Геофизические и петрофизические исследования по определению компонентного состава каменного угля Пермского края

Современные вызовы требуют новых подходов к устойчивому развитию, включая природоподобные технологии, имитирующие естественные процессы для гармонизации техносферы и биосферы. Одним из примеров является управляемая скважинная добыча метана из угольных пластов (МУП) – контролируемый аналог природного выделения газа (Груздева и др., 2024). Угольные пласты во многих странах рассматриваются как источник ценного метана, а именно экологичная альтернатива углю, хотя его эффективная добыча остается актуальной задачей (Максимович и др., 2018). Наличие таких пластов в Пермском крае создает предпосылки для геофизических и петрофизических исследований потенциала добычи метана как наиболее экологичного и экономичного способа использования месторождений (Груздева и др., 2025).

Стратиграфическое положение угленосной формации на территории Пермского края

В исследовании рассматривается визей-ская угленосная формация, наиболее изученная в Кизеловском прогибе (мощность до 250–270 м на востоке). Практически все нефтяные скважины края вскрывают угленосный бобриковский горизонт (C 1 V 2 bb ), содержащий до восьми пластов угля (с 11 по 23 по шкале Васильева П.В.), включая основные рабочие пласты КУБа (11-й и 13-й). Его мощность варьирует от 40–50 м на поднятиях до 90–100 м в опусканиях. В Пермском Приуралье горизонт распространен повсеместно, кроме северо-запада, сложен кварцевыми песчаниками с прослоями алевритов, угля и железняков, его мощность на платформе составляет 0–56 м (Пахомов и др., 1980).

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

Характеристика угленосности и качества угольных пластов

Угленосные отложения Кизеловского бассейна на платформе Пермского края залегают на глубинах 1300–3300 м (в Предураль-ском прогибе), в Удмуртии и Татарстане – 1000–1200 м. Данные об угленосности получены в основном нефтеразведкой, но низкий процент выхода керна уменьшает достоверность. Идентификация пластов и определение мощности часто возможны только по геофизическим исследованиям скважин (ГИС), несмотря на риск ошибок из-за углистых аргиллитов и высокозольных углей. Угли отличаются повышенной зольностью (12–45 %), обусловленной привносом материала в торфяники, неравномерным распределением примесей и петрографическим составом (матовые угли зольнее). Комбинированный пласт 11+13 Гремячинского и Во-сточно-Гремячинского месторождений имеет среднюю зольность, повышенную серу, высокий выход летучих (до 43 %). Это газовые угли (на границе с длиннопламенными) средней обогатимости, непригодные для самостоятельного коксования, но высококалорийные, применяемые в энергетике и как химсырье (Максимович и др., 2018; Пахомов и др., 1980).

Комплекс геофизических исследований в скважинах для оценки метаноносности каменноугольных пластов

Традиционные методы ГИС в нефтегазовой отрасли измеряют ключевые свойства угольных пластов: интервальное время акустического сигнала (АС), естественное гамма-излучение (GR), плотность (DEN), данные нейтронного каротажа (CNL), удельное электрическое сопротивление (R), потенциал самопроизвольной поляризации (SP) и кавернометрию (CAL). Комплекс DEN, GR, CNL, АС, R идентифицирует резервуары метана угольных пластов (МУП), анализирует литологию и оценивает проницаемость. Сочетание DEN, АС, CNL позволяет вычислять упругие параметры (Хоу Цзе и др., 2016). Без керна весь комплекс ГИС служит для оценки мета-ноносности углей с минимизацией затрат.

Резервуары МУП, образованные из растительных остатков, отличаются от обычных коллекторов самовозгораемостью, высокой хрупкостью и низкой плотностью, что отражается в каротажных аномалиях. Для них типичны (Груздева и др., 2024; Хоу Цзе и др., 2016; Шумилов и др., 2015; Шумилов и др., 2015):

• -    повышенные АС (350–450 мкс/м), CNL-пористость (30–50 %), R и CAL;

• -    пониженные DEN (<1800 кг/м³), SP, GR (20–100 API (2–10 Бк/кг)).

Эти признаки могут быть использованы для идентификации и классификации резервуаров МУП. Опыт китайских геофизиков подтверждает успешное применение аналогичных методов ГИС для идентификации резервуаров МУП (Груздева и др., 2024; Хоу Цзе и др., 2016; Шумилов и др., 2023).

Интерпретация данных ГИС в скважинах, расположенных в районе Кизеловского угольного бассейна

При нефтеразведке вблизи северной и южной частей Кизеловского бассейна скважины вскрыли угольные пласты. Их отличают характерные физические свойства для идентификации по данным ГИС: пониженная плотность, низкий фотоэффект (Р е ), повышенное содержание водорода по нейтрон-нейтронному каротажу (ННК), высокие значения скорости продольной волны (DTP) по акустическому каротажу (АК) и широкий диапазон удельного сопротивления.

В скважине П-кой площади (рис. 1) стандартный комплекс ГИС выявил угольные пласты в бобриковском горизонте на глубинах 2584,2–2586,8, 2600,6–2601,2 и 2617,0– 2618,3 м по снижению плотности (гамма-гамма каротаж плотностной (ГГК-П)). Скважина пробурена с углом до 61° в этих интервалах. Общая мощность угольных пропластков составила 4,5 м (Груздева и др., 2024).

Расчет компонентов экспресс-анализа

Компоненты экспресс-анализа угля (влажность M ad , зольность A ad , выход летучих V daf и содержание связанного углерода FC ad ) являются основой оценки его качества, типа и газосодержания.

Объемная модель породы

Рис. 1. Выделение угольных пластов по данным ГИС в скв. П-кой пл. (Груздева и др., 2024)

Для оценки компонентов применяют объемную модель (M ad + A ad + V daf + FC ad = 1) с использованием данных трех методов каротажа пористости и регрессионный анализ на основе петрофизических исследований проб и данных ГИС (Шумилов и др., 2015; Хоу Цзе и др., 2016).

Определение некоторых петрофизических параметров каменного угля

Для наработки методики оценки метано-носности угольных пластов выполнены петрофизические лабораторные исследования 95 образцов угля из отвалов Гремячинского месторождения и 4 образцов керна из нефтяных скважин. Необходимо отметить, что начальный этап исследований первых 45 образцов угля из упомянутых отвалов был описан ранее в работе (Груздева и др., 2025).

Определялись: открытая пористость (К по ), плотность, зольность, концентрация радия (Ra), тория (Th), калия (K) и удельная массовая активность (J). Отбор проб в зоне естественных выходов обеспечил репрезентативность материала. Процесс исследования проб осуществлялся следующими методами: гравиметрическим анализом (зольность), определением коэффициента открытой пористости жидкостенасыщением (открытая пористость), определением плотности грунта методом взвешивания в воде (объемная плотность), определением плотности частиц грунта пикнометрическим методом (минералогическая плотность), методом гамма-спектрометрии (концентрация радиоактивных элементов).

В результате исследований были получены следующие выводы.

Содержание золы колеблется от 4,51 до 39,35 %. Плотностные показатели демонстрируют следующие диапазоны значений: объемная плотность – 1,24–1,94 г/см³, минералогическая плотность – 1,11–1,68 г/см³. Открытая пористость изменяется от 0,94

до 16,92 %. Радиоактивные элементы распределены неравномерно: содержание радия составляет 0–13,52×10⁻⁴ %, тория – 0– 11,83×10⁻⁴ %, калия – 0–2,02 %. Удельная массовая активность образцов варьирует от 8,32 до 207,46 Бк/кг, что отражает существенные различия в радиоактивных свойствах исследуемых углей.

Угольные пласты, выделенные по ГИС на П-ом и М-ом месторождениях, были подтверждены керном, исследованном нами в лаборатории на те же ключевые петрофизические параметры, что и образцы угля из отвала Гремячинского месторождения (табл. 1, 2).

Совместное использование данных ГИС и лабораторных исследований керна позволяет достоверно выделять угольные пласты и определять их характеристики. Результаты подтверждают надежность метода и служат основой для дальнейшего изучения угленосных отложений, в том числе оценки их метаноносного потенциала.

Корреляционный анализ полученных данных

Корреляционный анализ образцов угля выявил значимые связи между физическими свойствами угольных пластов. Наиболее сильная зависимость между зольностью и плотностью: коэффициент корреляции 0,51 с объемной плотностью и 0,66 с минералогической (рис. 2–3). Это позволяет использовать плотность для прогноза зольности.

Связь плотности с пористостью слабая (коэффициенты 0,04 для объемной и 0,01 для минералогической).

Радиоактивные характеристики слабо коррелируют с плотностью (коэффициенты 0,06–0,18), наибольшие значения – для минералогической плотности с Th (0,18) и Ra (0,14).

Зависимость радиоактивных элементов от зольности также слабая (Ra-0,06, Th-0,03, K-0,15).

Таблица 1. Литологическая характеристика и зольность образцов керна по данным гравиметрического анализа

№ пп	Номер образца	Литологическая характеристика	Масса навески, г	Массовая доля золы угля, %	±Δ
2	Керн 1, обр. 2	Уголь каменный	1,052	15,96	0,64
3	Керн 1, обр. 3	Уголь каменный	1,104	11,29	0,45

Таблица 2. Открытая пористость, объемная плотность, минералогическая плотность, концентрации радиоактивных элементов и величина удельной массовой активности образцов керна

№ пп	Номер образца	Открытая пористость, %	Объемная плотность, г/см3	Минералогическая плотность, г/см3	C Ra, 10-4%	C Th, 10-4%	С К, %	J, Бк/кг
2	Керн 1, обр. 2	10,06	1,34	1,49	2,73	0,00	0,00	33,92
3	Керн 1, обр. 3	2,22	1,31	1,35	6,73	5,63	0,23	119,41

Рис. 2. График зависимости между объемной плотностью и зольностью

Рис. 3. График зависимости между минералогической плотностью и зольностью

Заключение

Проведенные исследования включали изучение геологии региона, оценку угленосности и качества пластов. Особое внимание уделено адаптации китайского опыта оценки метаноносности (бассейн Циньшуй) к условиям Пермского края. Проведены лабораторные исследования образцов угля с Гремя-чинского месторождения (зольность, плотность, пористость, радиоактивность) с последующим корреляционным анализом.

Устойчивые корреляции между геофизическими характеристиками угля и его фильтрационно-емкостными свойствами подтверждают возможность использования каротажных данных для прогнозирования ме-таноносности.

Результаты демонстрируют перспективность комплексного подхода, повышающего достоверность прогноза газоносности. Они могут быть использованы для оптимизации поисково-разведочных работ на метан угольных пластов в Пермском крае и снижения рисков газодинамических явлений. Исследование создает основу для совершенствования методов оценки угольных пластов.

Исследование выполнено при поддержке Пермского края, соглашение № С-26/1872