Умови формування та збереження скупчень газу у низькопористих вугленосних відкладах

Abstract

Робота присвячена обгрунтуванню умов формування і збереження скупчень вуглеводнів у вуглепородному масиві, з метою вирішення актуальної наукової проблеми – прогнозної оцінки перспективності низькопористих теригенних відкладів у локальних антиклінальних структурах вугленосної товщі. Доведено, що при розтягуванні, яке перебільшило межу гранично допустиму для порушення суцільності та спричинило мінімальні крихкі деформації розриву, у низькопористих пісковиках формуються, за рахунок тріщинуватості, фільтраційні властивості, які відповідають промисловим колекторам IV класу, сприятливі для скупчення метану. На засадах запропонованої моделі взаємного впливу та взаємодії окремих фаз системи «вода-газ» у масиві гірських порід показано, що формування скупчень газу відбувається як результат перерозподілу фаз внаслідок прагнення системи до рівноваги. Обгрунтовані умови формування та збереження скупчень газу та визначені параметри фільтраційних та ємнісних властивостей, які характеризують породи-колектори, межу колектор-екран та екрани (покришки) у вугленосних відкладах. З’ясовано, що зростання природного вологонасичення пісковиків Донбасу у процесі катагенезу обумовлено зростанням залишкової водонасиченості, переважно за рахунок мікрокапілярної вологи та супроводжується зменшенням внутрішньої питомої поверхні пісковиків, як об'ємної, так і масової. Розроблені геологічні основи прогнозної оцінки перспективності локальних антиклінальних структур для пошуків скупчень вільного метану у вугленосних відкладах.

Диссертация содержит теоретическое обоснование условий формирования и сохранения скоплений газа в углепородном массиве, в ней дано решение актуальной научной проблемы прогнозной оценки перспективности локальных антиклинальных структур низкопористых терригенных отложений угленосной толщи, что открывает новые перспективы добычи и использования метана угольных месторождений. Доказано, что минимальные деформации растяжения, которые превысили предельно допустимую для нарушения сплошности величину и привели к хрупким деформациям разрыва, формируют в низкопористых песчаниках угленосной толщи фильтрационные свойства, которые соответствуют промышленным коллекторам IV класса с абсолютной газопроницаемостью не менее 5•10-14 м2 и могут быть благоприятными для скопления свободных углеводородов. Предложена модель взаимного влияния и взаимодействия отдельных фаз системы «вода-газ» в массиве горных пород, состояние которой определяется количественным соотношением фаз Отмечается, что система «вода-газ» может иметь несколько равновесных состояний (2 динамических и 4 статических), из которых наиболее распространенным и стабильным состоянием, является состояние равновесного насыщения обеими фазами, когда относительные фазовые проницаемости воды и газа равны между собой, а их суммарная проницаемость минимальна. Состояние равновесного насыщения обеими фазами определяется количеством воды связанной твердой фазой, то есть остаточной водонасыщенностью. Получена аналитическая зависимость степени насыщения обеими фазами и соответствующих ей значений относительных фазовых проницаемостей воды и газа состояния равновесной насыщенности от остаточной водонасыщенности горной породы. Показано наличие в горных породах Донбасса кроме свободной воды, химически связанной воды, которая входит в состав породообразующих минералов, воды адсорбционно-связанной (мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции) и капиллярно-связанной (микрокапиллярной в порах размером ≤ 10-7 м). Для песчаников, алевролитов и аргиллитов определены значения энергии связи (активации) связанной воды. Доказано, что в низкопористых песчаниках с коэффициентом открытой пористости менее 4,4 %, поры заняты преимущественно связанной водой (адсорбционной и микрокапиллярной), содержание которой составляет не менее половины (50 %). Показано, что увеличение естественного влагонасыщения песчаников Донбасса в процессе постдиагенетических изменений при сокращении пористости и уменьшении абсолютного содержания влаги, обусловлено ростом остаточной водонасыщенности, преимущественно за счет микрокапиллярной влаги, что, в свою очередь определяется уменьшением размеров поровых каналов. Обоснованы условия и механизм формирования скоплений газа в угленосной толще в результате перераспределения фаз – составляющих системы «вода-газ», вследствие нарушения равновесия отмеченной системы и ее стремления к приобретению состояния равновесия в новых условиях. Ловушки метана в низкопористых породах угленосной толщи, формируются как резервуар в зоне розуплотнения, которая возникает в сводовой части локальной антиклинальной структуры за счет трещиннообразования при линейных хрупких деформациях растяжения, которые превышают критические на разрыв. При этом покрышкой залежи служат породы, которые залегают выше, с улучшенными пластичными свойствами, в результате чего они остаются ненарушенными во время смятия в складку, а экраном – непроницаемые слои того же песчаника, вверх по восстанию пласта, деформации растяжения в которых, в результате меньшего изгиба, не достигли предельно допустимой для нарушения сплошности величины. Определены и обоснованы для угленосных отложений параметры фильтрационных и емкостных свойств, которые характеризуют породы-коллекторы, границу коллектор-экран и экраны (покрышки), а именно открытая и эффективная пористость, водо-газонасыщенность, абсолютная и относительная фазовая проницаемости. Предложен порядок определения степени разуплотнения пород в сводовой части локальных антиклинальных складок по их основным параметрам (амплитуде и ширине) и мощности пласта, с последующим расчетом емкостных и фильтрационных характеристик горных пород в зоне разуплотнения, которая сформировалась в результате трещинообразования при формировании структуры. Разработаны геологические основы прогнозной оценки, по геолого-разведочным данным, перспективности локальных антиклинальных структур угленосной толщи с целью поисков скоплений свободного метана в объемах пригодных для добычи и промышленного использования.

The thesis is devoted to the substantiation of forming and conservation terms of hydrocarbons accumulations in a carboniferous massif, with the purpose of actual scientific problem solving – prognosis estimation of low-porous terrigenous rocks perspective in the local anticlinal structures of carboniferous strata. It was proved that at a tension which has overrided overall significance for violation of wholeness and minimum fragile deformations of break, the filtration properties which correspond the industrial collectors of the IV class, favourable for the methane accumulation, are formed in low-porous sandstones due to crevise deformation. On principles of the offered separate phases interaction and two-way influens model of the system «water-gas» in the rock massif, it is shown that forming of gas accumulations takes a place as a result of phases redistribution in consequence of system aspiring to the equilibrium. The conditions of gas accumulations forming and conservation were substantiated and the parameters of filtration and capacity properties were estimated, which characterize rock-collectors, collector-screen limit and screens in carboniferous deposits. It was found out, that natural water saturation increasing of Donbas sandstones in the catagenesis process is conditioned by growth of residual water saturation, mainly due to microcapillary moisture and accompanies by diminution of sandstones internal specific surface, both volume and mass. The geological bases of prognosis estimation of local anticlinal structures perspective for the searches of free methane accumulations in carboniferous deposits was developed.