Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 25-28

В Волго-Уральском нефтегазоносном бассейне на разных глубинах установлены угольные залежи. Территория их распространения выделяется как Камский угольный бассейн, изучен он слабо и неравномерно. Максимум угленосности зафиксирован в визейских отложениях карбона (С₁); они одновременно являются и нефтегазоносными. Одной из основных структурных форм, к которым приурочены визейские угольные залежи, являются эрозионно-карстовые погребенные палеоврезы в турнейских известняках (рис. 1). Картирование таких врезов связано с определенными трудностями, их фиксация носит фрагментарный характер, уверенно выделяются палеоврезы лишь глубиной 20 м и более; пониженная крепость делает визейские угли уязвимыми при бурении и сказывается на информативности последнего [1]. Однако отложения, заполняющие врезы, считаются резервом восполнения запасов нефти, а визейские угли – альтернативным источником углеводородного сырья в регионе [2, 3]. Это делает необходимым изучение угленосности палеоврезов.

Рис. 1.

Палеоврезы как вместилища угольных залежей (Ульяновское месторождение) [1]. 1 – аргиллит, 2 – алевролит, 3 – известняк, 4 – песчаник, 5 – углистый аргиллит, 6 – уголь.

Палеоврезы – вместилища аллювиально-дельтовых песчано-глинистых отложений, нередко с прослоями углей и углистых сланцев, иногда с продуктами обрушения и оползания сводов и стенок карстовых полостей¹¹. Глубина залегания врезов – 900–1400 м и более, амплитуда денудации до 60 м (иногда до 100 м). Мощность угольных пластов изменчива, на угольно-нефтяном месторождении Арлан она составляет 5.0–32.4 м на глубинах 1291–1398 м, а на Ульяновской нефтеносной площади вскрыты пласты угля мощностью 7.1–28.9 м. Угли гумусовые, часто с заметной долей липтобиолитовых компонентов; в углях нередки породные прослои; марка углей – Д. Отмечены сильная загазованность и обводненность угленосной толщи [1].

Относительно оценки нефтегазоматеринских возможностей раннего карбона существуют разные мнения. Так, ряд исследователей [4] считают самостоятельными процессы нефтегазогенерации в этих отложениях, в частности, на основании определенного сходства фракций из битумов пород, угля и нефти. К тому же угольное ОВ является значимым флюидогенерирующим компонентом осадочного чехла. Это делает изучение угленосных отложений врезов важным в разных аспектах, в том числе геофлюидодинамическом.

Генерация и отторжение флюидов (Н₂О, СО₂, Н₂S, NH₃, Н₂, СН₄, а также другие углеводороды) сопутствуют практически всем стадиями углефикации – образованию и существованию угольного ОВ, начиная с накопления торфа и его превращения в бурый, затем каменный уголь [5]. Скопление газов в недрах торфяника иногда сопровождается взрывной дегазацией, выбросом жидкого торфа и даже самовоспламенением газов. Дефлюидизация, самонагревание (и подземное горение) торфяников, последующее появление битумов, высокотемпературных соединений во многом предопределяют неоднородность состава будущих углей.

На ранних этапах катагенеза доминирующим продуктом углефикационного флюидообразования считается метан (а вместе с ним этан, пропан, углекислота, иногда жидкие углеводороды и др.). Формируются метанугольные коллекторы, специфику которых определяют особенности нахождения в них газов (свободных, сорбированных, водорастворенных) и условия их высвобождения. Для исследований по извлечению газов из таких коллекторов практический интерес представляют и угли дельтово-аллювиального генезиса [6]. Что касается Камского бассейна, то здесь рассматривались перспективы извлечения метана и других углеводородов из визейских углей с применением подземной газификации [1, 3].

В угленосных толщах возможно формирование еще одного типа коллекторов. Они образуются в очагах экзотермического самонагревания углей, где температуры могут достигать величин, достаточных для пиролиза ОВ и даже плавления минеральных компонентов. Уничтожение (полное или частичное) высокими температурами больших масс твердого ОВ в термоградиентных тепловых полях приводит к высвобождению значительного пустотного пространства; его неполное сохранение возможно длительное время [7]. Пирометаморфические коллекторы былых эпох рассматривались нами на примере Канско-Ачинского угольного бассейна [8]; по данным разработки здесь горелые породы гидравлически связаны с угольными горизонтами и имеют высокий коэффициент фильтрации.

С генерацией и отделением флюидов масса твердого угольного ОВ уменьшается, сокращается и мощность угольных пластов. Усадка углей от торфяной стадии до каменноугольной оценивается в 1.5–2.0 раза и более [9]. Изменчивость мощности и состава угольной массы (зольность, наличие породных прослоев и т.д.) делает усадку угольных пластов и проседание перекрывающих отложений неравномерными; породные прослои деформируются (вплоть до потери целостности). В угольных пластах развиваются трещины кливажа.

Сокращение мощности пластов в результате уменьшения содержания ОВ рассматривалось и ранее, в том числе и нами на примере горючих сланцев, утративших свое ОВ в условиях подземного карста [10, 11]. В палеоврезах Камского бассейна о катагенной усадке визейских углей свидетельствует наличие трещин. По плоскостям наслоения развиты горизонтальные трещины, они образуют широко распространенную пластинчатую отдельность. Вертикальные трещины обычно выполнены кальцитом (реже галитом, сульфидами); фиксируются косорасположенные к наслоению зеркала скольжения с гладкой блестящей поверхностью [1]. Частичная защита пластов во врезах от сжимающих напряжений благоприятствует более заметному проявлению катагенной трещиноватости (по сравнению с тектонической), раскрытию вертикальных трещин, а возможно, и частичной их сохранности от последующего смыкания [2]. Подчеркнем, что катагенную усадку претерпевают все визейские угленосные отложения района – площадные и во врезах. Однако в последних они более заметны и контрастны из-за их прерывисто-дискретного (мозаичного) характера распространения.

Катагенная трещиноватость угольных пластов внесла определенный вклад в вертикальную и латеральную миграцию флюидов в пределах палеоврезов, ослабляя гидродинамическую обособленность пластов, повышая возможность межпластового массопереноса. Геолого-промысловые и палинологические данные свидетельствуют о преимущественно восходящих перетоках [2], а также и о возможности нисходящей миграции флюидов [12].

Для рассматриваемых углей характерны значительные колебания зольности. Так, например, на Ульяновском угольно-нефтяном месторождении она изменяется от 14.7 до 53.4%, а на Ташлияре-1 – от 7.32 до 41.49% [1]. Такая разница в содержании минеральных частиц (являющихся центрами локальных механических напряжений [13]) делает визейские пласты разнопрочными, неоднородными по трещиноватости и соответственно по фильтрационным свойствам.

Визейские палеоврезы в Камском бассейне – арена разновременных и разнонаправленных процессов; например, наряду с образованием трещин местами происходило их последующее залечивание эпигенетическими минералами. Так, в пределах Ивинской площади по всему разрезу угольной залежи (мощность 6.6 м) отмечается галит, в кровельной части он образует соляную корку. Угольный пласт в данном случае выступает в качестве экранирующего горизонта [14].

Такие изменения трещинной проницаемости вызывают очаговую дестабилизацию гидродинамического режима, в том числе переформирование структуры и элементов фильтрационного потока (изменение направления и скорости фильтрации флюидов, перераспределение пластовых давлений и др.).

Повышению флюидопроводимости в палеоврезах способствовали децементация песчаников и образование суперколлекторов [2]. По нашему мнению, они обязаны своим появлением продуктам трансформации угольного ОВ: органическим кислотам, СО₂, Н₂S, NH₃ и др., которые, как известно, повышают агрессивность среды, усиливают коррозию некоторых минеральных компонентов, формируют подугленосные зоны кислотного выщелачивания, инициируют процессы подземного карста [15]. В нашем случае роль децементации песчаников неоднозначна: наряду с улучшением коллекторских свойств в отдельных случаях она проявляется неустойчивостью стенок скважин и уменьшением дебитов при эксплуатации [2].

Таким образом, дискретное распространение палеоврезов, в том числе угленосных, влияет на характер циркуляции пластовых вод в визейских отложениях Волго-Уральского нефтегазоносного бассейна. Агрессивное воздействие продуктов дефлюидизации торфяного и угольного ОВ на вмещающие породы, катагенное сокращение мощности (обычно неравномерное) угольных пластов и углистых аргиллитов, а также геохимические, геомеханические особенности самих угольных масс усиливают геофлюидодинамическую неоднородность внутриврезовых отложений.