міністерство освіти і науки України

національний гірничий університет

Жикаляк Микола Васильович

УДК [553.94:622.357.1:539.217.5](477.61/62)

Геологічні чинники формування колекторських

властивостей пісковиків в південно-західної частини

Донбасу

Спеціальність 04.00.16 - “Геологія твердих горючих копалин

Автореферат

Дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Дніпропетровськ 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у державному регіональному геологічному підприємстві "Донецькгеологія" (м. Артемівськ) та у відділі геології вугільних родовищ великих глибин Інституту

геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ)

науковий консультант – доктор геолого-мінералогічних наук, професор,
заступник директора Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

НАН України (м. Дніпропетровськ) Лукінов Вячеслав Володимирович

офіційні опоненти: – доктор геолого-мінералогічних наук, професор, професор
кафедри геології і розвідки родовищ корисних копалин
Національного гірничого університету Міністерства освіти і
науки України Нагорний Юрій Миколайович

– кандидат геолого-мінералогічних наук, начальник виробничого науково-
методичного загону СхідДРГП Міністерства охорони навколишнього
природного середовища (м. Луганськ) Задара Григорій Захарович

провідна установа – Інститут геологічних наук Національної академії наук
України, відділ геології вугільних родовищ (м. Київ)

Захист відбудеться “ 16 ” грудня 2005 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.05 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, тел. (0562) 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НГУ Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “ 2 ” листопада 2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої

ради Д 08.080.05, к. г.-м. н., доцент А.Л. Лозовий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В Україні існують значні потенційні можливості видобутку та використання метану вугільних родовищ. Найбільш вивченими з геологічної точки зору є кам’яновугільні відклади, які зосереджені у геолого-промислових районах південно-західної частини Донбасу.

У газовому балансі шахт південно-західної частини Донбасу більш суттєву роль грає метан, який виділяється з пісковиків. Розподіл метану в пісковиках суттєво залежить від його колекторських властивостей, які, в свою чергу, обумовлені впливом геологічних чинників. Відсутність визначених закономірностей зміни колекторських властивостей пісковиків під дією геологічних чинників, до яких насамперед належать тектонічні умови, глибина залягання і структура пісковиків, стримує роботи щодо визначення перспективних ділянок і товщ пісковиків для попередньої дегазації і видобутку метану. Тому вивчення впливу геологічних чинників на властивості пісковиків і встановлення закономірностей зміни їх відкритої пористості та максимальної потенційної газонасиченості, що дозволить більш обґрунтовано планувати роботи з дегазації та промислового вилучення метану з пісковиків вугленосних товщ південно-західної частини Донбасу, є актуальною науково-практичною задачею для геологорозвідувальної галузі України.

Дисертаційна робота виконувалась у Державному регіональному геологічному підприємстві "Донецькгеологія" та Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, відповідно до загальнодержавних і галузевих програм та планів науково-дослідних робіт Національної академії наук України. Зокрема, згідно до Постанови Верховної Ради України №191/96 – ВР від 15.05.1996 р. "Про національну енергетичну програму України до 2010 р.", Постанови Кабінету Міністрів України №1463 від 27.09.2000 р. "Про заходи розвитку промислового добування метану з вугільних родовищ Донбасу", Постанови Кабінету Міністрів України №939 від 06.07.2002 р. "Про затвердження Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах", держбюджетної теми "Наукові основи гірничо-геологічного прогнозу зон скупчення метану у вугільно-породному масиві", № держреєстрації 0103U001636.

Мета роботи – встановити закономірності зміни колекторських властивостей пісковиків південно-західної частини Донбасу і на цій основі розробити комплексний підхід до прогнозної оцінки та визначення розташування у просторі басейну та розрізі вугленосної товщі перспективних ділянок для попередньої дегазації пісковиків і промислового видобутку метану.

Для досягнення цієї мети вирішувалися наступні задачі:

1)

2)

3)

4)

Методи дослідження. Для виконання поставлених у дисертації задач були застосовані традиційні методи вивчення наявної геологічної інформації, петрографічні та лабораторні методи визначення складу і властивостей пісковиків, комплекс методів математичної статистики.

Об’єктом досліджень є пісковики кам’яновугільних відкладів південно-західної частини Донбасу.

Предмет досліджень – закономірності зміни колекторських властивостей та потенційної газонасиченості пісковиків Донбасу.

Ідея роботи полягає у врахуванні впливу геологічних чинників формування пісковиків, які відображають фаціальні умови накопичення, тектонічні особливості та глибину залягання порід, на колекторські властивості пісковиків та виконанні на цій основі прогнозної оцінки їх газонасиченості і визначенні перспективних ділянок для проведення робіт з вилучення метану.

На захист виносяться наступні наукові положення:

1. Спільна дія літостатичних та тектонічних тисків на вугленосну товщу при формуванні сучасної структури південно-західної частини Донбасу обумовили закономірне зменшення відкритої пористості пісковиків із збільшенням сучасної глибини їх залягання та ступеню дислокованості вугленосної товщі.

2. речовинний склад та характер сортування зерен основних породоутворюючих мінералів пісковиків комплексно впливає на їх колекторські властивості.

3. Потенційна газонасиченість пісковиків, як пористих колекторів, змінюється з глибиною за параболічною залежністю, яка обумовлена впливом літостатичних і тектонічних тисків на формування їх колекторських властивостей, та сучасної глибини залягання, що визначає закономірне збільшення тиску газу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1) Встановлена роль літостатичних та тектонічних тисків на формування колекторських властивостей пісковиків.

2) встановлено вплив речовинного складу та структурної неоднорідності зерен основних породоутворюючих мінералів пісковиків на їх колекторські властивості;

3) вперше встановлено закономірне зменшення відкритої пористості пісковиків відкладів карбону південно-західної частини Донбасу на 3 % із збільшенням сучасної глибини залягання на 1000 метрів;

4) запропонований новий комплексний підхід до прогнозної оцінки та визначення перспективних ділянок для попередньої дегазації пісковиків і видобутку метану з використанням карт палеореконструкції максимальних глибин занурення, тектонічної дислокованості, структурної оцінки пісковиків та розрахунків глибин залягання товщ пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю пористих колекторів.

Практичне значення роботи полягає в тому, що вперше для Донбасу здійснено комплексну оцінку впливу на породи літостатичного та тектонічного тисків, що дозволяє на регіональному рівні прогнозувати колекторські властивості пісковиків; запропоновано новий показник – коефіцієнт сортування зерен основних породоутворюючих мінералів пісковиків (Кс), який вдосконалює вивчення їх структурних характеристик; розроблений комплексний підхід до прогнозної оцінки газонасиченості пісковиків, який включає методику розрахунку глибин залягання товщ пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю пористих колекторів. Використання цієї методики дозволило визначити глибини залягання товщ пісковиків, перспективних для вилучення метану.

Результати дослідження з визначенням глибин залягання товщ пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю пористих колекторів на ділянці Кальміуський Рудник передані ВО "Укрвуглегеологія" (м. Донецьк), про що свідчить акт про впровадження результатів по ділянці Кальміуський Рудник від 17 лютого 2005 р. Методика може бути застосована на газових родовищах Дніпровсько-Донецької западини.

Достовірність і надійність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується достатнім обсягом фактичних геологічних даних, відповідністю теоретичних положень і отриманих геологічних результатів, науковою обґрунтованістю методичного підходу до аналізу отриманих експериментально і відомих з літератури фактів, збіжністю результатів визначення розрахункових глибин максимальної і мінімальної потенційної газонасиченості пористих колекторів з фактичними глибинами.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно обґрунтовані ідея роботи, визначені мета та завдання дослідження, сформульовані наукові положення, що виносяться на захист, висновки і рекомендації; запропоновано новий структурний показник – коефіцієнт сортування зерен основних породоутворюючих мінералів пісковиків; розроблено методику розрахунку глибин залягання товщ пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю пористих колекторів; встановлені вплив літостатичних та тектонічних тисків на формування колекторських властивостей пісковиків та закономірності зміни відкритої пористості пісковиків з глибиною їх залягання в південно-західній частині Донбасу; запропонований новий комплексний підхід до прогнозної оцінки скупчень метану та визначення перспективних ділянок для попередньої дегазації та видобутку метану з пісковиків вугленосної товщі. Фактичний матеріал, покладений в основу дисертаційної роботи, зібраний автором під час роботи з тематики вугільних газів та викидонебезпечності пісковиків в ДРГП "Донецькгеологія" (з 1975 р. – до сьогодні).

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідались на міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України" (Українська нафтогазова академія, м. Харків, 1996 р.), на Європейській вугільній конференції (м. Ізмір, Туреччина, 1997 р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Оцінка екологічного стану навколишнього середовища при реструктуризації вугільної промисловості. Методи захисту довкілля" (м. Слов’яногірськ, 1999 р.), на І, ІІ і ІІІ міжнародних науково-практичних конференціях "Метан вугільних родовищ України" (ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ, 1999, 2001, 2004 рр.), на 4-ій Європейській вугільній конференції (м. Устрон, Польща, 2000 р.), на міжнародній конференції (м. Чернігів, 2001 р.), на науково-практичній конференції "Техногенно-екологічна безпека регіонів, як умова сталого розвитку України" (м. Львів, 2002 р.), на міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича геологія, геомеханіка та маркшейдерія" (УкрНДМІ, м. Донецьк, 2004 р.), на наукових семінарах відділу геології вугільних родовищ великих глибин ІГТМ НАН України (м. Дніпропетровськ, 2003 – 2005 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 11 наукових працях, з них три без співавторів, сім - у фахових виданнях.

Дисертація є рукописом, який складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та двох додатків. Обсяг дисертації 186 сторінок, у тому числі 162 сторінки основного тексту, 47 ілюстрацій, 20 таблиць та список використаних джерел зі 186 найменувань.

Автор висловлює щиру вдячність доктору геолого-мінералогічних наук, професору Б.С. Панову за цінні поради, консультації і зауваження при написанні роботи. Автор вважає приємним обов’язком висловити подяку співробітникам Державного Регіонального Геологічного Підприємства "Донецькгеологія", головному геологу Пісковому М.О. та програмісту Рябцеву Р.Ю. за допомогу в підготовці та оформленні роботи. Особлива подяка науковому керівнику, доктору геолого-мінералогічних наук, професору В.В. Лукінову за постійну увагу, науково-методичну допомогу та підтримку, надану ним при виконанні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Аналітичний огляд літератури та вибір напрямків досліджень

Дослідженню впливу геологічних чинників на газоносність вугільних пластів і гірських порід присвячена велика кількість робіт, авторами яких є А.В. Анциферов, А.М. Брижаньов, В.А. Баранов, О.А. Голубєв, Х.Ф. Джамалова, В.Ю. Забігайло, Г.З. Задара, О.М. Зося, Б.М. Зімаков, О.І. Кравцов, Б.М. Косенко, О.О. Кущ, В.В. Кирюков, Г.К. Карасьов, В.В. Лукінов, М.Л. Левенштейн, І.Ф. Лисенко, В.П. Лішин, С.Ю. Приходченко, В.О. Привалов, Е.Г. Токарева, О.З. Широков, Г.Б. Яновська. Із зарубіжних дослідників можна назвати Чарльза Бойера, Акселя Прюбе, Ярослава Немеца, А. Ізарта, Р. Заксенхофера та інші.

Відмічається, що на газоємнісні властивості гірських порід значно впливають такі геологічні чинники, як ступінь катагенетичних перетворень, генетичний тип породи, гранулометричний склад, тектонічний тиск. Відкрита пористість та обємна густина пісковиків, розташованих біля пластів вугілля з однаковими марками, закономірно зменшуються від країв до центру басейну, що пов’язується із зростанням тектонічного тиску і, як наслідок, ступеня тектонічної дислокованості, ущільненості та міцності порід по мірі наближення до Головної антикліналі Донбасу. Проте через низькі значення проникності і газоємності пісковиків Донбасу вони не розглядалися як породи-колектори, тому багато питань стосовно газоносності пісковиків залишилися недостатньо вивченими. До таких питань належать: вплив на формування колекторських властивостей пісковиків їх речовинного складу та структури, тектонічних і літостатичних тисків, глибини залягання. Лишилося практично не дослідженим питання впливу сучасної глибини залягання та палеоглибин занурення пісковиків на їх колекторські властивості. Зовсім не вивчались закономірності зміни газонасиченості пісковиків на площі південно-західної частини Донбасу.

Аналіз літературних і фондових матеріалів про геологічні умови і чинники, що впливають на колекторські властивості пісковиків і на розподіл газів у гірських породах, врахування сучасних уявлень про газонасиченість пісковиків Донбасу і вимог, що стоять перед геологічною галуззю з організації промислового видобутку метану вугільних родовищ, дозволив визначити суттєві науково-практичні питання цієї проблеми і сформулювати мету та завдання досліджень, які наведені в загальній характеристиці дисертації.

Розділ 2. Методи дослідження

Основу методики досліджень складає аналіз та узагальнення результатів геологорозвідувальних робот на площі південно-західної частини Донбасу.

Оцiнка iнтенсивностi великоамплiтудної складчастостi здiйснювалась у відповідності до робіт В.Ф. Приходченка, О.З. Широкова, Ю.М. і В.М. Нагорних, за допомогою коефiцiєнта складчастостi Кск. Це вiдношення довжини iзолiнiй складок на ділянці, що досліджується до площi самої дiлянки. Такий коефiцiєнт дає можливiсть вpахувати i веpтикальну i гоpизонтальну складовi складчастостi. Збiльшення гоpизонтальної складової вiдобpажається в зpостаннi довжини кожної ізолінії, а збiльшення веpтикальної складової вiдобpажається в зpостаннi кiлькостi iзолiнiй. Iнтенсивнiсть pозpивної поpушеностi оцiнювалась за допомогою коефiцiєнта Кп, що pозpаховувався як сума добуткiв довжин pозpивiв на їх амплiтуду, поділену на pозмip дослiджуваної площi. Карти палеотемпературного градієнту та зон з різним літостатичним тиском побудовані з урахуванням даних М.Л. Левенштейна, Я.М. Кашпура, В.В. Лукінова та Л.Я. Кратенка.

Речовинний склад пісковиків вивчався по шлифах, за традиційними методами петрографії, а структурні особливості визначались за оцінками коефіцієнту сортування зерен основних породоутворюючих мінералів (Кс) – нового показника, розробленого автором дисертаційної роботи. В основу визначення Кс було покладено групування абсолютних розмірів уламкових зерен пісковиків з інтервалом в 0,05 мм, яке запропоноване В.П. Батуріним для розрахунку середнього розміру зерен у шарі пісковика. Коефіцієнт сортування – Кс визначається за кількістю груп інтервалів, до яких групуються зерна основних породоутворюючих мінералів пісковиків. Він характеризує піщану фракцію у межах від 0,075 мм до 1,075 мм та змінюється від 1 до 21. Всього може бути виділено 20 груп інтервалів, але для кожного конкретного пісковику буде одна певна кількість груп, що характеризує ступінь сортування зерен у пісковику.

Колекторські властивості пісковиків, зокрема відкрита пористість пісковиків (Кв.п.), вивчались в лабораторії ДРГП "Донецькгеологія" стандартними методами за зразками, відібраними з керну геологорозвідувальних свердловин.

Для обробки та систематизації отриманих геологічних даних, встановлення зв’язків між геологічними показниками, оцінки впливу геологічних чинників на властивості пісковиків застосовувались загальноприйняті методи математичної статистики та обробки результатів досліджень на ПЕОМ.

Розділ 3. Стисла геологічна характеристика об’єктів дослідження

У межах південно-західної частини басейну, обраній як об’єкт досліджень, можна виділити геолого-промислові райони, в яких геологічні комплекси найбільш рельєфно характеризують різні режими осадконакопичення і процеси формування вугленосних товщ. Для умов Красноармійського геолого-промислового району характерні субплатформені умови, для Донецько-Макіївського – перехідні, а для Центрального – субгеосинклінальні. Ці райони розташовані в напрямі від периферії басейну до його центральної частини.

Для регіональних оцінок геологічних чинників, таких як тектонічна дислокованність, глибина палеозанурення, характеристика складчастості, використовувались показники, узагальнені у межах району. Для локальних оцінок впливу геологічних чинників на газоємнісні властивості пісковиків, використовувались більш детальні дані геологічних характеристик, які були отримані на ділянках геологічної розвідки.

Для дослідження обрані: в Красноармійському геолого-промисловому районі – ділянка Північно-Родинська 2; в Донецько-Макіївському геолого-промисловому районі – ділянка Орджоникідзевська-Глибока 2-4; в Центральному районі – ділянка Горлівська-Глибока.

Ділянка Північно-Родинська 2 є резервним блоком шахти ім. О.Г. Стаханова і частково шахти "Краснолиманська" та розташована в центральній частині Красноармійського геолого-промислового району в висячому крилі крупного Центрального насуву. Залягання кам'яновугільних порід моноклінальне з падінням пластів на схід і північний схід під кутами 3-14°.

Ділянка Орджонікідзевська-Глибока 2-4 розташована у межах Донецько-Макіївського геолого-промислового району, який приурочений до південного крила Кальміус-Торецкої котловини і складок, що його ускладнюють. Загальне моноклінальне північно-східне залягання середньо-кам?яновугільних порід ускладнене серією поперечних флексур і насувами різного напряму, а також мульдоподібнимими прогинаннями і куполоподібними здійманнями, що обумовлює складну геологічну будову району, особливо його північно-східної і південної частин.

Ділянка Горлівська-Глибока у геолого-структурному відношенні розташована на південному крилі Головної антикліналі в центральній частині Центрального геолого-промислового району Донбасу. Простягання порід прямолінійне, злегка хвилясте і визначається азимутом 110-120° з частковим відхиленням в обидві сторони на 10-15°. Падіння порід південно-західне під кутом від 48° до 73°.

Розділ 4. Регіональні геологічні чинники, що обумовили ступінь катагенетичних перетворень порід

На підставі аналізу потужностей ізометаморфічних зон, які закономірно збільшуються від периферійних районів Донбасу до центральних і з заходу на схід, розроблено схематичну модель зміни палеогеотермічного градієнту у передінверсійний період. Встановлено, що чим більшою була загальна потужність осадочних порід у передінверсійний період, тим меншим був палеогеотермічний градієнт і, відповідно, більшого літостатичного тиску зазнали породи, які вміщують вугілля однакової марки. На основі узагальнення результатів аналізу зміни потужностей вугленосних товщ південно-західної частини Донбасу, які вміщують рівнометаморфізоване вугілля, запропоновано модель зміни палеогеотермічного градієнту та розроблено схему розташування зон з різними літостатичними тисками. Встановлено три зони, в яких умовне значення літостатичного тиску дорівнює: одиниці – у першій зоні в Красноармійському геолого-промисловому районі; 1,33 – у другій зоні в межах Донецько-Макіївського геолого-промислового району; 2 – у третій зоні в межах Центрального геолого-промислового району.

В інверсійний та постінверсійний періоди породи зазнали відповідного тектонічного тиску, який сприяв їх ущільненню. Враховуючи вплив літостатичного тиску на ущільнення порід та той факт, що ступінь тектонічного тиску можна оцінити через коефіцієнт тектонічної дислокованості, запропонований В.Ф. Приходченком, і користуючись побудованими ним картами загальної складчастості та розривної порушеності в Донбасі, запропоновано комплексний коефіцієнт Кк, який відображає сумісний вплив тектонічного та літостатичного тисків на колекторські властивості порід. Він враховує в комплексі інтенсивність складчастої порушеності, інтенсивність розривної порушеності та величину літостатичного тиску та розраховується як добуток відповідних кількісних коефіцієнтів:

Кк = Кск · Кп · Кл / 1000,

де Кск - коефіцієнт інтенсивності складчастої порушеності;

Кп - коефіцієнт інтенсивності розривної порушеності;

Кл - коефіцієнт літостатичного тиску.

На підставі виконаних розрахунків побудовано схему розташування зон сумісного впливу літостатичного та тектонічного тисків на ущільнення порід, на якій зменшення значень комплексного коефіцієнту ущільнення Кк співпадають із збільшенням коефіцієнту відкритої пористості пісковиків із сходу на захід і від центральних районів басейну до периферійних.

Розділ 5. Взаємозв’язок структури і властивостей пісковиків.

Умови осадконакопичення відображаються в структурній неоднорідності породи, характер якої вимірюється новим показником – коефіцієнтом сортування уламкових зерен порід (Кс).

Визначався характер та тіснота зв’язку між показником (Кс) та показниками речовинного складу, фізико-механічних та структурно-текстурних характеристик пісковиків таких як: середній діаметр уламкових зерен (d, мм); вміст карбонатів (Ккарб, %); пористість відкрита (Кв.п., %); вміст глинисто - слюдистих мінералів (Гл - Сл, %); кварц уламковий (Q, %); показник ущільнення – коефіцієнт "метаморфічності" (С, % - за О.О. Черніковим); межа міцності породи при стисканні ( ст, кг/см2), межа міцності породи при розтягуванні ( роз, кг/см2).

У Донецько-Макіївському геолого-промисловому районі порівняно з Центральним геолого-промисловим районом Донбасу спостерігається зменшення ступеня зв’язку між коефіцієнтом сортування (Кс) та середнім діаметром уламкових зерен (r = 0,63), вмістом карбонатів (r = - 0,02), коефіцієнтом "метаморфічності"” (r = 0,27), кількістю уламкового кварцу (r = 0,40). Одночасно спостерігається збільшення ступеня зв’язку між коефіцієнтом сортування (Кс) та вмістом глинисто-слюдистих мінералів (r = - 0,52) і відкритою пористістю (r = 0,43).

Для Красноармійського району, порівняно з Центральним та Донецько-Макіївським геолого-промисловими районами Донбасу значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і показником середнього діаметру уламкових зерен складає (r = 0,75), що менше ніж у Центральному, та більше ніж у Донецько-Макіївському районі; значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і вмістом глинисто-слюдистих мінералів від’ємне (r = - 0,43) і менше ніж в інших районах; значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і відкритою пористістю дорівнює 0,46, що більше ніж в інших районах; значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і коефіцієнтом "метаморфічності" дорівнює 0,58, що менше ніж в Центральному районі та більше ніж в Донецько-Макіївському; значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і показником "вміст кварцу уламкового" дорівнює 0,40 – так як і в Донецько-Макіївському районі, але менше ніж в Центральному; значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і показником "вміст карбонатів" від’ємне і дорівнює - 0,19, що менше ніж в Центральному районі та більше ніж в Донецько-Макіївському; значення парної кореляції між коефіцієнтом сортування (Кс) і показниками "межа міцності при стисканні" та "межа міцності при розтягуванні" також незначні та від’ємні (r = - 0,24 та r = - 0,40).

Виконані дослідження дозволили встановити, що коефіцієнт сортування уламкових зерен основних породоутворюючих мінералів досліджених пісковиків Донбасу має прямий пропорційний зв’язок з головним показником колекторських властивостей – відкритою пористістю. Коефіцієнт кореляційного зв’язку між ними, оцінений з високою надійністю ( = 10,4), зменшується, відповідно із ущільненням пісковиків, від 0,46 в Красноармійському районі, до 0,43 в Донецько-Макіївському районі та 0,39 в Центральному районі. Коефіцієнт сортування має прямі пропорційні зв’язки з показником кварц уламковий (r – від 0,40 до 0,57), з показником середній діаметр уламкових зерен (r – від 0,63 до 0,81), з показником коефіцієнт "метаморфічності" (r – від 0,27 до 0,65), що вказує на покращення газоємних властивостей пісковику із збільшенням значень цих показників. Встановлені зворотні пропорційні зв’язки з показником вмісту глинисто-слюдистих мінералів у пісковиках (r – від - 0,43 до - 0,52) та показником вмісту карбонатів (r – від - 0,02 до - 0,32), які вказують на те, що чим краще сортування пісковиків, тим більше цементу в його складі і гірші його газоємні властивості. Встановлено, що сортування не впливає на фізико-механічні властивості порід.

Таким чином, комплексне урахування речовинного складу, структурних характеристик та сортування зерен основних породоутворюючих мінералів пісковиків збільшує достовірність і надійність визначення їх газоємних властивостей в стратиграфічному розрізі та на площі ділянки.

Розділ 6. Вплив глибини на потенційну газонасиченість пісковиків

Аналіз зміни з глибиною відкритої пористості пісковиків на ділянках Горлівська-Глибока, Орджонікідзевська-Глибока 2-4, Північно-Родинська 2 показав, що для умов Донбасу відкрита пористість пісковиків змінюється з глибиною (Н) за залежністю, яка у загальному вигляді описується рівнянням:

Кв.п. = а – bH, (1)

де a - відкрита пористість пісковиків на умовній глибині 0 м;

b - градієнт зміни пористості із сучасною глибиною залягання, який відображає вплив літостатичного тиску на ущільнення порід.

У напрямі від периферії басейну до його центральної частини зменшується градієнт зміни пористості із сучасною глибиною, який складає: 3,1на 1000 м для Красноармійського району, 2,9 % на 1000 м для Донецько-Макіївського району і 2,7 % на 1000 м для Центрального району Донбасу. Встановлено, що в середньому, відкрита пористість пісковиків південно-західної частини Донбасу зменшується на 3 % (від 2,7 до 3,1 %) на кожні 1000 м збільшення сучасної глибини.

Отримані результати підтверджені при перевірці їх на прикладі газоконденсатних родовищ Дніпровсько-Донецької Западини (ДДЗ). Продуктивні горизонти – пісковики газоконденсатних родовищ ДДЗ відрізняються від пісковиків Донбасу значно кращими колекторськими властивостями, але вони також характеризуються зменшенням відкритої пористості з глибиною. Для пористих колекторів Донбасу і ДДЗ встановлена прямо пропорційна залежність між розрахунковим коефіцієнтом відкритої пористості на умовній глибині 0 м (Кв.п.о) та градієнтом зменшення відкритої пористості з глибиною (b), яка описується рівнянням: b = 0,0002Кв.п.о +0,0015.

Отже, вплив літостатичного тиску на ущільнення порід зменшується у міру збільшення ролі тектонічного тиску.

Таким чином, спільна дія тектонічних та літостатичних тисків на вугленосну товщу при формуванні сучасної структури південно-західної частини Донбасу обумовили закономірне зменшення відкритої пористості пісковиків із збільшенням сучасної глибини їх залягання і, як наслідок, погіршення газоємнісних властивостей порід.

Газонасиченість пісковиків залежить від двох основних чинників – газоємності породи і тиску газу. Максимальна потенційна газоємність визначається відкритою пористістю, яка зменшується із зростанням глибини, та тиском газу (P), який навпаки, збільшується з глибиною. За даними В.Ю. Забігайла тиск газу у пісковиках Донбасу дорівнює 0,85 від гідростатичного, тобто зміна тиску газу із глибиною у загальному вигляді описується рівнянням:

Р = сН, (2)

де с – градіент збільшення тиску газу із сучасною глибиною залягання.

Потенційна газонасиченість пісковиків (Г) визначається як добуток тиску газу на відкриту пористість та у загальному вигляді описується рівнянням:

Г = Р Кв.п. (3)

Підставляючи рівняння (1) і (2) у рівняння (3), одержуємо:

Г = acH – bcH2 . (4)

При нульових значеннях потенційної газонасиченості, рівняння (4) набуває вигляду:

Н2 = Нac/bc. (5)

Рівняння (5) є канонічним рівнянням параболи. Таким чином, використання встановлених зворотних пропорційних залежностей зміни відкритої пористості від глибини залягання та прямо пропорційної залежності зміни тиску газу із глибиною, дозволило встановити параболічну залежність зміни потенційної газонасиченості пісковиків з сучасною глибиною. Це означає, що потенційна газонасиченість пісковиків, змінюючись із зростанням глибини за параболічною залежністю, спочатку зростає до максимальних значень, а потім знижується практично до нуля.

Користуючись рівнянням (5), розраховані рівняння для визначення:

- максимальних значень потенційної газонасиченості пісковиків

Гmax = a2c/4b;

- глибини залягання пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю

Нг.max = a/2b;

- глибини відсутності газонасиченості

Н0 min = 0 та Но.max = a/b.

Встановлено, що максимальних значень потенційна газонасиченість пісковиків досягає на глибині, що дорівнює половині глибини, на якій розрахункове значення відкритої пористості отримає практично нульове значення. Виконані дослідження дозволили розрахувати для досліджуваних ділянок значення максимальної потенційної газонасиченості, глибин залягання пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю і глибин залягання пісковиків з мінімальною, практично нульовою потенційною газонасиченістю (табл. 1).

Перевірка можливості застосування запропонованої методики прогнозної оцінки глибин граничної (максимальної і нульової) газонасиченості пісковиків була виконана для продуктивних горизонтів десяти нафтогазоконденсатних родовищ Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ), які характеризуються закономірним зменшенням з глибиною відкритої пористості пісковиків і збільшенням тиску газу, який близький до гідростатичного. Зіставлення розрахункових значень глибин максимальної потенційної газонасиченості пісковиків з середніми глибинами покладів на родовищах показали їх тісний кореляційний

Таблиця 1

Розрахункові глибини і значення гранично можливої газонасиченості пісковиків на ділянках розвідки в Донбасі

Назва ділянки | Розрахункова глибина максимальної потенційної газонасиченості,

м | Розрахункова глибина відсутності газонасиченості,

м | Розрахункове значення максимальної потенційної газонасиченості,

м3 газу/м3 породи

Північно-Родинська 2 | 1853 | 3706 | 9,04

Кальміуський Рудник | 1471 | 2942 | 5,15

Орджонікідзевська-Глибока 2- 4 | 1279 | 2558 | 4,03

Горлівська-Глибока | 1303 | 2606 | 3,90

зв'язок. Отримані результати підтверджують правомірність застосування розробленого нового комплексного підходу і методики прогнозної оцінки та визначення перспективних ділянок для попередньої дегазації пісковиків і видобутку метану як на вугільних родовищах Донбасу, так і на газових родовищах ДДЗ.

Таким чином, на підставі виконаних досліджень запропонована методика, яка дозволяє, за результатами геологічного вивчення площі або ділянки розвідки, прогнозувати глибину максимальної потенційної газонасиченості, глибину відсутності газоносності і максимальну потенційну газонасиченість пісковиків, що, у свою чергу, дає можливість ще на стадії геологічної розвідки виділяти перспективні інтервали залягання найбільш газоносних пісковиків, оцінювати газовий потенціал площі на великих глибинах, прогнозувати можливу газонасиченість пісковиків для організації робіт по їх дегазації і промисловому видобутку метану.

За даною методикою були розраховані та визначені перспективні глибини і значення максимальної потенційної газонасиченості пісковиків на ділянці Кальміуський Рудник, які передані ВО "Укрвуглегеологія" і використані при проектуванні і проведенні робіт з геологічної розвідки та буріння свердловин на цій площі.

ВИСНОВКИ

В дисертації дано нове рішення актуальної для геологорозвідувальної галузі України науково-практичної задачі прогнозної оцінки колекторських властивостей пісковиків вугленосних відкладів південно-західної частини Донбасу, яка полягає у встановленні закономірностей зміни відкритої пористості і максимальної потенційної газонасиченості пісковиків від їх структури, тектонічних умов і глибини залягання, що дозволило розробити комплексний підхід до визначення перспективних ділянок і товщ для попередньої дегазації пісковиків та видобутку метану.

При виконанні дисертаційної роботи отримані наступні наукові та практичні результати.

Вперше на підставі аналізу потужностей ізометаморфічних зон у різних районах Донбасу розроблено схематичну модель зміни палеогеотермічного градієнту у передінверсійний період. Доведено, що чим більшою була загальна потужність осадочних порід у передінверсійний період, тим меншим був палеогеотермічний градієнт і, відповідно, більшого літостатичного тиску зазнали породи, які вміщують вугілля однакової марки.

Запропоновано комплексний коефіцієнт Кк, який відображає сумісний вплив тектонічного та літостатичного тисків на колекторські властивості пісковиків і визначається з урахуванням коефіцієнтів складчастої порушеності, розривної порушеності та літостатичного тисків.

Встановлено, що речовинний склад та характер сортування зерен основних породоутворюючих мінералів пісковиків комплексно впливає на їх колекторські властивості.

Розроблено новий показник – коефіцієнт сортування уламкових зерен основних породоутворюючих мінералів (Кс), який вдосконалює вивчення структурних характеристик пісковиків.

Встановлено, що коефіцієнт сортування уламкових зерен основних породоутворюючих мінералів досліджених пісковиків Донбасу має прямий пропорційний зв’язок з головним показником колекторських властивостей – пористістю. Коефіцієнт кореляційного зв’язку між ними, оцінений з високою надійністю ( = 10,4), зменшується відповідно із ущільненням пісковиків від 0,46 в Красноармійському районі, до 0,43 в Донецько-Макіївському районі та 0,39 в Центральному районі.

Встановлено, що спільна дія тектонічних та літостатичних тисків на вугленосну товщу при формуванні сучасної структури південно-західної частини Донбасу обумовили закономірне зменшення відкритої пористості пісковиків із збільшенням сучасної глибини залягання. Вперше доведено, що градієнт зменшення відкритої пористості пісковиків вугленосної товщі південно-західної частини Донбасу складає, у середньому, 3,0 % на 1000 м. В напрямі від периферії басейну до його центральної частини, у міру збільшення гравітаційного і тангенційного тисків, зменшується градієнт відкритої пористості від 3,1 % на 1000 м 2,7 % на 1000 м.

Наведено, що характерне для пісковиків Донбасу і ДДЗ збільшення значень градієнту зміни відкритої пористості пісковиків з глибиною із збільшенням значень відкритої пористості на умовній глибині 0 м, обумовлено зменшенням впливу сучасного літостатичного тиску на ущільнення порід у міру збільшення ролі тектонічного тиску.

Встановлена закономірна зміна потенційної газонасиченості пісковиків з глибиною залягання за параболічною залежністю, та закономірне збільшення значень максимальної потенційної газонасиченості пісковиків та глибин залягання пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю від ділянок у Центральному геолого-промисловому районі до ділянок у Донецько-Макіївському і Красноармійському геолого-промислових районах із зменшенням впливу літостатичних та тектонічних тисків.

Вперше запропоновано розрахунковий метод визначення значень максимальної потенційної газонасиченості пісковиків, глибин залягання пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю та глибин відсутності газонасиченості у пісковиках, який покладено у комплексний підхід до прогнозної оцінки газонасиченості пісковиків з поровим колектором.

Отримані результати склали наукове підґрунтя для здійснення прогнозування найбільш перспективних для попередньої дегазації та видобутку метану товщ пісковиків на ділянці Кальміуський Рудник. Середня розрахункова глибина залягання пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю на ділянці Кальміуський Рудник складає 1470 м; максимальна потенційна газонасиченість 5,15 м3 газу на м3 породи. На підставі комплексного підходу, з урахуванням структурних характеристик пісковиків, на ділянці Кальміуський Рудник, визначено перспективною нижня частина пісковику m4Sm41 в інтервалі від 1244 до 1260 м.

Використання наведених наукових та практичних результатів при проведенні геологорозвідувальних робіт на площі південно-західної частини Донбасу сприятиме більш ефективній і цілеспрямованій організації робіт щодо визначення найбільш перспективних ділянок і товщ пісковиків для попередньої дегазації й видобутку метану та залучення його до паливно-енергетичного комплексу країни.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Особистий внесок здобувача. Роботи [3,5,6] написані здобувачем особисто, в роботах [1,4,7,8,11] здобувачеві належать основні ідеї, щодо наукового обґрунтування впливу геологічних чинників на колекторські властивості пісковиків. У решті робіт внесок усіх співавторів однаковий.

АНОТАЦІЯ

Жикаляк М.В. Геологічні чинники формування колекторських властивостей пісковиків південно-західної частини Донбасу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.16 – "Геологія твердих горючих копалин". – Національний гірничий університет України, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена питанням формування, зміни та прогнозування колекторських властивостей і газонасиченості пісковиків південно-західної частини Донбасу. Встановлено закономірності зміни колекторських властивостей пісковиків під дією тектонічних і літостатичних тисків. Визначено вплив речовинного складу та структурних характеристик пісковиків на їх колекторські властивості. Обґрунтований і розроблений розрахунковий метод визначення значень максимальної потенційний газонасиченості пісковиків, глибин залягання пісковиків з максимальною потенційною газонасиченістю та глибин відсутності газонасиченості в пісковиках. На основі отриманих наукових результатів запропонований комплексний підхід до прогнозної оцінки газонасиченості пісковиків з поровим колектором і визначення перспективних ділянок і товщ для попередньої дегазації і видобутку метану.

Ключові слова: Донбас, пісковики, колекторські властивості, склад, структурні характеристики, тектоніка, літостатичний тиск, глибина, газонасиченість, метан.

АННОТАЦИЯ

Жикаляк Н.В. Геологические факторы формирования коллекторских свойств песчаников юго-западной части Донбасса. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.16 – "Геология твердых горючих ископаемых". – Национальный горный университет Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена вопросам формирования, закономерностям изменения и прогнозирования коллекторских свойств и газонасыщенности песчаников юго-западной части Донбасса. На основании анализа мощностей изометаморфичних зон в разных районах Донбасса, разработана схематическая модель изменения палеогеотермического градиента в прединверсионный период. Доказано, что чем большей была общая мощность осадочных пород в прединверсионный период, тем меньшим был палеогеотермический градиент и, соответственно, большее литостатическое давление испытали породы, вмещающие угли одинаковых марок.

Для юго-западной части Донбасса разработана схема расположения зон, в которых породы испытали различное литостатическое давление во время максимального погружения. Предложен комплексный коэффициент Кк, который отражает совместное влияние тектонического и литостатического давлений на уплотнение песчаников и определяется с учетом коэффициентов складчатой нарушенности, разрывной нарушенности и литостатического давления.

Определено влияние вещественного состава и структурных характеристик песчаников на их коллекторские свойства. Доказано, что с увеличением современной глубины залегания, градиент изменения открытой пористости песчаников угленосной толщи юго-западной части Донбасса уменьшается, в направлении от периферии бассейна к его центральной части, по мере увеличения тектонического и литостатического давлений, от 3,1 % на 1000 м в Красноармейском районе, до 2,9 % на 1000 м в Донецко-Макеевском и 2,7 % на 1000 м в Центральном районе.

Показано, что для песчаников Донбасса и Днепровско-Донецкой впадины характерно увеличение значений градиента изменения открытой пористости песчаников с увеличением значений открытой пористости на условной глубине 0 м.

Обоснован и разработан расчетный метод определения значений максимальной потенциальной газонасыщенности песчаников, глубин залегания песчаников с максимальной потенциальной газонасыщенностью и глубин отсутствия газонасыщенности в песчаниках. На основе полученных научных результатов предложен комплексный подход прогнозной оценки газонасыщенности песчаников с поровым коллектором и определения перспективных участков и толщ для предварительной дегазации и добычи метана.

Ключевые слова: Донбасс, песчаники, состав, структурные характеристики, тектоника, литостатическое давление, глубина, коллекторские свойства, газонасыщенность, метан.

SUMMARY

Zhykalyak M.V. Geological factors of forming collectors properties of sandstones at the southwest part of Donbas. - Manuscript.

Dissertation on competition of a