Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород
..pdfВ соответствии с функциональной системой галогенного метасома тоза, включающего забойную, обменную и конденсационную зоны, ис следуем механизм образования очагов ГДЯ в породах III калийного го ризонта. Образование выбросоопасных геологических нарушений — мульд, вероятнее всего, происходило при концентрическом или радиаль но-концентрическом развитии процесса метасоматоза (рис. 4.19, I, II). В этом случае забойная зона в породах формировалась вокруг проводни ка водного раствора, представленного трубообразным каналом (концен трическое развитие метасоматоза) или областью пересечения (сопряже ния) трещин. На первом этапе забойная зона формировалась вокруг крупного проводника, обладающего наиболее реакционными в данных условиях стенками. Вокруг такого проводника развивался первый слой забойной зоны, а сам проводник становился обменной зоной и местом формирования первого слоя конденсационной зоны. Затем обменная зо на смещалась из центра вслед за забойной зоной. По мере функциониро вания трехзонной системы метасоматоза в зоне конденсации происходи ла закупорка исходного проводника и она становилась замкнутой и зату хающей. При радиально-концентрическом развитии система могла еще некоторое время функционировать при связи обменной зоны проточ но-отточным массообменом с внешним омывающим потоком раствора по поперечным «проходам» через кольцо забойной зоны. Однако в ко нечном счете и радиально-концентрическая система становилась замк нутой и затухающей. При образовании мульд вблизи питающих провод ников вследствие высокой разницы концентраций основных компонен тов в водных растворах и породах преобладала работа забойной зоны.
Здесь преобразования протекали наиболее интенсивно, с полным изме нением химического и минералогического состава пород и их структур но-текстурных признаков. Вблизи питающих проводников породы III го ризонта подвергались максимальной деструкции. На этих участках мульд наблюдаются брекчированные зоны, представленные преимуще ственно глинистыми породами без видимой слоистости и обломками со ляных пород различных размеров. В отдельных случаях прослеживались питающие каналы, выполненные рыхлым, брекчированным глинистым материалом. Повышенная пустотность центральной части мульды, обра зовавшаяся при выщелачивании соляных пород, позволяла обрушаться сюда части пород глинисто-карналлитовой пачки, обломки и остатки ко торых формировали зону брекчированных, перемятых и перемешанных пород. К центральным частям мульд приурочены собственно и очаги
внезапных выбросов соли и газа. В процессе образования пустот вблизи питающего проводника происходила и дегазация газонасыщенных вод ных растворов. Механизм выделения газов из водных растворов включал две стадии. На первой стадии происходило выделение газов за счет сни жения пластового давления растворов, так как они мигрировали из под стилающей толщи по областям транзита в области с меньшим пластовым давлением. Пластовое давление снижалось и при образовании пустот выщелачивания в породах III горизонта. Возникающая разность давле ний между областью питания и областью поглощения приводила к нару шению равновесия в системе газ — водный раствор и частичной дегаза ции раствора. Количественная оценка этой стадии дегазации водных рас творов показала, что суммарный объем выделившейся из водного раствора газовой смеси азот — метан при разности пластового давления в областях питания и поглощения 25,0 МПа и температуре 62 °С может достигать величины 1 м3 газа на 1 м3 водного раствора. Такая величина разности пластовых давлений вполне могла иметь место в геологиче ском прошлом при восходящей миграции водных растворов и импульс ных тектонических движениях. На второй стадии дегазации водных рас творов происходило «высаливание» газов из водного раствора за счет роста его минерализации. Преобладание на первом этапе образования мульд в функциональной системе метасоматоза работы забойной зоны приводило к выщелачиванию пород III горизонта и росту минерализации раствора. При выщелачивании минерализация водного раствора непре рывно возрастала, что приводило к вытеснению газов из раствора. Расче ты показали, что суммарный объем выделившейся газовой смеси азот — метан при росте минерализации до предела насыщения составляет 80 % от содержащихся в водном растворе газов. В общем случае суммарный объем газов, выделившихся из водного раствора за счет падения пласто вого давления и «высаливания», может достигать величины 1,7 м3 газа на 1 м3 водного раствора. Здесь весьма уместно будет напомнить, что, по данным ряда исследований, газоносность пород в мульдах составляет 1,3 м3 газа на 1 м3 породы. Процесс расслоения газонасыщенного водно го раствора на газообразную и жидкую фазы имел ряд последствий. Газ, выделившийся в свободную фазу, заполнял различного рода полости и пустоты выщелачивания и занимал верхнее положение в центральной части мульды. Это приводило к тому, что в рабочей системе метасомато за газ оказывал блокирующее действие, как бы «предохраняя» породы кровли от выщелачивания и замещения на участках, где он их пропиты
вал. Аккумуляция газа в центральных частях мульд предопределена функциональной системой метасоматоза с преобладающей работой за бойной зоны, которая на этом участке характеризуется барической гете рогенностью, связанной с процессами ее развития. Здесь возникают, меняются и исчезают внутренние градиенты давления, ведущие к ло кальным конвективным перераспределениям водных растворов и фор мированию локальных зон отжатая и всасывания, связанных с самим метасоматическим процессом. В центральных частях мульд могло быть и несколько питающих проводников, поэтому аккумуляция газов могла происходить в различных подзонах. Это приводило к формированию в пределах центральных частей мульд нескольких газонасыщенных оча гов. Этот факт подтверждается результатами вскрытая мульд горными выработками. Так, при пересечении лавой № 3 (верх) на 3-й южной пане ли рудника 2 РУ в январе-феврале 1987 г. центральной части мульды произошло шесть искусственно инициированных выбросов соли и газа интенсивностью соответственно 40, 160, 240, 6 и 300 т. В июне 1987 г. при пересечении лавой № 7 (верх) на 4-й южной панели рудника 2 РУ центральной части мульды произошло пять искусственно инициирован ных выбросов соли и газа интенсивностью соответственно 8,500,200,20 и 15 т. На 5-й южной панели рудника 2 РУ в июне 1995 г. при пересече нии лавой № 11 (верх) центральной части мульды произошло шесть ис кусственно инициированных выбросов соли и газа интенсивностью со ответственно 32,240,170,40 и 65 т. Приуроченность к центральным час тям мульд сразу нескольких очагов выбросов соли и газа отмечалась и на руднике 1 РУ.
Функциональная система метасоматоза распространялась от питаю щих проводников в стороны по латерали. Проводниками латеральной миграции водных растворов служили слои, прослойки галопелитов, про низывающие все породы III калийного горизонта, а также микротрещи ны и межзерновые границы. Наличие в породах указанных проводников изначально предопределяло принципиальную возможность взаимодей ствия агрессивных водных растворов с любым объемом соляных пород. Миграция водных растворов по латерали от центральной части в глубь пород определялась главным образом стремлением системы к выравни ванию химических потенциалов первичной объемной твердой фазы и ра бочей граничной фазы, т. е. к понижению поверхностной энергии смачи ваемых пород. Латеральная миграция водных растворов по системам проводников приводила к промачиванию относительно сухих соляных
пород. Перемещение водных растворов осуществлялось по капиллярам в виде тонких пленок, растекавшихся по внутренним поверхностям по род и по наиболее проницаемым слоям. Движущей силой капиллярного всасывания является, как известно, лапласовское давление, обусловлен ное кривизной поверхности жидкости в капиллярах. Пленочные течения связаны с градиентами поверхностной энергии и явлениями смачивания. Недонасыщенность водных растворов по основным химическим компо нентам сильвинитов, карналлитов и каменной соли вызывала очень вы сокую степень их смачиваемости. Следует отметить, что поскольку раз меры вторичного увлажнения пород зависят от количества поступивших растворов, а сами эти зоны не в состоянии сокращаться в силу удержания влаги намокания, то увлажненные участки — собственно мульды, отра жают в своих размерах стадии максимального промокания пород III го ризонта. По мере латерального продвижения граничной фазы концентра ция водного раствора по основным породообразующим компонентам — КС1, MgCl2 и NaCl — постепенно возрастала. Поэтому во внешних уча стках зон промачивания функциональная система метасоматоза работа ла в условиях, близких к равновесным. На смену процессам выщелачива ния приходит замещение пород. Здесь уже начинает работать модель системы, в пределах которой происходит превращение или переход «твердое в твердое». На это указывает, в частности, присутствие во внешних частях области измененных пород псевдосильвинитов, кото рые унаследовали все структурно-текстурные признаки сильвинитов, хотя сильвин полностью замещен красным галитом. При этом первич- но-седиментационный галит сохранился в первозданном виде [170]. Об разование таких псевдосильвинитов было возможно только при близких значениях потенциалов и концентраций в растворах и породах всех ком понентов за исключением иона калия. При реакциях обмена развивались тепловые градиенты во внутренних и внешних участках зон промачива ния, которые вызывали течения растворов в пристеночных слоях капил ляров в направлении, обратном вектору движения растворов (эффект те плового скольжения). Этот процесс приводил к выносу отдельных ком понентов из сильвинитов, каменной соли и галопелитов с последующей их фиксацией в виде относительно крупных кристаллических образова ний в проводниках растворов. Геохимическая эволюция растворов на пу ти их латерального продвижения в породах III калийного горизонта пре допределяла смену деструктивных процессов на конструктивные. Про цессы выщелачивания сменялись процессами образования новой
твердой фазы на месте старой. При этом в системе метасоматоза прева лирующая роль работы забойной зоны сменялась преобладанием работы конденсационной зоны. Во внешних частях мульды образующиеся мик рополости сразу же частично или полностью заполнялись новым твер дым веществом. Сложное сочетание в системе галогенного метасоматоза работы забойной, обменной и конденсационной зон привело к появле нию в мульдах своеобразной зональности: I — ядро структуры (брекчированные породы, глины, крупнокристаллическая каменная соль); II — участки, сложенные преимущественно псевдосильвинитами с полным отсутствием сильвина и частично растворенным галитом; III — участки, образованные псевдосильвинитами с замещением сильвина красным га литом и первично-седиментационным галитом; IV — породы с нормаль- но-седиментационным сильвинитом. В последующем теологическом времени область мульды подвергалась «метасоматической контракции» под действием литостатического давления и принимала видимую ворон кообразную форму. Процесс «метасоматической контракции» сопрово ждался изменением поля напряжений в области мульды, а также образо ванием систем концентрических и радиальных трещин вокруг и внутри мульды. Следует отметить, что образование мульд в породах III калий ного горизонта было возможно при выполнении условия вертикальной «экранированное™» функциональной системы метасоматоза. Эффект «экранированное™» обеспечивался «затуханием» проводника на уровне III горизонта, наличием в кровле слабопроницаемых соляных пород, преломлением и расщеплением проводников на литологических разно стях пород. Если же эффект «экранированное™» не соблюдался, то на уровне III горизонта мульды не образовывались, а водные растворы по зоне транзита мигрировали в вышележащую толщу пород. Участие вод ных растворов в образовании мульд и вертикальная «экранированность» системы метасоматоза подтверждается фактами выделения насыщенных водных растворов из мульд при их пересечении горными выработками (рис. 4.20).
Физико-геологический механизм образования очагов выбросов соли и газа позволяет дать ответ и на вопрос о выбросоопасноста мульд.
Выбросоопасными являются только те мульды, при образовании ко торых выполнялись следующие условия: зона разгрузки (поглощения) гидродинамической системы располагалась в породах III калийного го ризонта, водные растворы были газонасыщенными, функциональная система галогенного метасоматоза была «экранированной». Невыполне
заполненной газонасыщенным водным раствором, вначале могли одно временно работать забойная, обменная и конденсационная зоны. Однако в случае «экранированности» и замкнутости трещинного пространства происходило быстрое насыщение водного раствора по NaCl, КС1 и MgCl2 и в функциональной системе метасоматоза начинала преобла дать работа конденсационной зоны, что влекло за собой заполнение тре щины продуктами конденсации. Заполнение трещины происходило по средством кристаллизации соляных минералов из водного раствора. Вы деление газа из водного раствора в свободную фазу происходило за счет падения пластового давления и роста минерализации раствора. Газ, вы делившийся в свободную фазу в ограниченном трещинном пространст ве, блокировал рабочую поверхность трещины и заполнял поры и микро трещины на границе с вмещающими породами. Однако не исключено, что свободный газ занимал среднее пространство между стенками тре щины, пропитывая массу в конденсационной зоне. Здесь могли быть и другие нюансы, которые не имеют принципиального значения. Напри мер, конденсационная зона, а затем и метасоматит могли образовываться на стенках трещины по восстанию и падению, а свободный газ мог лока лизоваться в центральной части трещины. Это могло происходить в том случае, если связь между забойной и конденсационной зонами через об менную зону была не поперечной, а продольной (см. рис. 4.19, IV).
Вэтом случае исходная трещина с водным раствором превращалась
вобменную зону. В одном месте она могла несколько расширяться за счет работы забойной зоны, а в другом сужаться за счет развития в ней конденсационной зоны, отлагающей материал на стенках трещины. Про дольный переход от забойной зоны к конденсационной зоне мог преры ваться участком, где обменная зона превращалась в транзитную. Если разрыв был значительным, единство системы метасоматоза терялось и продольная трехзонная система метасоматоза в области отложения ве щества переходила в систему собственно интерсоматоза — заполнения трещины. В любом случае, по мере воздействия литостатического давле ния газ в трещинном коллекторе сжимается, накапливая потенциальную энергию. Не исключено, что давление газа могло возрастать под дейст вием растущих кристаллов соляных пород, а также под действием текто нического давления.
Модель механизма образования очагов обрушений пород кровли можно представить следующим образом. При восходящем заполнении трещин соляными минералами, кристаллизующимися из водных раство
ров, происходило латеральное нагнетание газа в массив по глинистым и зонам контакта различных пород (см. рис. 4.19, V). В этом случае про исходило формирование своего рода тел вторжения. При этом активным началом являлся газ, выделившийся при дегазации водного раствора. Газ, воздействуя на породы, формировал в них вторичные коллекторные свойства. В очагах обрушений порода состояла из твердого минерально го каркаса и заполняющего различные пустоты газа. Не исключено, что первоначально от трещины происходила латеральная миграция газона сыщенного водного раствора по глинистым прослойкам и зонам контак та пород различного состава, а затем в месте их локализации происходи ло фазовое разделение на газ и водный раствор.
Условия образования очагов отжимов призабойной части пород
иобрушений пород кровли были такими же, как и очагов выбросов соли
игаза в мульдах: зона поглощения гидродинамической системы распо лагалась в породах III горизонта, водные растворы были газонасыщен ными, функциональная система метасоматоза была «экранированной».
Гидродинамические системы в условиях Старобинского месторож дения, как и всякие природные тела, претерпевали эволюционные изме нения. Они возникали, развивались и исчезали. Основными условиями их возникновения являлись: наличие водных растворов, миграционного напряжения и путей миграции. Гидродинамическая система могла ис чезнуть по следующим причинам: прекращение генерации или исчерпа ние источника водных растворов, утрата раствором подвижности, сни жение миграционного напряжения, закрытие областей транзита к поро дам III калийного горизонта, превращение в иную систему, уничтожение раствора [90, с. 139]. Не останавливаясь на механизмах процессов исчез новения гидродинамических систем в условиях месторождения, следует отметить, что очаги ГДЯ в породах III калийного горизонта могли сохра няться весьма длительное геологическое время только при определен ных условиях. В общем случае по прекращении миграции водных рас творов гидродинамическая система распадалась на локальные, более мелкие системы пустот, заполненные свободным газом. Если градиент давления газа в системе пустот, хотя бы в одной ее части, превышал на чальный градиент фильтрации для данного массива пород, то происхо дила фильтрация газа в породы и он безвозвратно рассеивался и массив со временем стремился восстановить свою однородность. В противном случае, когда начальный градиент фильтрации превышал градиент дав
ления газа в системе пустот, то формировалась квазиизолированная сис тема, в которой давление газа препятствовало уплотнению и упрочне нию пород. В мульдах это были очаги выбросов соли и газа, в трещи нах — очаги отжимов призабойной части пород, вблизи трещин (в глинистых прослойках и на контактах различных пород) — очаги об рушений пород кровли. Обобщая изложенный материал, можно сказать, что очаги газодинамических явлений — это следы существовавших в геологическом прошлом гидродинамических систем, содержащих газ. Геологическое время образования очагов газодинамических явлений ус тановить весьма сложно. Однако можно предполагать, что в связи с зату ханием интенсивных тектонических движений к концу девонского пе риода образование очагов ГДЯ также было завершено. Следовательно, возраст очагов газодинамических явлений в условиях Старобинского ме сторождения можно оценить предположительно в 300-350 млн лет.
4.6.Выводы
Входе выполнения исследований по разработке теории физико-гео логического механизма образования очагов газодинамических явлений сформулированы новые научные положения, среди которых необходи мо отметить следующие:
1.Очаги газодинамических явлений в условиях Старобинского ме сторождения образовались на стадии катагенеза в результате функцио нирования гидродинамических систем, водные растворы которых содер жали растворенные газы. Областями питания гидродинамических сис тем служили водоносные горизонты глинисто-карбонатных отложений, расположенные в соленосной толще ниже III калийного горизонта, а так же водоносные горизонты межсолевых, подсолевых, верхнепротерозой ских отложений и кристаллического фундамента. Областями транзита гидродинамических систем служили разрывные тектонические наруше ния, образовавшиеся над стыками блоков кристаллического фундамента
врезультате активизации тектонических движений. Области поглоще ния гидродинамических систем при образовании очагов ГДЯ располага лись в породах III калийного горизонта.
2.Источниками свободного газа при образовании очагов ГДЯ служи ли водные растворы, содержащие газ. Дегазация водных растворов проис ходила в две стадии. На первой стадии происходило выделение газов