Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействия на угольные пласты

II этап -- опытно-промышленная эксплуатация первоочередных площадей, поисково-оценочные и геологоразведочные работы на других площадях (2011-2013 гг.).

III этап -- выход на промышленную добычу на первоочередных площадях; ввод в опытно-промышленную эксплуатацию других подготовленных участков и площадей.

1.2.1 Литолого-стратиграфическая характеристика

В геологическом строении Нарыкско-Осташкинской площади принимают участие отложения палеозойского, мезозойского и четвертичного возраста. Палеозойские отложения представлены породами верхнего и среднего отделов пермской системы, выделяемые в кольчугинскую серию, мезозойские - породами триаса и юры, выделенными в абинскую и тарбаганскую серии соответственно. Породы палеозоя и мезозоя повсеместно перекрыты рыхлыми осадками четвертичного возраста.

Пермская система. Верхний и средний отделы.

Кольчугинская серия.

В соответствии с унифицированной схемой стратиграфического расчленения верхнепалеозойских отложений Кузбасса кольчугинская серия подразделяется на три подсерии: кузнецкую, ильинскую и ерунаковскую.

Кузнецкая подсерия (P₂kz)

Отложения подсерии скважинами разведочного бурения на Нарыкско-Осташкинской площади не вскрыты, а выходят на поверхность в соседнем Терсинском геолого-экономическом районе. Отложения подсерии непродуктивны, представлены песчаниками, алевролитами и аргиллитами с тонкими слоями гравелитов и единичными тонкими прослоями углей. Мощность подсерии в опорном разрезе по р.Томь в районе Новокузнецка 830-860 м [2].

Ильинская подсерия (P₂il)

Согласно перекрывает кузнецкую подсерию, подразделяется на казанково-маркинскую и ускатскую свиты.

Казанково-маркинская свита (P₂km) вскрыта в обнажениях по р. Томь и бурением в южной части Ерунаковского района. Представлена переслаиванием маломощных слоев песчаников тонко- и мелкозернистых, алевролитов крупно- и мелкозернистых, аргиллитов с многочисленными (до 60) прослоями каменных углей мощностью до 0,7 м. Мощность отложений в опорном береговом разрезе по р.Томь - 1000-1020 м [2].

Ускатская свита (P₂us) сложена переслаиванием алевролитов, песчаников, аргиллитов с пластами и тонкими пропластками каменных углей. Она характеризуется более продолжительными, по сравнению с казанково-маркинской свитой, циклами осадконакопления. Отложения свиты выходят на поверхность на юге и западе Ерунаковского района. Верхняя граница свиты проводится по кровле пласта 38. Мощность свиты изменяется от 500 м в северо-восточной до 900 м - в юго-западной части Ерунаковского района. В этом же направлении постепенно возрастает угленосность [2].

Ерунаковская подсерия (P_2-3er)

Согласно залегает на ильинской подсерии, охватывает верхнюю, наиболее продуктивную часть разреза кольчугинской серии, широко распространена на всей площади. Ерунаковская подсерия отличается от ильинской более мощными циклами осадконакопления: отдельные слои песчаников и алевролитов достигают 25-60 м, мощность седиментационных циклов и связанных с ними угольных пластов возрастает от стратиграфически нижележащих пластов к вышележащим. Подсерия подразделяется на ленинскую, грамотеинскую и тайлуганскую свиты.

Ленинская свита (P_2-3ln) выделяется в границах от кровли пласта 38 до кровли пласта 60. Они согласно залегают на нижележащих отложениях ускатской свиты. Отложения ленинской свиты, распространены в центральной и восточной части Нарыкской антиклинали и вскрыты скважинами на южном крыле Кыргай-Осташкинской синклинали (участки Новоказанские 1 и 2). Глубина погружения угольных пластов ленинской свиты в пределах Нарыкско-Осташкинской площади изменяется от выходов под наносы до 1800-2500 м.

По литологическому составу отложения ленинской свиты, представлены как глинистыми породами (алевролитами, реже аргиллитами), так и песчаниками, пользующимися значительным распространением в разрезе. Слои пород в межпластовых интервалах имеют мощность от 5 до 20 м.

Грамотеинская свита (P₃gr). Отложения свиты согласно перекрывают породы ленинской свиты и выделяется в следующих стратиграфических границах - от кровли пласта 60 до кровли пласта 78. На Нарыкско-Осташкинской площади отложения свиты, развиты на крыльях Нарыкской антиклинали и Кыргай-Осташкинской синклинали.

На южном крыле Кыргай-Осташкинской синклинали грамотеинская свита, вскрыта на полную мощность. Мощность её изменяется от 348 до 430 м, средняя - 378 м и, в общем, несколько увеличивается с запада на восток.

Для грамотеинской свиты характерна большая продолжительность циклов осадконакопления. Наиболее крупные из них приурочены к верхней части разреза, где отдельные слои песчаников и алевролитов достигают мощности 70 м. Литологический состав вмещающих пород непостоянен, как в широтном, так и в меридиональном направлениях наблюдается фациальная изменчивость осадков. Наибольшим распространением в отложениях свиты пользуются мелкозернистые алевролиты - 38,8%, затем песчаники - 35,2%, на долю крупнозернистых алевролитов приходится 13,3%. Аргиллиты, углистые породы и пачки переслаивания пород имеют подчинённое значение, а участие их не превышает 0,3 - 4,8%.

Тайлуганская свита (P₃tl). Отложения свиты завершают стратиграфический разрез верхнепалеозойских отложений Кузбасса. Отложения свиты распространены как на флангах, так и в центральной части Нарыкско-Осташкинской площади. Свита включает толщу осадков от кровли пласта 78 до контакта с мезозойскими отложениями, проведенного по слою отбеленных пород залегающих в пределах от 10-12 до 20 м выше кровли пласта 103. В пределах Нарыкско-Осташкинской площади отложения свиты вскрыты на полную мощность на южном крыле Кыргай-Осташкинской синклинали (участки Новоказанские 1 и 2) и на южном крыле Нарыкской антиклинали на Жерновском и Большереченском поисковых профилях.

В литологическом составе отложений свиты преобладают песчаники (20-42%) и алевролиты (25-38%), существенное значение имеют аргиллиты (17-19%) и угли (2,7-16%). Литологический состав вмещающих пород непостоянен, как в разрезе, так и на площади наблюдается фациальная изменчивость осадков. В целом, в нижней части разреза преобладают мощные слои песчаников, в верхней - алевролитов. Мощность отдельных слоев песчаников и алевролитов достигает 50 - 60 м. На западе площади в составе пород преобладают псаммитовые и пелитовые, а на востоке - алевритовые разности.

Триасовая система. Нижний-средний отделы.

Абинская серия (T_1-2 ab)

Верхнепалеозойские отложения без видимого несогласия перекрываются осадками абинской серии ранне-среднетриасового возраста. Эти отложения наиболее полно изучены на Жерновском поисковом профиле в месте максимального погружения Кыргай-Осташкинской синклинали. Граница с палеозойскими отложениями условно проводится по слою отбеленных пород, в 5-20 м выше последнего угольного пласта 103. В пределах района углового несогласия между мезозойскими и палеозойскими отложениями не установлено.

Разрез абинской серии представлен чередованием зеленовато-серых и бурых песчаников и алевролитов, часто с примесью туфогенного материала. Алевролиты имеют в разрезе толщи преобладающее значение.

Характерным для пород триаса является повсеместное включение цеолита. В нижней части разреза встречаются пластовые тела базальтов, мощностью более 20 м. Максимальная мощность вскрытой части разреза отложений триаса около 600 м.

Юрская система. Нижний-средний отделы.

Тарбаганская серия. (J_1-2 tb).

Отложения тарбаганской серии юрского возраста, трансгрессивно залегающие на осадках абинской серии, вскрыты в ядре и крыльях Кыргай-Осташкинской синклинали на Жерновском поисковом профиле. Мощность её здесь не превышает 270 м. В основании юрских отложений залегает базальный конгломерат мощностью до 2,0 м, представленный хорошо окатанной галькой изверженных пород. По литологическому составу юрские отложения представлены светло-серыми песчаниками различного гранулометрического состава с прослоями и линзами гравеллитов и конгломератов.

Четвертичная система.

Современные осадки распространены повсеместно. По генетическим признакам они подразделяются на аллювиальные отложения современных речных долин и покровные отложения водоразделов и склонов. Аллювиальные отложения выполняют долины современных рек, образуя русловые осадки, пойменные и надпойменные террасы и представлены галечником, гравием, песком, супесями, суглинками, илами.

Покровные отложения междуречий обычно представлены лессовидными суглинками, глинами, супесями. Мощность их изменяется от 2-5 м в поймах и долинах рек, до 40_60 м на водоразделах.

1.2.2 Тектоника

Тектоника как локальный фактор отражает условия залегания продуктивных свит и продуктивных групп угольных пластов на участках и площадях метаноугольных месторождений, углы падения, интенсивность разрывных нарушений, трещиноватость пластов, геодинамическое состояние угленосных массивов (наличие или отсутствие зон повышенной проницаемости пластов).

Тектоника участков и площадей оказывает влияние на выбор местоположения промысловых полигонов и их конфигурацию, выбор мест заложения тестовых и промысловых скважин, дебиты и масштабы добычи метана из угольных пластов [3].

Тектоническое строение Нарыкско-Осташкинской площади определяется её расположением в Центральной части Кузнецкого бассейна на границе с Присалаирской зоной линейной складчатости. Основные складчатые структуры - Нарыкская антиклиналь, Кыргай-Осташкинская синклиналь имеют субширотное направление. С запада и юга складчатые структуры осложнены крупными разрывными нарушениями - Воробьевским взбросом и нарушением I.

Пликативные структуры.

Кыргай-Осташкинская синклиналь расположена в центральной части района, от Жерновской антиклинали отделена взбросом I. Кыргай-Осташкинская синклиналь это крупная структура, размеры которой в Ерунаковском районе по длинной оси (ориентированной в субширотном направлении) составляют 19 км, а по короткой - 10 км. Падения пластов в южном крыле 15-20 град., в северном-30-40 град. Синклиналь выполнена полным разрезом угленосных отложений кольчугинской серии, мощность которых составляет около 2000м, перекрытыми (в ядре синклинали) триасовыми и юрскими отложениями общей мощностью около 600-650 м.

Нарыкская антиклиналь - крупная брахиформная структура, ориентирована параллельно Кыргай-Осташкинской синклинали, имеет субширотную ориентировку осевой поверхности расположенная в северо-восточной части Ерунаковского района.

Антиклиналь имеет длину 35 км и ширину 10 км, амплитуда по кровле ерунаковской подсерии составляет более 1500 м. Простирание длинной оси складки - субширотное. Северное крыло пологое (18-30°), южное - более крутое (30-75°), участками флексурообразное и осложнённое разрывным нарушением, которое сопровождается рядом апофиз.

Дизъюнктивные структуры

Нарушение I - это крупное разрывное нарушение, протягивающееся по южному крылу Кыргай-Осташкинской синклинали и далее на восток и юго-восток через Маркино-Никольскую антиклиналь, установленное по зоне трещиноватых раздробленных пород. Мощность зоны дробления около 350 м, а амплитуда смещения колеблется в пределах 150-500 м. Как правило, этот дизъюнктив сопровождается зеркалами скольжения с преобладающими углами падения сместителя (порядка 60-85⁰).

Характерным для этого нарушения является его северо-восточное падение и изменчивость простирания. Здесь, очевидно, сказывается разнонаправленность тектонических напряжений, приведших к образованию в этой части района пересекающейся складчатости и соответственно разнонаправленных разрывных нарушений. Кроме нарушения I, в пределах Нарыкско-Осташкинской площади, геологоразведочными работами на Жерновском поисковом профиле установлено крупное разрывное нарушение типа согласного взброса поражающее северное крыло Нарыкской антиклинали. Стратиграфическая амплитуда смещения колеблется в пределах 120 - 150 м. Данный дизъюнктив сопровождается рядом апофиз и зоной дробления мощностью около 130 м.

1.2.3 Гидрогеологическая характеристика

Гидрогеологические условия Нарыкско-Осташкинской площади изучались главным образом при разведке месторождений каменного угля, начиная с 1949 г (Яганов Н.М.1952 ф, Макаров В.Г. 1965 ф, Щербаков Н.И.1970 ф, Лоншаков В.И., 1985 ф и др). В настоящее время гидрогеологические работы ведутся в связи со строительством угледобывающих предприятий, созданием наблюдательных сетей для ведения мониторинга геологической среды, бурением гидрогеологических скважин для водоснабжения населения, а также в связи с оценкой газоносности угольных пластов для выявления метаноугольных месторождений.

Согласно гидрогеологической стратификации Кузбасса, в пределах Ерунаковского района выделяются воды четвертичных аллювиальных отложений, воды спорадического распространения верхнечетвертичных-современных проблематических отложений, водоносный комплекс мезозойских отложений и водоносный комплекс верхнепермских отложений ерунаковской подсерии .

Воды четвертичных алювиальных отложений

Грунтовые воды приурочены к алювиальным отложениям в долинах речек Кыргай, Черневой Нарык, Берёзовая, Осиновка, Большая Речка и др. Водовмещающие отложения представлены песком, гравием, галькой с примесью глинистого материала. Мощность их изменяется от 0,5 до 8 м. Уровень воды в долинах речек залегает на глубинах 0,5 - 1,5 м. Удельные дебиты скважин изменяются от 0,004 до 0,04 л/с, водопроводимость пород до 43 м³/сут.

Воды спорадического распространения верхнечетвертичных - современных проблематических отложений

Грунтовые воды проблематических отложений распространены в бассейнах рек Еланного и Чернового Нарыков.

Водовмещающие отложения представлены легкими разностями суглинков на контакте с более тяжелыми, а также супесями и прослойками песков. Мощность пород колеблется от 0,2 до 2 м. Воды безнапорные и слабонапорные, напоры не превышают 1 - 2 м. Водообильность пород незначительная, дебиты родников изменяются от 0,03 до 0,1 - 0,2 л/с. По химическому составу воды гидрокарбонатные кальциевые, реже гидрокарбонатные магниевые, кальциево-натриевые, натриевые с минерализацией 0,1 - 0,4 г/дм³. Содержание аммония довольно часто выше нормы (до 0,2 мг/л), рН 5,5 - 7,5. Практического значения эти воды не имеют.

Водоносный комплекс мезозойских отложений

Водоносный комплекс связан с осадками тарбаганской серии юры (J_1-2) и абинской серии триаса (Т_ab).

Юрские осадки, занимают небольшую площадь в ядре Кыргай-Осташкинской синклинали, обладают повышенными фильтрационными свойствами. Водовмещающие породы - трещиноватые, фациально невыдержанные по площади и в разрезе слабосцементированные песчаники, алевролиты, конгломераты, реже аргиллиты.

Характеристика подземных вод юрских отложений дается, главным образом, до глубины 100-150 м и основывается на результатах гидрогеологической съёмки масштаба 1:200 000.

По типу движения эти подземные воды преимущественно трещинные, трещинно-пластовые, приурочены к отдельным зонам повышенной трещиноватости, которые разделены между собой менее трещинноватыми и даже монолитными породами. Количество трещиноватых зон по данным резистивиметрии и расходометрии колеблется от 1-2 до 5_7, мощности зон изменяются от 2-3 до 30-40 м. Воды, как правило, напорные. Величина напора изменяется от 1-9 м до 120-170 м и больше, в зависимости от положения трещиноватой зоны в разрезе. Как правило, наибольшими напорами обладают более глубокие зоны. Пьезометрическая поверхность подземных вод в сглаженном виде повторяет рельеф местности и фиксируется на водоразделах и склонах на глубине от 3,6-10 м до 40 м, в долинах и логах на глубине 0-14 м, нередко на 3-5 м выше поверхности земли. Как правило, в депрессиях рельефа скважины фонтанируют.

Водообильность юрских отложений довольно высокая и обусловлена, прежде всего, наличием и интенсивностью открытой трещиноватости и степенью выветрелости пород. Удельные дебиты скважин колеблются в долинах от 0,1 до 9,5 л/сек, на водоразделах от 0,01 до 0,06 до 0,3 л/сек. Питание подземных вод осуществляется путём инфильтрации атмосферных осадков на склонах и водоразделах, разгрузка происходит в местную гидросеть.

По химическому составу подземные воды гидрокарбонатные с пестрым катионным составом, минерализация в основном в пределах 0,3-0,8 мг/л, реакция водной среды от нейтральной до слабощелочной (рН = 7-8), жесткость составляет 2-5 мг/экв. Воды не агрессивные по отношению к бетону. Микроэлементы представлены медью, марганцем, титаном, ванадием, галлием, бромом, стронцием, редко цирконом, цинком, кадмием, никелем. Содержания микроэлементов незначительны и равны в основном тысячным и десятитысячным, реже сотым долям мг/л.

Эффузивно-осадочные отложения триаса распространены в ядре и на крыльях Кыргай-Осташкинской синклинали. Они представлены в большинстве своём туфогенными алевролитами, песчаниками, алевролитами и песчаниками обычного вида.

Все породы разбиты густой сетью трещин в самых разнообразных направлениях. Доминируют вертикальные трещины. Зона интенсивной трещиноватости распространяется до глубины 100-150 м.

По характеру движения подземные воды, приуроченные к отложениям триаса, являются трещинными, трещино-пластовыми и приурочены к интервалам повышенной трещиноватости, мощность и количество которых непостоянны. Подземные воды безнапорны на водоразделах, слабонапорны в нижней части склонов и в долинах. Отмечается тенденция к увеличению напоров (вплоть до фонтанирования) при вскрытии глубоких зон. В долинах и нижних частях склонов иногда отмечается самоизлив. Уровенная поверхность подземных вод устанавливается в долинах вблизи поверхности земли на глубинах от 1,3 м или выше её на 1 - 3 м. На водоразделах и склонах глубина залегания уровня подземных вод увеличивается до 10 м. и более.

Водообильность подземных вод отложений триаса неравномерна, как по площади, так и по разрезу. Удельные дебиты скважин изменяются в пределах от 1,0 л/сек. до 0,008 л/сек.

Питание подземных вод преимущественно местное за счет инфильтрации атмосферных осадков на водоразделах и склонах, имеющих маломощный покров рыхлых водопроницаемых отложений, разгрузка осуществляется в местную гидросеть.

Уровенный режим подземных вод характеризуется непостоянством и целиком зависит от режима атмосферных осадков.

По химическому составу подземные воды гидрокарбонатные, с пестрым катионным составом - кальциевые, натриево-кальциевые, кальциево-натриевые и натриевые. По данным, полученным при опробовании разведочных скважин, минерализация подземных вод изменяется от 389 мг/л до 778 мг/л, что нехарактерно для подземных вод зоны умеренного увлажнения. По показателю жесткости воды мягкие, по величине pH - от нейтральных до щелочных. По данным гидрогеологической съёмки масштаба 1:200 000, среди микрокомпонентов в незначительных концентрациях присутствуют медь, марганец, барий, цинк, титан, ванадий, галлий, стронций и кадмий, аномальные содержания дают только барий и никель.

Водоносный комплекс верхнепермских отложений ерунаковской подсерии

В пределах района работ отложения ерунаковской подсерии слагают центральную часть Нарыкской антиклинали, а также южное крыло Кыргай-Осташкинской синклинали. Разрез водоносного комплекса представлен чередованием мощных пластов песчаников с алевролитами, аргиллитами и углями. По водопроводимости в толще пород выделяется две зоны: верхняя, с интенсивно трещиноватыми породами и нижняя - зона затухающей трещиноватости.

По условиям залегания и характеру водовмещающих пород в верхних частях разреза преобладает трещинный тип фильтрации подземных вод, ниже, в условиях затухания трещиноватости и наличия мощных пластов песчаников, возрастает роль трещинно-пластового, трещинно-жильного типов фильтрации. Трещиноватость пород в разрезе неравномерна. По данным геофизических исследований установлено наличие от 1 до 5-8 водоносных зон.

Глубина залегания водоносного комплекса колеблется от 1 до 10 м, в исключительных случаях до 13 - 18 м в долинах и от 10 до 25 м, редко до 50 м на водоразделах.

Подземные воды комплекса, как правило, напорные в долинах рек, подножьях склонов и безнапорные на водоразделах. Величины напоров в зоне интенсивной трещиноватости изменяются от 3 - 7 м до 10 - 24 м и зависят от положения водоносных зон в разрезе. С глубиной напоры увеличиваются, в некоторых случаях фонтанирование скважин начинается с глубин 200 - 400 м .

Уровни подземных вод в логах и долинах устанавливаются на глубинах от 4 м до 5 м выше поверхности рельефа. На водоразделах и склонах глубины залегания уровня подземных вод изменяются от первых метров до 48 м.

Водообильность комплекса в общем невелика и неравномерна как по площади, так и в разрезе. Удельные дебиты скважин варьируют в очень широких пределах, от 0,01 л/сек до 1,2 л/сек при преобладающих значениях 0,2-0,6 л/сек.

Питание подземных вод преимущественно местное за счет инфильтрации атмосферных осадков, в меньшей степени за счет напорных вод глубоких горизонтов. Разгрузка происходит в местную гидросеть.

Уровенный режим подземных вод характеризуется непостоянством и целиком зависит от режима атмосферных осадков.

По химическому составу подземные воды являются гидрокарбонатными со смешанным катионным составом, преимущественно кальциевым или натриевым. Воды пресные, минерализация изменяется от 360 до 865 мг/л, от мягких до жестких (3,65 - 9,87 мг-экв/л), по показателю pH от слабокислых до щелочных. Микрокомпоненты представлены медью, марганцем, цинком, титаном, ванадием, галлием, бромом.

1.2.4 Физико-механические свойства горных пород