ерунаковский", затем шахта "Таллинская Западная". В 1990-е годы заложены шахты "Вольная", "Котинская". "№ 7". "Таллинская Южная", "Таллинская Западная Т\ "Ульяновская", разрезы "Майский": "Ново-казанский", "Караканский Южный", "Камышанский".
В прежние годы, геологоразведочные работы в районе проводились с целью подготовки площадей для добычи угля. Поэтому геологическая изученность его весьма своеобразна. Довольно детально он изучен до глубин 300-400 м от дневной поверхности. Здесь пройдены тысячи разведочных скважин и гор-
Беловский
Гурьевский
Икиорский
Кемеровский
Крапивинекий
Ленинск-Кузнецкий
Мариинекий
Иеідуреченский
Новокуэнецкий
Прокопьевский
Проималенновский
Таатагольский
Тисульский
Топкинекий
Тяжииский
Чебулинский
Юргинский
Яйский
Яакинский
г. Белово
г. Гурьеве к
пгт Икиорский
г. Кеиерово
пгт Крапивинский
г Ленинск-Кузнецкий
г. Иариинск
г Междуреченск
г Новокузнецк
г Прокопьевск
пгт Промышленная
г Та«тагол
пгт Тисуль
г. Топки
пгт Тяжинский
пгт Верх-Чебула
г Юрга
пгт Яя
пгт Яакино
Рис. 1. Административная карта Кемеровской области с контуром Кузбасса (оранжевый) и Ерунаковского района (зеленый).
-L
-Ь.
/ ДГ L
НАСЕЛЕННЫЕ ПУНКТЫ
% КЕМЕРОВО Центры областей
ТАЙГА Города
о Боровой Поселки городского типа
о Тогуя Населенные пункты
сельского типа Центры районов
ТОЛКИ
- Железные дороги
tfFMl
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ Федеральные магистральны дороги, их номера
Территориальные дороги
ГРАНИЦЫ
»————— субъектов Российской Федерации
— » административных районов
ных выработок. Весьма тщательно изучены строение и выдержанность угольных пластов и их поведение в плане. При этом установлена значительная изменчивость как самой угленосной толщи, так и отдельных угольных пластов. Детального анализа причин изменчивости и поиска ее закономерностей ранее не проводилось. На основе результатов изучения верхних горизонтов района, дан достаточно достоверный прогноз геологического строения его глубоких горизонтов, однако, неясным остается строение и степень изменчивости угольных пластов.
Ниже 600 м, на глубинах, целесообразных для организации добычи метана из угольных пластов, пройдены единичные скважины. Информации для проектирования полигонов опытно-промышленной добычи газа явно недостаточно.
Коллектором газа в угленосном бассейне является угольный пласт. При оценке запасов газа, проектировании и строительстве добывающего предприятия, на одно из первых мест выходят вопросы количества угольных пластов в пределах конкретной площади, их мощности и степень выдержанности в пространстве.
Администрацией Кемеровской области была принята и реализуется целевая региональная программа «Опытно-промышленной добычи метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна». В рамках этой программы, в пределах Еру-наковского района ведется бурение глубоких разведочных скважин, которые, по комплексу выполняемых в них исследований, относятся к разряду опорных.
Обработка результатов бурения этих скважин дает информацию для подсчета запасов газа в угольных пластах. Одна из важных задач при этом, состоит в том, чтобы оценить выдержанность каждого угольного пласта, как коллектора газа, по площади и рекомендовать группы наиболее выдержанных пластов для дальнейшей добычи газа из них. Сделать это по единичным скважинам достаточно сложно. Поиску критериев для оценки выдержанности угленосной толщи и отдельных угольных пластов, как коллекторов газа, в пространстве посвящена настоящая работа.
Автором предложены и защищаются следующие положения:
В отложениях верхней перми Ерунакоского района выделены и закар-тированы овеществленные трансгрессивно-регрессивные этапы осадконакопле-ния до крайней мере трех рангов, отвечающие по времени эпохе, веку и фазе.
Впервые доказано, что наиболее продуктивные с точки зрения добычи метана, выдержанные в пространстве угольные пласты приурочены к уровням трансгрессий.
Определен контуров пределах которого выдержанные группы угольных пластов залегают на глубинах, доступных для добычи из них метана,
Для мощных, но не выдержанных в плане угольных пластов тайлуган-ской свиты, сформированных на регрессивном этапе осадконакопления выявлена и оконтурена «центральная зона», в пределах которой угольные пласты рекомендованы для добычи газа.
В пределах Ерунаковского района подсчитаны ресурсы газа, для которых имеются техника и технологии извлечения. Они оценены в 129 млрд. м3, что обеспечит запасами газовый промысел с объемом добычи газа до 7 млрд. м3 в год.
Научная новизна настоящей работы состоит в том, что автором впервые предложена методика поиска и картирования выдержанных угольных пластов как коллекторов газа. Суть подхода заключается в детальном фациально-генетическом изучении угленосных толщ с применением новейших методик интерпретации их пространственно-временного распространения. В разрезе угленосных отложений Ерунаковского района выделено 13 фаций, отвечающих 6-ти обстановкам осадконакопления, которые объединены в 3 комплекса фациаль-ньгх обстановок. Определены трансгрессивные и регрессивные этапы заполнения бассейна. Доказано, что наиболее устойчивые в пространстве группы угольных .пластов сформированы на трансгрессивном этапе. Для отложений тайлуганской свиты в пределах района автором впервые выделена центральная зона, отвечающая площади развития озерно-болотной обстановки осадконакопления и отличающаяся наибольшей выдержанностью угольных пластов..
Основой для выполнения работы послужили: анализ материалов бурения сотен глубоких скважин, пройденных при разведке угольных месторождений;
документация разреза в борту Таллинского карьера, протяженностью около 5-ти км и наблюдение за продвижением этого борта в пространстве в течение 3-х лет; результаты изучения керна 5-ти глубоких скважин, пройденных в Еруна-ковском районе для разведки метана угольных пластов. Естественно, что при этом автор опирался на более чем 20-ти летний собственный опыт геологоразведочных работ (рис.2, рис. 3). А это разведка десятка шахтных и карьерных полей в Кузбассе, участие в составлении более 10 отчетов и защите в ГКЗ и ТКЗ запасов углей по 4 объектам. /Ярков В.О. и др. 1986, 1987, 1988, 1990, 1991, 1992/.
Для поиска наиболее выдержанньгх групп угольных пластов в разрезе района использовался литолого-фациальный анализ. Для определения площадей развития этих групп в пространстве использована стандартная методика построения изогипс по фактическому материалу. Требования к полигону для организации добычи метана из угольных пластов приняты по работам Б.Г. Зимакова и В.Г. Натура. При анализе полученных данных применялись теоретические разработки и методики, изложенные в работах Белянина Н.М., Будинкова И.В., Зимакова Б.М., Преображенского М.Б., Радченко ГЛ., Халфина Л.Л., Boliacs К, Posamentier H.W. и др. В работе использованы материалы отчета по результатам «поисковых работ и геолого-промысловых исследований на площадях, подготавливаемых к опытно-промышленной добыче метана из угольных пластов в Ерунаковском районе Кузбасса» за 2003 г., одним из авторов которого являлся автор данной работы.
Практическая ценность выполненной работы заключается в том, что на основе анализа условий образования осадков, оказалось возможным определить интервалы разреза и площади, где угольные пласты наиболее выдержаны в пространстве. Самым продуктивным при этом оказались разрезы грамотеинской и части ленинской свит. В них выделены группы угольных пластов, представляющие практический интерес для добычи газа, определена площадь их распространения на глубинах, представляющих интерес для добычи метана. По подошве таилуганскои свиты отстроена карта изогипс,' по которой определена площадь существования мощных угольных пластов. Подсчитаны ресурсы газа,
для которых имеются техника и технологии извлечения. Они оценены в 129 млрд. м3, что обеспечит запасами газовый промысел с объемом добычи газа до 7 млрд. м3 в год.
Осшвные положения диссертации обсуждались на международном конгрессе в 1991 г. (г. Пермь), научно-практических конференциях в 1996 г. (Новокузнецк), 2002 г. (Томск), 2003 г. (Кемерово) годах и изложены в 6-ти статьях.
Диссертация состоит из 5-ти глав, введения и заключения. Она содержит 126 страниц текста, 26 рисунков и 4 таблицы. Список использованной литературы включает 109 наименований.
Научное руководство работой осуществлялось к. г-м. н. И.В. Будниковым. На мировоззрение автора оказали влияние В.М. Богомазов, Ю.П. Казанский, В.И. Бгатов, С.С. Сухов, М.Б. Преображенский, В.Ф. Череповский, Б.М. Зима-ков, Ю.С. Наддер, Я.М. Гутак, АЛ. Авдеев, В.Г. Натура, В.Е. Сивчшсов, В.И Ермилов В.Ф. Дербенев, П.И. Козловский. Их полезные консультации и конструктивная'критика очень помогли в написании данной работы.
Всем упомянутым, автор выражает глубокую благодарность.
Угольный пласт 87
Прослои сидерита Алевролиты
Песчаники
Угольный пласт 86-84
Алевролиты
Рис. 2. Пример строения межпластья угольных пластов 87 и 86-84. Ерунаковский район. Таллинское месторождение. Таллинский угольный разрез.
Покровные суглинки Алевролит мелкозернистый
Алевролит крупнозернистый песчаник
Уголь
Рис.3. Пример строения кровли угольного пласта. Разрез Moura, NSW, Австралия.
История литолого-стратиграфических исследований
Ниже 600 м, на глубинах, целесообразных для организации добычи метана из угольных пластов, пройдены единичные скважины. Информации для проектирования полигонов опытно-промышленной добычи газа явно недостаточно.
Коллектором газа в угленосном бассейне является угольный пласт. При оценке запасов газа, проектировании и строительстве добывающего предприятия, на одно из первых мест выходят вопросы количества угольных пластов в пределах конкретной площади, их мощности и степень выдержанности в пространстве.
Администрацией Кемеровской области была принята и реализуется целевая региональная программа «Опытно-промышленной добычи метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна». В рамках этой программы, в пределах Еру-наковского района ведется бурение глубоких разведочных скважин, которые, по комплексу выполняемых в них исследований, относятся к разряду опорных.
Обработка результатов бурения этих скважин дает информацию для подсчета запасов газа в угольных пластах. Одна из важных задач при этом, состоит в том, чтобы оценить выдержанность каждого угольного пласта, как коллектора газа, по площади и рекомендовать группы наиболее выдержанных пластов для дальнейшей добычи газа из них. Сделать это по единичным скважинам достаточно сложно. Поиску критериев для оценки выдержанности угленосной толщи и отдельных угольных пластов, как коллекторов газа, в пространстве посвящена настоящая работа.
Автором предложены и защищаются следующие положения:
1. В отложениях верхней перми Ерунакоского района выделены и закар-тированы овеществленные трансгрессивно-регрессивные этапы осадконакопле-ния до крайней мере трех рангов, отвечающие по времени эпохе, веку и фазе.
2. Впервые доказано, что наиболее продуктивные с точки зрения добычи метана, выдержанные в пространстве угольные пласты приурочены к уровням трансгрессий.
3. Определен контуров пределах которого выдержанные группы угольных пластов залегают на глубинах, доступных для добычи из них метана,
4. Для мощных, но не выдержанных в плане угольных пластов тайлуган-ской свиты, сформированных на регрессивном этапе осадконакопления выявлена и оконтурена «центральная зона», в пределах которой угольные пласты рекомендованы для добычи газа.
5. В пределах Ерунаковского района подсчитаны ресурсы газа, для которых имеются техника и технологии извлечения. Они оценены в 129 млрд. м3, что обеспечит запасами газовый промысел с объемом добычи газа до 7 млрд. м3 в год.
Научная новизна настоящей работы состоит в том, что автором впервые предложена методика поиска и картирования выдержанных угольных пластов как коллекторов газа. Суть подхода заключается в детальном фациально-генетическом изучении угленосных толщ с применением новейших методик интерпретации их пространственно-временного распространения. В разрезе угленосных отложений Ерунаковского района выделено 13 фаций, отвечающих 6-ти обстановкам осадконакопления, которые объединены в 3 комплекса фациаль-ньгх обстановок. Определены трансгрессивные и регрессивные этапы заполнения бассейна. Доказано, что наиболее устойчивые в пространстве группы угольных .пластов сформированы на трансгрессивном этапе. Для отложений тайлуганской свиты в пределах района автором впервые выделена центральная зона, отвечающая площади развития озерно-болотной обстановки осадконакопления и отличающаяся наибольшей выдержанностью угольных пластов..
Основой для выполнения работы послужили: анализ материалов бурения сотен глубоких скважин, пройденных при разведке угольных месторождений; документация разреза в борту Таллинского карьера, протяженностью около 5-ти км и наблюдение за продвижением этого борта в пространстве в течение 3-х лет; результаты изучения керна 5-ти глубоких скважин, пройденных в Еруна-ковском районе для разведки метана угольных пластов. Естественно, что при этом автор опирался на более чем 20-ти летний собственный опыт геологоразведочных работ (рис.2, рис. 3). А это разведка десятка шахтных и карьерных полей в Кузбассе, участие в составлении более 10 отчетов и защите в ГКЗ и ТКЗ запасов углей по 4 объектам. /Ярков В.О. и др. 1986, 1987, 1988, 1990, 1991, 1992/.
Для поиска наиболее выдержанньгх групп угольных пластов в разрезе района использовался литолого-фациальный анализ. Для определения площадей развития этих групп в пространстве использована стандартная методика построения изогипс по фактическому материалу. Требования к полигону для организации добычи метана из угольных пластов приняты по работам Б.Г. Зимакова и В.Г. Натура. При анализе полученных данных применялись теоретические разработки и методики, изложенные в работах Белянина Н.М., Будинкова И.В., Зимакова Б.М., Преображенского М.Б., Радченко ГЛ., Халфина Л.Л., Boliacs К, Posamentier H.W. и др. В работе использованы материалы отчета по результатам «поисковых работ и геолого-промысловых исследований на площадях, подготавливаемых к опытно-промышленной добыче метана из угольных пластов в Ерунаковском районе Кузбасса» за 2003 г., одним из авторов которого являлся автор данной работы.
Геологическое строение
Содержание природных газов в угольном пласте зависит от вещественного состава угля, степени его метаморфизма и глубины залегания. Таким образом, качественные показатели углей имеют важное значение при организации добычи метана из угольных пластов. Наряду с прямыми определениями, они используются для прогноза природной газоносности, проницаемости угольных пластов и оценке ресурсов газа при выборе наиболее перспективных площадей. Из литературы известно, что наиболее привлекательными для промышленной добычи метана из угольных пластов считаются угли средней стадии метаморфизма с повышенным содержанием витринита /Карасевич 2001/.
Характеристике качественных показателей углей Кузбасса, изменчивости их вещественного состава и степени метаморфизма посвящена масса работ. Ведущее положение среди авторов занимают работы Э.М. Паха, более 60-ти лет посвятившего изучению этой проблемы. Им и другими исследователями установлен и в многочисленной литературе показан ряд закономерностей, касающихся изменчивости качественных показателей углей кольчугинскои серии Кузбасса, в том числе и Ерунаковского района /Э.М. Пах 1996/. Используя данные закономерности и вновь полученные фактические данные, можно дать оценку изученного разреза, выделить интервалы и площади, наиболее перспективные для организации добычи метана из угольных пластов в районе..
Угли кольчугинскои серии по петрографическому составу более или менее однородны. Значительных колебаний в содержании слагающих их микрокомпонентов не наблюдается. Установлено лишь закономерное повышение количества отощающих компонентов снизу вверх по разрезу. Это позволяет прогнозировать некоторое ухудшение коллекторских свойств углей и их проницаемости от нижних пластов к верхним.
Стратиграфия и литология
Как известно, от правильно выбранной методики во многом зависит успех любого исследования. Понять это можно, анализируя подходы к изучению стратиграфического деления угленосных толщ Кузбасса во времени.
Первые исследователи Кузбасса (Белянин Н.М., Будников В.И., Бутов П.И.. Радченко Г.П., Сендерзон Э.М.: Халфин Л.Л., Янкелевич А.И. Яворский В.И. и др.) были геологами широкого профиля. При расчленении угленосных толщ бассейна, они основывались на генетическом подходе к выделению стратиграфических подразделений, рассматривая любое из них, в первую очередь, как геологическое тело. При этом анализ найденных в каждом выделенном теле ископаемых остатков являлся одной из составляющих комплексного изучения разреза. Благодаря работам данных исследователей, была построена первая модель геологического строения Кузнецкого бассейна и предложены первые схемы расчленения его отложений.
Следует заметить, что, не смотря на обилие полученного в последующие годы материала, принципиально данная модель существенно не изменилась. Достоверно установлено время формирования угленосных отложений - верхний-средний карбон, пермь и юра. Мощность сформированных за это время осадков - около 6-ти км свидетельствует о лавинной седиментации, а их однообразие и цикличность - об относительно стабильных условиях осадконакопле-ния. Основными поставщиками терригенного материала служили Кузнецкий Алатау и Горная Шория, в меньшей степени - Салаир и Томь-Колыванская область. Пресноводность осадков и наличие-горных сооружений, окружающих осадочный бассейн, свидетельствует об относительной изолироваиности его от морского палеобассейна.
Хотя, конечно, отдельные детали, весьма значимые для угледобывающего региона, были заметно уточнены и откорректированы при последующей разведке угольных месторождений.
Дальнейшие работы в области стратиграфии велись в направлении уточнения возраста отдельных участков, месторождений, уточнении стратиграфической схемы, более детальном изучении ископаемых остатков. Здесь наиболее заметными исследователями были Бетехтина О.А., Богомазов В.М., Горелова С.Г., Дрягина Л.Л., Юзвицкий А.З. и др. В это время в основном проводились детальные быостратиграфи чески е исследования. Постепенно, как и во всей стратиграфии того времени, при расчленении угленосных отложений Кузбасса основной упор был сделан на изучение ископаемых остатков. В результате, РУСС-79/82 (Решения ..., 1982) явилась апофеозом биостратиграфического метода, воплотившим все его достоинства и недостатки и, видимо, исчерпавшим его возможности в классической модификации.
Свиты и горизонты РУСС-79/82 по своему содержанию являются в большей степени фитогоризонтами, т.е. отражают этапность развития наземной растительности, что неоднократно подчёркивалось её" авторами (Решения..., 1982; Верхний палеозой..., 1988; Будников, Горелова, 1996 и др.). Подобная трактовка свит, совершенно не учитывающая состава и соотношения слагающих их пород, хотя и не находится в прямом противоречии с требованиями действующего Стратиграфического кодекса, но вряд ли найдёт горячих сторонников у большинства геологов-практиков. В их понимании свита должна выделяться как геологическое тело, имеющее четкие границы, которые возможно картировать в пределах изучаемого месторождения, района или его части. И весьма важными показателями для свиты угленосного бассейна должны являться ее угленосность, наличие и характер распространения в ней угольных пластов. Иными словами, свита это вещественно выраженный этап геологического развития региона, а не органической жизни в его истории.
Такая однобокость в подходе к стратиграфии бассейна неизбежно должна была привести к ошибкам в определении стратиграфической позиции разных разрезов и объёмов стратонов в них. Особенно это касается кольчугинской серии верхней перми, являющейся объектом исследования. Наиболее яркий из них приведенный мной ранее (Ярков В.О. 1996), показывает существенное расхождение в определении возраста угленосных толщ, вскрываемым Центральным профилем (рис.20). Здесь разница в определении положения стратиграфических границ разными методами превышает 500 м нормального разреза.
