Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

в основном белой крупнокристаллической каменной солью, в которой встречаются кристаллы синего и волокнистого галита, иногда встреча­ ется шпатовый карналлит. Раскрытость трещин в зоне нарушения изме­ няется от 0,05 до 0,2 м. Приуроченность зон замещения сильвинитовых слоев каменной солью к тектоническим трещинам в зоне нарушения яв­ но свидетельствует о том, что данное малоамплитудное тектоническое нарушение служило проводником водных растворов, мигрировавших из подстилающей толщи и взаимодействовавших с породами III калий­ ного горизонта. В пределах зоны тектонического нарушения при веде­ нии горных работ на 25-й и 23-й западных панелях вскрыто четыре по­ тенциально выбросоопасных геологических нарушения — мульды (см. рис. 4.13, 4.14). При пересечении мульды (М. № 6 6 ) забоем север­ ного вентиляционного штрека лавы № 17 был искусственно иницииро­ ван выброс соли и газа интенсивностью 105,0 тонн. Горные работы в зо­ не малоамплитудного тектонического нарушения на 27-й, 25-й и 23-й западных панелях рудника 3 РУ неоднократно осложнялись газовыделениями.

Таким образом, представленные данные весьма наглядно демонст­ рируют генетическую связь очагов газодинамических явлений с такими проводниками водных растворов, как тектонические трещины и малоам­ плитудные разрывные нарушения. Тектонические трещины и малоам­ плитудные разрывные нарушения служили путями транзита агрессив­ ных водных растворов из подстилающей толщи в породы III калийного горизонта. Таким образом, если проводники водных растворов достига­ ли III калийного горизонта и затухали на его уровне, то при наличии га­ зов в водных растворах могли формироваться очаги газодинамических явлений. В этом случае можно утверждать, что функционировали гидро­ динамические системы в соответствии с моделями II и V (см. рис. 2.1). Если же тектонические трещины и малоамплитудные нарушения пересе­ кали породы III калийного горизонта и затухали в вышележащей толще пород, то очаги ГДЯ теоретически могли образовываться и там. Однако наиболее вероятно, что наличие в вышележащей толще пород мощных высокопористых глинисто-карбонатных горизонтов приводило к рассея­ нию в них газовой составляющей водных растворов. Взаимодействие же водных растворов с калийными породами II горизонта приводило к обра­ зованию зон замещения.

Следует остановиться еще на одном типе проводников, которые иг­ рали весьма важную роль в физико-геологическом механизме образо-

вания очагов ГДЯ. Проводниками водных растворов при их латераль­ ной миграции в породах III калийного горизонта служили глинистые прослойки, слои и пласты. Глины вследствие отставания уплотнения по сравнению с солями сохраняют значительную пористость (до 17,7 %). Высокая пористость глин по сравнению с солями обусловлена тем, что при достижении солями практически нулевой проницаемости уплотне­ ние глин почти останавливается. Поровые воды, содержащиеся в тон­ ких прослоях и пластах соленосных глин, из-за малого градиента давле­ ния не могут переместиться к областям возможной их разгрузки. Сле­ довательно, отличие в скоростях уплотнения различных типов осадков в консолидированной толще приводит к формированию в породах III калийного горизонта субпараллельных, близко расположенных про­ водников, представляющих собой тонкие тела соленосных глин. Несо­ мненно, что при уплотнении проницаемость соленосных глин снижа­ лась, однако по отношению к проницаемости уплотненных солей она оставалась относительно большой. Проницаемость соленосных глин значительно превышает проницаемость обычных глин. Этот факт обу­ словлен высокой концентрацией солей в поровых растворах соленос­ ных глин, поскольку из-за высокого содержания электролитов в водном растворе толщина пленки рыхлосвязанной воды вокруг глинистых час­ тиц значительно меньше, чем в случае, когда раствор представлен пре­ сной водой. Проницаемость глин по рассолу может превышать их про­ ницаемость по пресной воде в 1000 раз. Субпараллельные проводники, представленные в породах III калийного горизонта слоями и прослой­ ками соленосных глин, служили путями миграции газонасыщенных водных растворов на локальных участках при их латеральном движе­ нии от тектонических трещин и зон малоамплитудных разрывных на­ рушений.

Вконечном счете, вышеприведенные рассуждения о формировании

иналичии как в соляном породном массиве, так и в породах подстилаю­ щей III калийный горизонт толщи множества проводников водных рас­ творов, представленных тектоническими дислокациями и глинистыми прослойками, есть лишь констатация фактов, неоднократно подтвер­ жденных практикой ведения горных работ. Однако эта констатация была обусловлена особой важностью решаемой проблемы, необходимостью обобщения новых данных и логикой изложения взгляда на механизм об­ разования очагов ГДЯ.

4.4. Источники свободного газа очагов газодинамических явлений

Проблема источников свободного газа — наиболее важная в теории физико-геологического механизма образования очагов газодинамических явлений. В ряде научных работ по проблеме ГДЯ в калийных рудниках Старобинского месторождения вопрос об источниках свободного газа практически не рассматривался. Как правило, исследования были направ­ лены на изучение закономерностей распределения свободных газов в ка­ лийных породах. При этом констатировался факт наличия свободных га­ зов, которые подразделялись на внутрипластовые и приконтактные. К внутрипластовым относились крупные и гнездовые скопления газов, атакже газы, заключенные в порах и микротрещинах. Приконтактные свободные газы включали скопления газов в глинистых прослоях, на кон­ тактах между слоями пород, в геологических трещинах и зонах замеще­ ния. Следует отметить, что такая классификация свободных газов носит явно условный характер и не указывает источники скоплений газов в оча­ гах ГДЯ. Существует гипотеза, которая предполагает, что источником свободных газов в выбросоопасных геологических нарушениях — муль­ дах служили газы микровключенные [77, с. 50, 259]. При выщелачивании соляных пород агрессивными водными растворами, микровключенные газы переходили в свободную фазу. Однако даже если предположить, что весь микровключенный газ при образовании мульды перешел в свобод­ ную фазу, то газоносность пород в этой зоне все равно будет в 10-15 раз меньше, чем установленная в натурных условиях. Кроме того, многочис­ ленные экспериментальные данные показывают, что, наоборот, в выбро­ соопасных зонах количество микровключенного газа в соляных породах возрастает [158, 159]. Следовательно, только микровключенные газы не могли быть источником свободных газов в выбросоопасных зонах. Другая гипотеза предполагает образование скоплений свободного газа в очагах ГДЯ за счет «высаливания» газов при росте концентрации растворенных солей в газонасыщенных водных растворах [76, с. 113]. Этот вариант явля­ ется вполне реальным, однако и он отражает только одну сторону процес­ са образования очагов ГДЯ и требует детального рассмотрения и уточне­ ния. В первую очередь необходимо оценить возможную газонасыщенность водных растворов, компонентный состав растворенных газов и дать количественную оценку процессов дегазации водных растворов при изме­ нении как термобарических условий, так и их минерализации.

В толще пород, подстилающей III калийный горизонт, принято вы­ делять следующие водоносные горизонты и комплексы: кристалличе­ ского фундамента и верхнепротерозойских отложений, подсолевых девонских, межсолевых и внутрисолевых пород верхней соленосной толщи [128, с. 28-61J. В породах кристаллического фундамента и в верх­ непротерозойских отложениях залегают газонасыщенные водные рас­ творы. Газовый состав верхнепротерозойских водных растворов — азот­ ный, реже азотно-углеводородный. Общая газонасыщенность водных растворов достигает 0,285 м3/м3. В породах подсолевого комплекса де­ вонских отложений также залегают газонасыщенные водные растворы. Газовый состав водных растворов представлен в основном азотом (21,6-98,09 %) и углеводородами (32,3-43,5 %). Газонасыщенность вод­ ных растворов варьирует от 0,02 до 0,538 м3/м3. Газовый состав водных растворов межсолевых отложений представлен азотоТи (44,0-99,3 %), уг­ леводородами (обычно метаном до 53,0 %) и водородом. Газонасыщен­ ность водных растворов изменяется от 0,01 до 3,0 м3/м3. Водные раство­ ры, связанные с межсолевыми отложениями, высоконапорные. Пласто­ вые давления изменяются в пределах от 7,8 до 44,1 МПа и более, в зависимости от глубины залегания. Газовый состав водных растворов внутрисолевых пород соленосной толщи азотный, рейсе азотно-метано­ вый. Пластовые давления изменяются от 2,4 до 20,1 МПа.

Таким образом, представленный материал свидетельствует о том, что в подстилающих III калийный горизонт отложениях имеются и в на­ стоящее время четыре горизонта, содержащих газонасыщенные водные растворы. При определенных условиях в геологическом прошлом и на­ личии проводников газонасыщенные водные растворы могли мигриро­ вать вверх по разрезу, взаимодействовать с породами III калийного гори­

и компонентный состав газовых смесей водных растворов и пород III ка­ лийного горизонта Старобинского месторождения. Как видно из табл. 4.1, пластовые давления водных растворов в водоносных и рас­ сольных горизонтах изменяются от 2,4 до 44,1 МПа, достигая своего максимума в породах межсолевых отложений. Разница пластовых давле­ ний водных растворов в областях питания и разгрузки вполне могла при­ водить гидродинамическую систему в механически неустойчивое состояние, а при наличии проводников — и к восходящей миграции

Т а б л и ц а 4. 1

Пластовые давления, газонасыщенность и компонентный состав газовых смесей пород Ш калийного горизонта и водных растворов подстилающих горизонтов*

♦Данные приводятся по [168].

водных растворов. При минимальном пластовом давлении водных рас­ творов внутрисолевых пород верхней соленосной толщи 2,4 МПа раз­ ность пластовых давлений с водными растворами нижележащих гори­ зонтов могла достигать весьма значительной величины в 41,7 МПа. Газонасыщенность водных растворов также изменяется в широких пределах — от 0,01 до 3,0 MVM3 и достигает максимального значения в межсолевых отложениях (см. табл. 4.1). Сравнение компонентного со­ става газовых смесей пород III калийного горизонта и водных растворов подстилающих горизонтов показывает, что они весьма близки по своему составу и являются азотно-метановыми.

Таким образом, представленные данные о пластовых давлениях вод­ ных растворов, их газонасыщенности и компонентном составе газовых смесей не отвергают возможность восходящей миграции газонасыщен­ ных водных растворов и их взаимодействия с породами III калийного го­ ризонта.

Миграция газонасыщенных водных растворов из подстилающей III калийный горизонт толщи пород сопровождалась их дегазацией. Де­ газация водных растворов условно происходила в две стадии. Первая стадия была обусловлена изменением термобарических условий при ми­ грации растворов из областей с повышенным пластовым давлением в об­ ласти с пониженным пластовым давлением. Такими областями, где зна­ чительно снижалось пластовое давление растворов, были сначала зоны разрывных тектонических нарушений и тектонические трещины, а затем и пустоты в породах III горизонта, образовавшиеся в процессе выщела­ чивания и замещения растворимых соляных пород. Вторая стадия дега­ зации водных растворов включала процессы «высаливания» растворен­ ных газов в свободную фазу вследствие роста минерализации водных растворов при растворении пород III калийного горизонта. Следователь­ но, основными источниками свободных газов в очагах ГДЯ вполне мог­ ли быть газонасыщенные водные растворы. Геохимические процессы, сопровождающие дегазацию водных растворов, требуют детального рассмотрения и количественной оценки.

Количественную оценку первой стадии дегазации газонасыщенных водных растворов при изменении их термобарических условий выпол­ ним для осредненных значений состава газовых смесей, давлений и тем­ ператур. Точные значения палеоусловий образования очагов ГДЯ в на­ стоящее время установить невозможно, поэтому будем исходить из тех

оценок, которые даны в литературных источниках. При расчетах будем принимать, что среднее давление газов в очагах ГДЯ составляет 8.0 МПа, а температура, при которой происходили эпигенетические пре­ образования соляных пород III калийного горизонта, составляла 62 °С. Значение температуры, равное 62 °С, принималось в соответствии с ре­ зультатами исследований, полученными при определении температуры гомогенизации микровключений в выбросоопасных мульдах [157, 158]. Характеристики газонасыщенных водных растворов принимались на ос­ новании данных, представленных в табл. 4.1. Пластовое давление вод­ ных растворов принималось среднее, и было равно 27,0 МПа, а газонасыщенность — 1,5 м3/м3. При расчетах в составе газовых смесей водных растворов не учитывалось содержание таких компонентов, как этан, во­ дород, углекислый газ и тяжелые углеводороды, так как их количество в растворах незначительно. Идеализированный состав растворенных га­ зовых смесей был следующим: N2— 90 %; СН4— 10 %. Количественная оценка дегазирующего влияния падения пластового давления проводи­ лась по методике, изложенной в разделе 3.5.

В результате выполненных расчетов было установлено, что при сни­ жении пластового давления и температуры водных растворов с минера­ лизацией 270 кг NaCl на 1000 кг Н20 соответственно с 27,0 МПа и 120 °С до 8,0 МПа и 62 °С в свободную фазу выделится азота 0,54 м3/м3 и мета­ на 0,12 м3/м3. Суммарное количество выделившегося из водного раство­ ра газа составит 0,66 м3/м \ Следует отметить, что такие изменения тем­ ператур и давлений водных растворов при их восходящей миграции по зонам дизъюнктивных нарушений на стадии катагенеза вполне могли иметь место. Для количественной оценки изменения объема выделивше­ гося из водного раствора газа в зависимости от разности пластовых дав­ лений в областях питания и разгрузки гидродинамической системы, бы­ ли выполнены расчеты по приведенной выше методике. При выполне­ нии расчетов изменялась только величина давления в области разгрузки, аминерализация, давление, температура в области питания и температу­ ра в области разгрузки оставались неизменными. Результаты выполнен­ ных расчетов в пределах разности давлений от 10,0 до 26,0 МПа пред­ ставлены в виде графиков на рис. 4.15. Как видно из рис. 4.15, с увеличе­ нием разности давлений в областях питания и разгрузки растет объем газа, выделяющегося из водного раствора. Так, при разности давлений 10.0 МПа суммарный объем выделяющегося из водного раствора газа составит 0,36 м3 на 1 м3 водного раствора, а при разности давлений

Рис. 4.15. Графики зависимости количества выделившегося газа из водного раствора при снижении пластового давления (N2 — 90 %, СН4 — 10 %, / = 62 °С)

26,0 МПа эта величина возрастает в 2,7 раза и составляет 1,0 м3 на 1 м3 водного раствора. Исследования показали, что образование очагов газо­ динамических явлений вполне могло происходить за счет дегазации га­ зонасыщенных водных растворов при снижении пластового давления в областях их разгрузки. При этом количество выделяющегося из водного раствора газа, при прочих равных условиях, будет определяться величи­ ной разности пластовых давлений водного раствора в областях питания и разгрузки. Чем больше была эта разность пластовых давлений, тем больше газа выделялось из газонасыщенного водного раствора в свобод­ ную фазу.

Вторая стадия дегазации водных растворов обусловлена ростом их минерализации при растворении соляных пород III калийного горизонта. Эффект «высаливания» газов связан с тем обстоятельством, что раство­ ренные соли резко уменьшают растворимость газов в воде. Так, например, растворимость метана в воде под действием солей хлористого натрия мо­ жет уменьшиться в 2-3 раза [164, с. 99]. Исследования по количественной оценке эффекта «высаливания» газов из водных растворов при росте их минерализации в настоящее время выполнены в ограниченном объеме. При определении объемов «высаливаемых» газов использовался подход,