Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

границы, которые всегда присутствуют в любой породе. Наличие флюидопроводников, представленных слоями и прослойками соленосных глин, микротрещиноватостью и границами зерен, предопределяет прин­ ципиальную возможность взаимодействия агрессивных растворов с лю­ бым объемом соляных пород даже на стадии катагенеза.

Таким образом, на стадии катагенеза в соляной толще Верхнекам­ ского месторождения имелись многочисленные флюидопроводники, формирование которых происходило за счет различных процессов.

3.4. Источники свободного газа очагов газодинамических явлений

Проблема источников свободного газа является наиболее важной в механизме образования очагов газодинамических явлений в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. В настоящее время ученые, занимающиеся проблемой ГДЯ в калийных рудниках Верхне­ камского месторождения, не пришли к единому мнению об источниках свободного газа в очагах газодинамических явлений. Большой объем ис­ следований был выполнен по изучению закономерностей распределения свободных газов в калийных породах. В то же время большинство иссле­ дователей отмечает, что своеобразный состав углеводородов, формы и характер газовых включений в солях, зональное распределение газов по разрезу, данные по изучению органического вещества и изотопного состава углерода углеводородов свидетельствуют об отсутствии генети­ ческой связи между углеводородными газами соляных пород и органи­ ческим веществом этих образований [13,87-92; 14, с. 321-329; 148-157]. Материалы по газоносности соляных пород Верхнекамского месторож­ дения, особенности химического состава этих газов и их изотопного со­ става свидетельствуют о том, что данные газы представляют собой слож­ ную природную смесь, отдельные компоненты которой имеют различ­ ную природу. Среди газов калийных отложений выделяются газы, генетически связанные с этими отложениями, и газы, чуждые калиенос­ ным образованиям, т. е. генетически с ними не связанные. К газам, гене­ тически связанным с калийными отложениями, относятся радиогенные, радиационно-химические и метаморфогенные газы. Газы, захваченные (окклюгированные) солями в процессе их кристаллизации и пришедшие в соленосные отложения извне (эпигенетические), относятся к газам,

генетически не связанным с соленосными отложениями [156]. Как уже отмечалось в разделе 3.1, более 80 % газодинамических явлений на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения произошло в местах с явными признаками эпигенетических изменений как самих пластов, так и вмещающих пород. Анализ особенностей геологического строения мест развития ГДЯ различного вида приводит к выводу, что их очаги приурочены к путям миграции в соленосной толще водных растворов. Кроме этого, многолетняя практика ведения горных работ на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения свидетельствует о мно­ гочисленных повышенных выделениях свободных газов из стенок гор­ ных выработок в виде «микросуфляров», которые приурочены к контак­ там соляных пород с глинисто-ангидритовыми прослойками. Эти выделения свободных газов практически всегда сопровождаются выде­ лением водных растворов с образованием мелких пузырей и брызг. Про­ должительность выделения свободных газов и водных растворов колеб­ лется от нескольких часов до 10 суток и более. Наибольшая зафиксиро­ ванная продолжительность действия «микросуфляров» с выделением водных растворов по пласту Кр II составила 144 часа, а по пласту АБ — 350 часов [148, с. 65]. Кроме этого, неоднократно отмечалось истечение водных растворов из отдельных замкнутых полостей в виде выбросов с газом. Все эти факты позволяют предполагать весьма существенную роль газонасыщенных водных растворов в образовании очагов газодина­ мических явлений в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей весьма существенной.

При определенных условиях в геологическом прошлом и при нали­ чии проводников газонасыщенные водные растворы могли мигрировать по разрезу, взаимодействовать с соляными породами и создавать в них зоны эпигенетических преобразований. Известно, что водные растворы водоносных комплексов подсолевых отложений в пределах Соликам­ ской впадины являются газонасыщенными [129, с. 77-104; 130, с. 61-64; 131, с. 125-128; 132, с. 123-128]. Сведения о газонасьнценности водных растворов, пластовом давлении и компонентном составе водорастворен­ ных газов подсолевых отложений приведены в табл. 3 .3 .

Как видно из табл. 3.3, в подсолевых породах имеется и в настоящее время шесть водоносных горизонтов, содержащих газонасыщенные вод­ ные растворы. Газонасыщенность водных растворов подсолевых водонос­ ных горизонтов изменяется от 0,14 до 0,65 MVM3, достигая максимальных

Газонасыщенность, пластовые давления и компонентный состав водорастворенных газов подсолевых водоносных комплексов [129-132]

значений в средне-нижневизейском терригенном комплексе. Водные рас­ творы, связанные с подсолевыми отложениями, являются высоконапор­ ными. Пластовые давления изменяются от 3,93 до 26,86 МПа в зависимо­ сти от глубины залегания и достигают максимальных значений в породах верхне-среднедевонского терригенного комплекса. Компонентный состав водорастворенных газов в нижнепермсковерхнекаменноугольном карбо­ натном, московском, башкирско-верхневизейском терригенно-карбонат- ном и средне-нижневизейском терригенном водоносных комплексах азот­ но-метановый. Компонентный состав водорастворенных газов этих водо­ носных комплексов следующий: метан — от 48,6 % до 68,2 %; сумма тяжелых углеводородов — от 1,0 % до 4,0 %; азот — от 28,2 % до 47,5 %; сумма кислых газов (С02 + H2S) — от 0,7 % до 7,9 %; водород— от 0,22 % до 0,32 %. Водорастворенные газы турнейско-верхнедевонского карбо­ натного и верхне-среднедевонского терригенного водоносных комплек­ сов имеют метаново-азотный компонентный составГметан — от 15,1 % до 42,9 %; сумма тяжелых углеводородов — от 4,66 % до 8,3 %; азот — от 48,6 % до 97,5 %; сумма кислых газов (С02 + H2S)— от 0,2 % до 1,5 %; во­ дород — до 0,39 %. В целом компонентный состав водорастворенных га­ зов подсолевых отложений определяется соотношением метана и азота. Все другие газовые компоненты, такие как тяжелые углеводороды (этан — гексан), сероводород, углекислый газ, водород и инертные газы, содержатся в значительно меньших количествах и имеют подчиненное значение.

Разница пластовых давлений водных растворов в областях питания и разгрузки вполне могла приводить гидродинамическую систему в меха­ нически неустойчивое состояние, а при наличии проводников — к восхо­ дящей и латеральной миграции водных растворов. При средней глубине залегания сильвинитовой зоны 400 м давление внутрисолевых водных растворов могло составлять 8,0 МПа. В месте образования расслоений и трещин давление водных растворов могло снижаться до нуля. Газонасыщенность водных растворов, по-видимому, изменялась в широких преде­ лах. Результаты экспериментальных исследований компонентного соста­ ва свободных газов пород сильвинитовой зоны Верхнекамского месторо­ ждения показали, что они весьма близки по своему составу и являются газами метаново-азотными [149, с. 52-55; 150, с. 160-163].

Миграция газонасыщенных водных растворов в соляных породах месторождения сопровождалась их дегазацией. Дегазация водных рас­

творов была обусловлена двумя факторами. Первый фактор был обу­ словлен изменением термобарических условий при миграции газонасы­ щенных водных растворов из областей с повышенным пластовым давле­ нием в области с пониженным пластовым давлением. Такими областями, где значительно снижалось пластовое давление растворов, могли быть сначала зоны разрывных тектонических нарушений и тектонические трещины, а затем пустоты и расслоения, образовавшиеся в процессе вы­ щелачивания и замещения растворимых соляных пород. Второй фактор дегазации водных растворов включал процессы «высаливания» раство­ ренных газов в свободную фазу вследствие роста минерализации водных растворов при растворении соляных пород. Следовательно, основными источниками свободных газов в очагах ГДЯ вполне могли быть газона­ сыщенные водные растворы. Геохимические процессы, сопровождаю­ щие дегазацию водных растворов, требуют детального рассмотрения и количественной оценки.

Количественная оценка первой стадии дегазации газонасыщенных водных растворов при изменении их термобарических условий выполня­ лась 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 варьировать значением давления газов в очагах ГДЯ, а температура, при которой происходили эпигенетические преобразования соляных пород сильвинитовой зоны, была близка к 40 °С [14]. Значение температуры аг­ рессивных водных растворов, равное 40 °С, принималось по аналогии с современной температурой внутрисолевых вод. Характеристики газона­ сыщенных водных растворов принимались следующие: пластовое давле­ ние водных растворов 8,0 МПа, величины газонасыщеиности и минерали­ зации варьировались. При расчетах в составе газовых смесей водных рас­ творов не учитывалось содержание таких компонентов, как этан, водород, углекислый газ и тяжелые углеводороды, т. к. их количество в растворах было незначительно в сравнении с метаном и азотом. Состав растворен­ ных газовых смесей для сильвинитовых пластов принимался следующим: N2— 62 %; СН4 — 38 %. Количественная оценка дегазирующего влияния падения пластового давления проводилась по методике, изложенной в ря­ де научных работ [158-163]. В соответствии с методикой вначале находи­ лись константы равновесия газовых компонентов, растворяющихся в не-

Объем выделившихся азота и метана в мл на 1 г чистой воды опреде­ ляется из выражения

Количество выделившегося из водных растворов компонентов газа в м3 на 1 м3 раствора находилось из уравнения

где g — содержание солей в водном растворе, %; <3t — плотность водного раствора солей.

Величина g может быть найдена по весу солей (Q), содержащихся в 1 л водного раствора:

Результаты выполненных расчетов в виде графиков представлены на рис. 3.10. Из рис. 3.10 видно, что снижение пластового давления при температуре водных растворов 40 °С и минерализации 50 кг NaCl на 1000 кг Н20 с 8,0 МПа до 2,0 МПа сопровождается выделением в сво­ бодную фазу 0,63 м3/м3 метаново-азотной газовой смеси. При минерали­ зации 100, 150, 2 0 0 , 250, 300, 350, 400 и 450 кг NaCl на 1000 кг Н20 при тех же условиях соответственно выделится 0,52, 0,37, 0,30, 0,23, 0,18, 0,14,0,1 и 0,09 м3/м3 метаново-азотной газовой смеси. Следует отметить, что такие изменения давлений водных растворов при их миграции по зо­ нам нарушений на стадии катагенеза вполне могли иметь место.

Исследования показали, что образование очагов газодинамических явлений вполне могло происходить за счет дегазации газонасыщенных водных растворов при снижении пластового давления в областях их раз­ грузки. При этом количество выделяющегося из водного раствора газа, при прочих равных условиях, будет определяться величиной разности пластовых давлений водного раствора в областях питания и разгрузки. Чем больше была разность пластовых давлений, тем больше газа выделя­ лось из газонасыщенного водного раствора в свободную фазу.

Вторая стадия дегазации водных растворов обусловлена ростом их минерализации при растворении соляных пород. Влияние концентрации солей в водном растворе на уменьшение растворимости газов называется

Рис. 3.10. Графики изменения объема газа, выделившегося из водного раствора

различной минерализации, в зависимости от разности пластового давления

эффектом «высаливания». Эффект «высаливания» газов связан с тем об­ стоятельством, что растворенные соли резко уменьшают растворимость газов в воде. Так, например, растворимость метана в воде под действием солей хлористого натрия может уменьшиться в 2—3 раза [158, с. 99]. Ис­ следования по количественной оценке эффекта «высаливания» газов из водных растворов при росте их минерализации в настоящее время выпол­ нены в ограниченном объеме [158, 162, 163]. При определении объемов «высаливаемых» газов использовался подход, аналогичный количествен­ ной оценке объемов газов, выделявшихся в свободную фазу при падении пластового давления водных растворов. Только в этом случае изменялась концентрация NaCl в водном растворе, а пластовое давление и температу­ ра оставались постоянными, и принимались соответственно 8,0 МПа

и 40 °С. Вначале по формуле (3.4) находились константы равновесия газо­ вых компонентов, растворенных в неминерализованной воде при давле­ нии 8,0 МПа и температуре 40 °С. Затем по справочным данным находи­ лись значения коэффициентов Сеченова для азота и метана при темпера­ туре 40 °С. По формулам (3.5), (3.6) и (3.7) находились константы равновесия для минерализованных водных растворов. Содержание рас­ творенных компонентов газов в мольных долях находилось по формуле (3.8) . Суммарное количество газа, выделившегося из водного раствора с ростом его минерализации, в мольных долях определялось по формуле (3.9) . Переход от мольных долей к м3 производился с помощью формул (3.10) , (3.11) и (3.12). Все расчеты были выполнены для водных растворов NaCl, минерализация которых составляла соответственно 0; 50; 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450 кг/м3 при пластовом давлении 0,1; 2,0; 4,0; 5,0 и 8,0 МПа. Результаты выполненных расчетов представлены в виде гра­ фиков на рис. 3.11. Как видно из рис. 3.11, увеличение минерализации водных растворов сопровождается увеличением объема «высаливаемого» газа и при концентрации 450 кг/м3 NaCl на 1000 кг Н20 «высаливанию» подвергается до 90 % растворенной метаново-азотной газовой смеси. Так, при пластовом давлении газонасыщенного водного раствора 2,0; 4,0; 5,0 и 8,0 МПа при увеличении минерализации водного раствора до 450 кг/м3 на 1000 кг Н20 соответственно может быть «высолено» 0,36; 0,6; 0,7; и 1,1 м3 газовой метаново-азотной смеси из 1 м3 раствора.

Эффект «высаливания» газов из водных растворов при росте кон­ центрации солей может быть оценен и по величине значений коэффици­ ента активности растворенного газа [164]. Принято, что коэффициент ак­ тивности газа, растворенного в воде, не содержащей каких-либо приме­ сей, равен единице. Экспериментально установлено, что с повышением концентрации солей в водном растворе растворимость газов уменьшает­ ся, а коэффициент их активности возрастает и служит мерой «высалива­ ния». Коэффициент активности газа изменяется, как правило, от едини­ цы при нулевой концентрации соли в водном растворе до величины, зна­ чительно превышающей единицу, при повышении ионной силы раствора. Скорость изменения коэффициента активности с повышением концентрации солей в растворе различна для определенных газов. На рис. 3.12 в виде функции от ионной силы раствора NaCl приведены значения коэффициентов активности следующих растворенных газов: азота, кислорода, водорода, углекислого газа и сероводорода [164, с. 67]. Анализ диаграммы показывает, что скорость изменения коэффициента

Рис. 3.11. Графики изменения объема метаново-азотной смеси, «высаливаемой» из водного раствора, с ростом его минерализации и при соответствующем пластовом

давлении

активности с повышением концентрации NaCl в значительной степени зависит от конкретного газа. Как видно из рис. 3.12, для азота скорость изменения коэффициента активности является максимальной. Следова­ тельно, при эпигенетических преобразованиях соляных пород под воз­ действием газонасыщенных водных растворов при росте их минерализа­ ции в свободную фазу из раствора будет переходить в первую очередь азот, и в свободном газе его доля будет максимальной. Этот факт под­ тверждается и экспериментальными данными по определению состава свободных газов в очагах ГДЯ.