Изучения скоплений угольного метана региональными методами

Ведение горных работ на угольных шахтах с большими глубинами разработки (свыше 1000 м) и осложняющими факторами отработки в мульдовой части синклинальных месторождений (например, Воркутинское) вызывает ряд негативных газодинамических явлений (ГДЯ) порой с разнящимися отличительными признаками, присущими для данного вида проявлений. Причины таких отличий связаны как с природными (геологическими) особенностями месторождений, так и с технологическими схемами их отработки. Подавляющая доля причин ГДЯ связана с наличием на месторождениях газа. Основным, из которых, – является метан. Поэтому, метан угольных месторождений требует тщательного изучения, прежде всего, ради безопасности ведения горных работ. С другой стороны, он представляет практический интерес как энергетический газ для местных нужд.

С позиции попутного энергетического сырья в масштабе страны значение метана невелико. Его добыча из неразгруженных угольных пластов приводит к себестоимости в 4 раза больше по сравнению с разработкой газовых месторождений. Однако в период разгрузки от горного давления в процессе угледобычи, вне зависимости от её способа, способность углеметанового пласта быстро снижать свой газовый потенциал создаёт условия для продуктивного извлечения газа.

На горных отводах угледобывающих предприятий Воркуты можно привлечь к промышленному использованию в настоящее время до 1 млрд.м3 метана в год. В масштабах региона и конкретного предприятия это, с одной стороны, прямой источник средств для компенсации затрат на газовую безопасность угледобычи, с другой, – снижение выбросов парникового газа в целях геоэкологии, что открывает возможность получения инвестиций от международных, государственных и региональных природоохранных организаций.

Несмотря на некоторые отличия угольных газов от газов, используемых в нефтегазовой отрасли, изучение скоплений газов в обоих случаях имеет много общего. Это позволяет использовать в угольной промышленности ряд новых разработок по изучению газовых скоплений сейсмоакустическими методами. По-видимому, следует выделить две связанные, но разные задачи, существенные в данной проблеме:

зависимое от техногенных факторов изучение метана в угленосном массиве в непосредственной близости от ведения горных работ и влиянию его количества и распределения в породах на волновое поле;

изучение трещиноватых зон (в том числе и геологических нарушений), в которых может накапливаться свободный метан.

Особенностью первой задачи в угольной промышленности является наличие газа, как адсорбированного, так и в физико-химических связанных формах.

Необходимы специальные научно-исследовательские эксперименты, чтобы определить различия в сейсмоакустических эффектах для этих форм связей.

Применительно к нефтегазовой отрасли установлено, что в углеводородах разного химического состава и разного фазового состояния (газ, газовый конденсат, нефть) на разных частотах наблюдается сильная не упругость среды, проявляющаяся в аномальном поглощении колебаний и дисперсии их фазовой скорости. Эти параметры используются в качестве индикаторов углеводородов для обнаружения и оконтуривания их скоплений (залежей).

Влияние на не упругость среды метана угольных пластов, особенно его связанной формы, может быть установлены только экспериментальным путём.

Газ может встречаться и в пластах (трещиноватые, пористые породы и геологические нарушения), находящихся выше и ниже угольного пласта. Так называемое свободное состояние газа приурочено к микроуглегазовым месторождениям и таким примером может служить Сан-Хуанское месторождение (США) [1; 2]. В России наиболее вероятным и перспективным районом со свободным состоянием угольного газа может быть Южный Кузбасс, где при ведении подземных горных работ наиболее часто встречаются суфляры природного происхождения. Такой район должен изучаться инженерными геофизическими методами известными в нефтегазовой промышленности не только с целью перспективной добычи угольного метана, но и для целей заблаговременного обнаружения и локализации опасных источников газовой опасности для угольных шахт.

Известные методы геологоразведки и статистики не дают чёткой картины свободных залежей на угольных месторождениях, а пробурить необходимое количество геологоразведочных скважин порой не всегда представляется возможным, да и экономически данный подход не оправдан.

Кроме эффекта не упругости, наличие газа в горном массиве вызывает и другие эффекты, которые можно рассматривать в рамках идеально -упругой модели среды. Наличие газа, как в трещинах, так и в порах боковых пластов-коллекторов (в основном крупнозернистые песчаники), приводят к заметному снижению скорости упругих волн и в результате – к изменению коэффициента отражения на границе между пластами. Вследствие этого амплитуда отражения может возрастать («яркое пятно») или убывать («тёмное пятно»), образуя аномалии, используемые при интерпретации. Иногда наблюдаются также «плоские пятна» отражений от контактной поверхности газ – вода. Эти амплитудные эффекты легко обнаруживаются и очень наглядны, но недостаточно надёжны в качестве признаков газа.

Более успешно для этого применяется эффект аномальных вариаций амплитуд (английская аббревиатура AVO), связанных с изменением при насыщении газом отношения скоростей продольных и поперечных волн, т.е. коэффициента Пуассона. При этом на продольных волнах амплитуд отражения аномально меняется с изменением угла падения луча на границу.

Трещиноватые зоны и геологические нарушения необходимо изучать не только как места возможного скопления газа, но и как механически ослабленные и поэтому опасные для разработки угольных пластов. При этом будем различать случай отдельных трещин (тектонических нарушений) на расстоянии друг от друга больше длины волны и случай собственно трещиноватых пород. Тектонические нарушения обычно достаточно надёжно трассируются.

Трещиноватые зоны можно обнаруживать и изучать по связанному с ними увеличению скорости упругих волн и изменение их амплитуд, зависящих от азимута наблюдения (сейсмическая анизотропия).

Дополнительные возможности представляет определение и использование сейсмического импеданса (произведения скорости на плотность), измеряемого по изменению амплитуд отражений с калибровкой по данным акустического каротажа. При трещиноватости снижается как скорость, так и плотность, поэтому изменения в их произведении более заметны.

Перспективным представляется применение пассивной сейсмики, т.е. регистрация микросейсм, вызываемых растрескиванием (сейсмическая эмиссия пласта). При обработке таких колебаний на компьютере методами построения изображений возможно картирование «шумящих» участков пласта. Представляется, что знание таких мест до разработки пласта позволяет избегать их и связанные с ними неприятности.

Лишь только после детального изучения угольного месторождения, выявлению и локализации опасных по ГДЯ зон, может обеспечить безопасную отработку угольных пластов на шахтном поле. При этом оперативный контроль за изменением свойств и состоянием углегазовой среды должен оставаться в течение всего времени ведения подземных горных работ. В случае появления опасных по ГДЯ зон, в результате ведения горных работ и перераспределение напряжений в массиве, необходимо приступить к региональным геотехнологическим методам воздействия с целью его изменения в нужном направлении [3].

В заключение хотелось бы остановиться ещё на некоторых вопросах методики сейсморазведки. В шахтах давно проводятся сейсмические наблюдения в самом пласте. Однако их интерпретация затрудняется волноводным эффектом распространения волн в слое с пониженной скоростью, где возникает эффект, аналогичный полному внутреннему отражению в оптике. Волновая картина при этом крайне осложняется, а первыми к приёмникам приходят волны, распространяющиеся ниже – и выше – лежащим более плотным слоем. Поэтому представляется, что основными при решении перечисленных выше задач является сейсмические наблюдения на поверхности.

Тектонические нарушения, трещиноватые участки, скопления газа являются локальными неоднородностями сравнительно небольшого размера. Сейсмические наблюдения по отдельным профилям (двухкамерная сейсмика – 2D) могут пройти мимо этих неоднородностей. При изучении пластов на стадиях разведки и эксплуатации угольных шахт необходимо применять более детальную (объёмную – 3D) сейсмику с наблюдениями, покрывающими всю площадь, занимаемую шахтой. Такая сейсморазведка значительно дороже, но всё же её стоимость несопоставима с затратами на строительство шахт и устранение последствий аварий.

При этом необходимо использовать существенное отличие в глубинности исследований для угольной и нефтегазовой отрасли. Относительно небольшая глубина шахт (газовые месторождения – 3÷4 км и более) позволяет реализовать сейсмику высокого разрешения с частотами колебаний до нескольких сот Гц. Естественно, это влияет на выбор сейсмических источников и приёмной аппаратуры.

Возможности сейсмоакустических методов, наверное, не ограничиваются рассмотренными выше. Но нет сомнений в том, что только на этих методах может основываться интроскопия геологической среды, так как для других видов колебаний осадочные породы непрозрачны. Поэтому воссоздание на новом научно-техническом уровне соответствующего научного направления необходимо.