Газоносность угленосных отложений

Газоносность угленосных отложений (метаноносность, если расчет ве­дется по основному газовому компоненту) включает в себя природную газоносность угольных пластов (объем газа, содержащегося в единице массы угля в природных условиях, м³/т горючей массы) и вмещающих пород (общий объем газов, содержащихся в единице массы или объема поро­ды, м³/т или м³/м³) [Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР, 1979 ].

Количество метана в угленосных отложениях оценивается различными исследователями от 240 до 6000 трлн. м³ [Ермаков В. И., 1984 г.]. Не­смотря на столь разные количественные оценки, очевидно, что объем метана, содержащегося в угленосных отложениях, во много раз превышает ресурсы метана в традиционных газовых месторождениях. В ряде угленосных бассейнов количество такого метана эквивалентно по запасам газовым месторождениям. Природный газ угленосных отложений содержит химические компоненты как первичного, так и вторичного происхождения. Он состоит преимущественно из метана, углекислого газа и азота; в его составе в виде примесей присутствуют: ТУ, Н₂, H₂S, SО₂, CO и редкие газы.

Основным газовым компонентом угленосных толщ является метан (СН₄), содержание которого колеблется от 60 до 98%. По данным изотопных исследований он генетически связан с угольным веществом, являясь пре­имущественно продуктом его метаморфизма. Отсюда прямая зависимость содержания метана от степени метаморфизма углей, которая достигает максимальных значений у антрацитов марки А/10 (40÷45 м³/т). Однако в высокометаморфизованных антрацитах марок А/12-А/14 метаноносность резко понижается — практически равна нулю.

Азот является вторым по распространенности компонентом (20%, реже до 100% от общего объема газа), имеющим преимущественно атмо­сферное и в меньшей степени реликтовое (конседиментационное) проис­хождение, а местами и глубинное, связанное с породами кристаллического фундамента. Его содержание закономерно уменьшается с увеличением глу­бины. Однако на стадиях углефикации, А/12-А/14, когда в углях очень мало или практически нет СН₄, азот может преобладать в составе природных газов при незначительном абсолютном его содержании.

Углекислый газ в составе газов угленосных отложений со­держится в небольших количествах (0,1÷4,0%), достигает иногда 100%, за счет биохимических процессов на низких стадиях метаморфизма.

Тяжелые углеводороды встречаются в природных газах угленосных отложений в количествах от долей процента до 15—20%. При повсеместном площадном распространении характерно неравномерное рас­пределение тяжелых УВ в газах угленосных формаций. Максимальное содержание их отмечается в углях средних стадий метаморфизма, в газах закрытых микропор и в районах, связанных с нефтепроявлениями.

Водород в угольных газах встречается в незначительных коли­чествах, редко достигает 40—50% при незначительном абсолютном содер­жании газа. Происхождение водорода обусловлено в основном биохими­ческими процессами превращения растительных веществ в уголь, связано с метаморфизмом угля, не исключается также и миграция из подкоровой части Земли.

Оксид углерода (СО) в составе газов угленосных отложений встречается редко, в количестве от сотых до тысячных долей процента.

Сернистый газ (SO₂) присутствует в виде гнездообразных скоплений. Генезис его неясен.

Сероводород (H₂S) находится в газах угольных отложений в ко­личестве от десятых долей процента до первых процентов, образуется в результате реакции взаимодействия сульфатных вод с метаном, разложения пирита и марказита. Местами поступает в угленосную толщу при дренаже сероводородных подземных вод.

Редкие газы (Не, Ne, Ar, Кr, Хе), за исключением радиогенного гелия, встречаются в постоянных соотношениях с азотом, соответствующих их содержанию в воздухе (десятые доли процента и менее). Эти газы имеют преимущественно атмосферное происхождение, реже поступают по глубинным разломам из более глубоких недр Земли. Примеси в природном газе угленосных отложений при высоких содержаниях имеют промышленное значение: этан при содержании 3%, гелий — 0,05%, Н₂ — 0,5%.

Природные газы в угленосных отложениях в зависимости от содержания ОВ находятся в сорбированном состоянии (в углях и углистых прослоях с содержанием ОВ более 30%), в форме свободного и водорастворенного газа (во вмещающих породах с содержанием ОВ менее 10%). При низких температурах возможно существование метана и его гомологов в кристал-логидратной форме.

Газоемкость углей контролируется законами сорбции. Сорбционная способность вмещающих пород на два порядка меньше, чем углей, поэтому их метаноемкость определяется коллекторскими свойствами, емкостными и фильтрационными характеристиками.

Различия форм нахождения предопределили слоистое распределение рассеянных и концентрированных масс углеводородных газов в разрезе угленосных толщ и изменчивость их химического состава. Распределение газов в угленосных формациях характеризуется значительными количествен­ными и качественными изменениями по простиранию и по падению пород.

Большое значение для геохимии газов угольных месторождений имеет открытая Г.Д. Лидиным в 30-х годах прошлого столетия в Донбассе и подтвержденная позднее на других угольных бассейнах газовая зональность [Лидин, 1964]. Согласно Г.Д. Лидину, состав газов по основным компонентам (СО₂, N₂ и СН4) изменяется с глубиной погружения угольных пластов в определенном порядке, образуя четыре зоны - азотно-углекислых, азотных, азотно-метановых и метановых (табл.12.2). В формировании этих зон большая роль принадлежит воздушным газам и газам верхних слоев биосферы. В связи с этим, первые три зоны были объединены Г.Д. Лидиным в зону газового выветривания.

Таблица 12.2

Пределы содержания двуокиси углерода, азота и метана в газовых зонах угольных месторождений [Г.Д. Лидин, 1968]

Вцелом в угленосных бассейнах выделяют следующие зоны:

1. Верхняя маломощная зона эпигенетического газового выветривания, которая в ряде бассейнов делится на подзоны: азотно-углекислую, углекисло-азотную, метано-азотную и азотно-метановую.

2. Мощная зона метановых метаморфизованных газов с содержанием метана до 80—100%.

3. Зона метаморфогенной деметанизации (при наличии суперантрацитов).
В метановой зоне в ряде бассейнов выделяется подзона метановых газов с повышенным содержанием ТУ и присутствием паров пентанов и гексанов. Мощность отдельных газовых зон по вертикали колеблется от 0 до десятков и сотен метров.

Зоне метановых газов всегда уделялось большое внимание, как наиболее опасной при проведении горных работ. Табл. 12.3 дает представление о составе газов метановой зоны некоторых угольных месторождений.

Таблица 12.3

Состав газов метановой зоны угольных месторождений [Сивак, 1962; Кравцов, 1971]

Помимо основных компонентов (СО₂, N₂, CH₄) в составе газов угольных месторождений установлено также присутствие гомологов метана (до гептана), водорода, сероводорода, инертных газов и окиси углерода.

Вопрос генезиса угольных газов достаточно сложен и однозначного решения его до сих пор нет. Не вызывает сомнения только происхождение метана, сопровождающего процесс углефикации ОВ углей. Азот, по мнению многих исследователей [Ласточкин, 1964; Лидин, 1968; А.Э. Петросян и др., 1973] имеет воздушное происхождение; небольшую долю в общей его массе может составлять азот, генерирующийся в процессе углефикации.

Наиболее полно и детально гомологи метана исследованы в составе газов метановой зоны углей Донбасса. Как отмечалось выше, в составе газов углей установлены гомологи метана (от этана до гептана) с преобладанием этана и пропана. Более высокомолекулярные гомологи не являются характерными и обязательными компонентами (табл. 12.4).

Таблица 12.4

Компонентный состав гомологов метана в угольных газах метановой зоны (метморфогенной группы по Б.М. Косенко, М.Л. Левенштейну, 1968)

Зона метановых газов распространяется на несколько градаций катагенеза углей. В связи с этим представляет интерес приуроченность гомологов метана к различным градациям катагенеза.

Из работ Л.А. Трофимова [Трофимов, 1972] следует, что с возрастанием степени преобразованности углей доля высокомолекулярных гомологов метана уменьшается и уже в газах углей градаций АК₁-АК₂ (Т-ПА) гомологи метана представлены этаном и пропаном, на градации АКз-₄ (А) - только этаном, редко пропаном. В газах высокометаморфизованных антрацитов (суперантрацитов) гомологи метана отсутствуют. Максимальное содержание последних (% об. на сумму газа) приурочено к газам углей градации МК₄ (К). Максимальное содержание пропана, бутана и пентана (% на сумму гомологов) приурочено к градациям углей МК₄ (К), МК₅ (ОС) и AK1 (T) соответственно. Подобное распределение гомологов метана, несомненно, свидетельствует об образовании их в процессе углефикации ОВ углей (табл. 12.5).

Таблица 12.5

Содержание гомологов метана в газах углей различных градаций катагенеза [Трофимов, 1972]

Согласно данным Рогозиной Е.А. (http://www.ngtp.ru/) , максимальной метаноносностью характеризуются угли градации АК₂ (ПА) в зоне палеоглубин погружения 5-6 км. Согласно этим же данным при переходе торфа в графит органическое вещество теряет 62,8% массы, из них на долю метана приходится 15,8 вес.%. Выделено пять этапов повышенной генерации метана — биохимический, перехода бурых углей в каменные, «углефикационного скачка», перехода каменных углей в полуантрациты и в дальнейшем - в антрациты. Этап повышенной генерации метана на градациях катагенеза МК₅ - начало АК₂ (ОС - начало ПА) выделен как главная фаза газообразования (ГФГ). Созданная модель не только воспроизводит общую картину генерации газов, но и является основой при оценке прогнозных запасов газа в отложениях с, преимущественно, гумусовыморганическим веществом и при оценке степени безопасности работ в угольных шахтах.

Современная метаноносность угленосных отложений формировалась под влиянием геологических факторов, способствовавших как ее возникновению и росту, так и ее уменьшению за счет дегазации. Это прежде всего метаморфизм углей, мощность угленосных толщ, их угленасыщенность и возраст отложений, тектонические процессы, магматизм, литологический состав пород и т. д. Превалирующее действие тех или иных геологических факторов привело к сильной изменчивости метаноносности углей (от 1—2 до 40—45 м³/т горючей массы). Несмотря на все многообразие геологи­ческих факторов, повлиявших на формирование современной метаноносности угленосных толщ, можно выделить два основных — геотектонический режим территории и возраст угленакопления.

Метаноносность угленосных бассейнов палеозойского возраста пере­ходной тектонической группы, а также бассейнов, расположенных на древних платформах, наиболee высокая (40÷45 м³/т горючей массы). Объем сохра­нившегося в них метана достигает сотен кубических миллиардов. Метано­носность бассейнов мезозойского возраста этих же групп не превышает 8—10 м³/т горючей массы (количество метана в них исчисляется десятками кубических миллиардов). Бассейны, расположенные в пределах молодых платформ и геосинклинальных областей, вне зависимости от возраста, обладают низкой метаноносностью, преимущественно до 6 м³/т горючей массы (редко до 15). Ресурсы метана в них не превышают единиц кубических миллиардов.

По химическому составу газы угленосных отложений и газы газовых месторождений очень близки: и те, и другие состоят преимущественно из метана (70 — 98%), углекислого газа и азота (3÷20%), а также содержат примеси оксида углерода, сероводорода, гелия и др.

Контрольные вопросы:

· Какие вопросы геохимии позволяет решать знание состава газов в литосфере?

· Могут ли глубинные процессы выщелачивания карбонатов в присутствии пластовых вод приводить к накоплению диоксида углерода?

· Назовите формы нахождения газов в соляных породах.

· Какие типы газов присутствуют в соляных породах?

· Какие процессы происходят с газами в течении всего геологического времени существования соляных пород?