Л. А. Трофимов. О тяжелых углеводородах в угольных газах восточной части Донбасса

Изучение тяжелых углеводородов в газах угольных месторождений Донбасса в настоящее время приобретает важное значение с точки зрения установления генезиса и характера миграции газов, а также возможности их участия в формировании газовых залежей в отложениях карбона северных окраин Донбасса.

Кроме того, это имеет и прямое практическое значение для угольной промышленности, поскольку тяжелые углеводороды повышают взрываемость рудничной атмосферы, понижают температуру воспламенения газовой смеси и ускоряют распространение пламени.

Работами, приведенными МакНИИ, трестами Артемгеология, Луганскгеология и другими [3, 7, 9, 10], установлено, что тяжелые углеводородные газы генетически связаны с метаном и имеют широкое распространение в угленосных отложениях Донбасса.

Содержание их и распределение носит неравномерный характер и зависит от влияния различных геологических факторов: степени метаморфизма угольных пластов, геологической структуры, тектоники, генетических типов углей и др.

В восточной части Донбасса систематические определения тяжелых углеводородов в угольных газах проводятся Волго-Донским территориальным геологическим управлением с 1968 г. [4]. При этом вопрос о генезисе их и характере распределения в угленосных отложениях специально не ставился. Они определялись наряду с другими компонентами для характеристики качественного состава газов угольных месторождений. Однако накопившийся к настоящему моменту фактический материал позволяет дать предварительную количественную и качественную оценку тяжелым углеводородам.

В результате анализа и сопоставления полученных данных было установлено, что высшие углеводороды присутствуют в газах угольных пластов различной степени метаморфизма от антрацитов до длиннопламенных, расположенных в зоне метановых газов. Содержания их находятся в прямой зависимости от марочного состава углей.

Наибольшие средние их количества содержатся в углях марки Д - 1,17% (к общему объему газа) и К - 2,2%. Причем в коксовых углях шахты Северо-Изваринской № 1 максимальные значения этана достигают 15,41%, пропана - 11,92% и бутана -3,02% (табл. 1). Углеводородные газы представлены здесь наиболее полной гаммой высших углеводородов от этана до пентана.

С повышением степени метаморфизма (от марок Д до К) относительное выделение тяжелых углеводородов увеличивается от 1,17% (среднее) па Миллеровской Западной площади и достигает максимальных значений 2,2% (среднее) в углях средней степени метаморфизма марки К - на поле шахты Северо-Изваринской № 1.

Таблица 1

По мере дальнейшего повышения степени метаморфизма углей (марки ОС и более) выделение тяжелых углеводородов из угольных пластов уменьшается от 0,34% (марка ОС, шахта Быстрянская) до 0,18% - в антрацитах шахты Углерод (табл. 2).

В более высокометаморфизованных антрацитах (Шахтинско-Несветаевского и Сулинско-Садкинского районов), метаноносность которых очень низкая (до 1 м³/т горючей массы), тяжелые углеводороды практически отсутствуют, и только в единичных пробах отмечено наличие этана, содержание которого составляют сотые доли процента.

Количественное выделение высших углеводородов подчиняется той же закономерности. Достигая максимальных величин 0,23-2,5 м³/т горючей массы в углях марки К, их количество постепенно уменьшается до 0,1-0,45 м³/т горючей массы (ОС) и достигает минимальных величин в антрацитах 0,04-0,1 м³/т горючей массы (участок шахты Углерод).

Степень метаморфизма углей оказывает существенное влияние и на качественный состав тяжелых углеводородов.

В углях марки К они представлены этаном, пропаном, бутаном и пентаном. С повышением степени метаморфизма доля более высших компонентов тяжелых углеводородов уменьшается и уже в газах углей марки Т-ПА они представлены этаном и пропаном, в углях марки А присутствует только этап, редко - пропан, а в высокометаморфизованных антрацитах (суперантрацитах) высшие углеводороды вовсе отсутствуют.

Таблица 2

Характер распределения тяжелых углеводородов по площади и глубине залегания угольных пластов соответствует в основном характеру распределения углеводородных газов в целом.

Установленная зависимость концентраций тяжелых углеводородов в угольных газах от степени метаморфизма углей подтверждается исследованиями Б. М. Зимакова [5, 6] в Печорском бассейне, Б. М. Косенко, М. Л. Левенштейна [8], Б. М. Косенко и других [9], Г. Э. Задара [3], Р. М. Кривицкой [10] в Донбассе, С. Н. Недвиги, А. И. Боброва [11] в Львовско-Волынском бассейне.

Ввиду широкого распространения тяжелых углеводоров в угленосных отложениях Донбасса значительный интерес представляет их генезис, выяснение которого имеет важное теоретическое и практическое значение. Проблеме происхождения тяжелых углеводородов в угленосных отложениях посвящены работы многих исследователей. Этим в некоторой степени обусловлено многообразие точек зрения об их происхождении и распределении в угленосной толще.

Большинство исследователей высказывают предположение, что высшие углеводороды, так же, как и метан, являются продуктами метаморфизма углистого вещества.

Отдельные исследователи рассматривают наличие тяжелых углеводородов в угольных газах как результат локального попадания нефтематеринского вещества в процессе угле-накоплении, другие же объясняют миграцией газов с нижележащих пород.

В пользу сингенетичного с углями происхождения углеводородных газов угольных пластов свидетельствует их широкое распространение не только в угольных месторождениях Донецкого бассейна, но и во многих других угольных бассейнах СССР и зарубежных стран, а также установленная зависимость их содержания от степени метаморфизма углей. Кроме того, многими исследователями [7, 3, 5] установлено, что основные концентрации тяжелых углеводородов приурочены к газам практически несообщающихся ультрапор угля, сечение которых соизмеримо с размерами молекул гомологов метана, и поэтому они обладают способностью задерживать их в себе. По этой причине содержание тяжелых углеводородов в ультрапоровых газах бывает больше, чем в свободных газах углей. Как сами ультрапоры, так и сорбированные в них газы образовались в процессе метаморфизма [5].

Если же допустить, что тяжелые углеводороды в газах угольных пластов были результатом их миграции с глубины по тектоническим трещинам, то тогда бы они концентрировались в больших количествах в угольных пластах непосредственно вблизи нарушений и резко уменьшались бы при удалении от них. Однако анализом фактического материала в Восточном Донбассе и исследованиями Б. М. Зимакова [5] в Печорском бассейне и Г. Э. Задара [3] в Центральном Донбассе установлено, что вблизи разрывных газопроницаемых нарушений наблюдается резкое уменьшение содержания тяжелых углеводородов в угольных газах по сравнению с ненарушенными участками. Углеводородные газы в пределах этих нарушенных зон являются более сухими, т. е. представлены только этаном и редко присутствует пропан.

В тех случаях, когда разрывные нарушения являются газонепроницаемыми, тяжелые углеводородные газы, выделяющиеся из угольных пластов в зоне нарушения, не отличаются по составу от газов, выделяющихся в ненарушенной части участка.

Таким образом, проведенные работы многих исследователей подтверждают, что тяжелые углеводороды в угольных газах являются продуктом метаморфизма угольного вещества. В последние годы рядом исследователей высказывается мнение об участии газов угленосной толщи карбона в формировании газовых месторождений (Шебелинского, Спиваков-ского и др.) северных окраин Донбасса. Так, Б. М. Косенко, М. Л. Левенштейн и другие [8, 9], сравнивая изотопный и химический составы газов угольных месторождений и Шебелинского месторождения газа, пришли к выводу, что между ними существенных отличий нет и что происхождение газовой залежи связано с процессами метаморфизма гомогенной и рассеянной растительной органики угленосной толщи карбона. Последнюю они рекомендуют рассматривать как газоматеринскую формацию.

Формирование газовых месторождений за счет аккумуляции газов, образовавшихся в результате метаморфизма растительного вещества, не является исключением.

Так, В. Г. Васильев, В. И. Ермаков и другие [1, 2], изучив, изотопный и химический составы газов месторождений северных районов Западно-Сибирской низменности, установили, что они близки к соотношениям изотопов углерода газов болот] и торфяников; для которых значения δ углерода изменяются от 5,2 до 6,2%(болотные газы Европейской части СССР), т. е. природные газы указанных месторождений могут быть причислены к типу газов, образовавшихся в ранние стадии угле-фикации растительной органики. Основные запасы газа этих месторождений приурочены к угленосным континентальным и прибрежно-морским образованиям сеномана. Стадия метаморфизма угольного вещества буроугольная - начальная длиннопламенная. Основным компонентом газов является метан 97,1-98,9%. Тяжелые углеводороды составляют 0,1-0,2%. В их составе преобладает этан, а содержания пропана и бутана не превышают сотые и тысячные доли процента. Содержание тяжелого изотопа δС¹³ изменяется от -5,83 до -6,47%, что указывает на то, что углерод рассматриваемых газов значительно легче углерода большинства газовых месторождений СССР и зарубежных стран (δС¹³ от -3 до -4,5 и редко -5%).

Таким образом, на основании результатов исследования изотопов углерода, данных палеографического анализа и изучения фактической угленосности можно заключить, что главным источником газа была угольная органика.

Сопоставляя результаты химического состава углеводородных газов угольных месторождений и газовых - Кружиловского и Астаховского, расположенных на севере восточной части Донбасса (см. табл. 1), можно отметить, что существенных отличий в содержании отдельных компонентов нет. Это дает основание также предполагать, что газовые месторождения (Кружиловское, Астаховское и др.) сформированы за счет аккумуляции газов, образовавшихся при низких стадиях метаморфизма угольного вещества отложений карбона северных районов Донбасса. Однако для окончательного решения вопроса о генезисе указанных месторождений необходимы более детальные исследования.

Литература

1. В. Г. Васильев [и др.]. О происхождении природного газа месторождений севера Западно-Сибирской 'низменности. «Геология нефти и газа», 1970, № 4.

2. В. И. Ермаков [и др.]. Изотопный состав углерода природных газов севера Западно-Сибирской низменности в связи с вопросом их генезиса. ДАН СССР, т. 190, 1970, № 3.

3. Г. Э. Задара. Отчет по теме «Изучение примесей тяжелых углеводородов в газах разведываемых угольных месторождений и пути их возможной миграции в шахты». Фонды треста Луганокгеология, 1968.

4. М. И. Зильберштейн, Ю. А. Терещенко, Л. А. Трофимов. Отчет по теме «Изучение природной метаносности угольных пластов в восточных промышленных районах Донбасса». Фонды ВДТГУ, 1969.

5. Б. М. 3имаков. Газоносность угольных месторождений Печорского бассейна. Автореф. канд. дисс. М., 1966.

6. Б. М. Зимахов, Ю. В. Степанов. О нефтепроявлениях в угольной толще и перспективах нефтеносности Воркутского района. Изв. вузов, геология и разведка, Л965, № 7.

7. В. П. Козлов. О тяжелых углеводородах в газах углей Донбасса. «Геология нефти и газа», 1960, № 6.

8. Б. М. Косеико, М. Л. Левенштейн. О возможности образования промышленных месторждений за счет метаморфогенных газов угленосных толщ (на примере Восточно-Украйнского газонефтеносного бассейна). В сб.: «Материалы по геологии Донецкого бассейна». М., «Недра», 1968.

9. Б. М. Косенко [и др.]. О тяжелых углеводородах в угольных газах в юго-западной части Донбасса в связи с генезисом Шебелинского месторождения. «Геология нефти и газа», 1965, № 3.

10. Р. М. Кривицкая. Методика извлечения высших углеводородов из углей в лабораторных условиях. Фонды МакНИИ, 1969.

11. С. Н. Недвига, А. И. Бобров. Природа суфлярных выделений на шахтах Львовско-Волынского бассейна. В сб.: «Борьба с, газом и пылью в угольных шахтах». Киев, «Техника», 1967, стр. 9-20.