К оглавлению

УДК 622.411.33(477.6)

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАНОВЫХ ГАЗОВ ДОНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА И ДНЕПРОВСКО-ДОНЕЦКОЙ ВПАДИНЫ

М. Е. Петриковская, А. К. Иванов

Вопросам газоносности Донбасса и Днепровско-Донецкой впадины, закономерностей изменения химического состава газов, формирования их скоплений посвящена обширная литература [2-14 и др.]. При этом большинство исследователей отмечает, что углеводородные газы угольных шахт и газовых месторождений значительно отличаются по химическому составу. В угольных газах содержится значительно меньше тяжелых углеводородов, чем в газах газовых месторождений. В них меньше метана и в то же время больше азота и углекислоты [3, 4, 6, 8-11, 12, 13 и др.]. Эти отличия хорошо видны при сопоставлении средних химических составов газов. Однако отдельные пробы различных газов иногда не отличаются существенно по химическому составу [7].

Большую помощь в таких случаях могут оказать исследования стабильного изотопного состава элементов, входящих в строение молекулы метана (С и Н). Изучение изотопного состава природных метановых газов имеет, таким образом, не только значительное теоретическое, но и, главным образом, практическое значение, поскольку такого рода работы дают возможность получить ценные сведения о природе углеводородных газов, условиях их накопления, генетических связях с нефтяными и газовыми массами органического вещества, соотношениях между изотопным и химическим составами различных газов и др.

При решении ряда вопросов большое значение имеет своевременное распознавание природы и происхождения того или иного метанового газа. Весьма существенным показателем, характеризующим природу метана, является стабильный изотопный состав элементов, входящих в молекулу метанового газа (С и Н) [2 и др.], так как углеводородные газы различного происхождения имеют различные соотношения содержания стабильных изотопов водорода и углерода. Систематические исследования изотопного состава природных газов и других каустобиолитов проводятся в Институте геологии и геохимии горючих ископаемых АН УССР.

В статье приводятся новые результаты исследования изотопного и химического составов индивидуальных проб метановых газов Донецкого каменноугольного бассейна и Днепровско-Донецкой впадины по 36 пробам природных газов, 15 из которых отобраны в угольных шахтах и разведочных скважинах различных районов Донецкого бассейна и 21 - на газовых месторождениях и разведочных площадях Днепровско-Донецкой впадины. С целью исследования химико-генетических соотношений между изотопным и химическим составами газов параллельно отбирались пробы для химических анализов.

Отбор и количественное превращение метановых газов в «воды сжигания», а также ВаСО3 производились при помощи специальной лабораторно-полевой установки, смонтированной на автомашине ГАЗ-51, в полевых условиях. Пробы газов в угольных шахтах отбирались в стеклянные 20-литровые баллоны, предварительно очищенные и заполненные водой. Газ поступал из дегазационных скважин или суфляров, вытеснял воду и заполнял баллоны, которые затем плотно закрывались и доставлялись на поверхность, где после соответствующей очистки газ сжигался в токе кислорода в специальной горелке. В стеклянных запаянных ампулах «воды сжигания» и ВаСO3 передавались в лабораторию.

Исследования соотношения стабильных изотопов водорода (Н/D) в газах проводились денситометрическим методом с точностью 0,3-0,5γ. Концентрация дейтерия выражена в γ (10-6 единиц плотности).

Определение изотопного состава углерода производилось на масс-спектрометре типа МИ-1305 относительным компенсационным методом с точностью ±0,05%. Концентрация изотопа углерода С13 выражена в δ% по отношению к стандарту «московский известняк», для которого С1213 составляет 88,89.

Присутствие гомологов метана в метановом газе существенно не влияет на стабильный изотопный состав его водорода и углерода [12]. Проведенными нами исследованиями установлено, что с увеличением в газе содержания метана намечается лишь незначительное уменьшение количества дейтерия в водороде газов и несущественное увеличение содержания тяжелого изотопа углерода. Как указывается в работе [1], «...изотопный состав природных газов обусловлен присутствием метана».

Исследованные нами газы Донецкого угольного бассейна и газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины значительно отличаются по химическому составу (см. таблицу). Так, если содержание метана в угольных газах в среднем равно 84,6%, то в газах из газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины оно составляет 89,0%, количество азота в среднем соответственно равно 10,0 и 3,0%, углекислоты 0,70 и 0,40%. В большей степени отличаются данные газы по содержанию в них гомологов метана. Только в четырех пробах угольного газа отмечено присутствие этана от 0,16 до 0,57%. Пропан обнаружен лишь в двух пробах в ничтожных количествах (0,06-0,07%). Более тяжелые гомологи метана в угольных газах не встречены. Все пробы газов из газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины содержат тяжелые углеводороды в значительных количествах: этана от 1,23 до 9,06% (в среднем 4,47%), пропана от 0,30 до 5,31% (в среднем 1,31%), бутана до 1,10% (в среднем 0,33%), пентана до 0,24% (в среднем 0,07%). Среднее количество гомологов метана в исследованных газах газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины составляет более 6%, тогда как средняя величина их в угольных газах по 4 пробам, в которых они обнаружены, не достигает 0,5%, т. е. меньше, чем в газах газовых месторождений, в 12 раз.

Содержание дейтерия в исследованных угольных газах Донбасса изменяется в пределах от 3,5 до 7,8γ и в среднем составляет 5,9γ. Газы газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины характеризуются гораздо большим количеством тяжелого изотопа водорода - в среднем 8,4γ. Еще большими отличиями характеризуются различные газы по содержанию в них изотопа С13. Так, в исследованных угольных газах величина δС13 варьирует в пределах от -5,3 до -7,6, составляя в среднем -6,2. В газах же газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины эта величина лишь в единственной пробе достигает -4,9 и в среднем равна -2,9, т. е. в угольных газах значительно меньше тяжелых изотопов водорода и углерода, чем в исследованных газах газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины. На графике (см. рисунок) зависимости между величинами γ и δ в исследованных угольных газах Донбасса и газах газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины довольно отчетливо прослеживается дифференциация различных по своей природе газов. Прежде всего следует отметить, что точки, характеризующие газы газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины, располагаются только в верхней правой части графика, а газы угольные - в левой нижней. Промежуточное положение по содержанию тяжелого изотопа углерода, как видно из графика, занимают болотные метановые газы. Количество же дейтерия в них наименьшее. Газы газовых месторождений Днепровско- Донецкой впадины отличаются довольно широким изменением содержания в них С13 и гораздо меньшим диапазоном изменения количества дейтерия. Угольные же газы характеризуются незначительными вариациями тяжелого изотопа углерода и весьма большими отличиями по содержанию в них дейтерия. По изотопному составу различаются таким же образом газы и других газоносных бассейнов, например газовых месторождений Внешней зоны Предкарпатского передового прогиба и Львовско-Волынского каменноугольного бассейна (см. рисунок).

При длительном нахождении природных газов различного генезиса в земной коре последние могли мигрировать, в результате чего образовались газы смешанного химического и изотопного составов. Вполне вероятно, что некоторые пробы газов, о которых речь шла выше, имеют именно такой характер.

Однако, как следует из изложенного выше, в изотопном составе газов газовых месторождений и угольных бассейнов имеются существенные различия по химическому составу и по соотношению стабильных изотопов водорода и углерода.

В заключение следует отметить, что на основании данных о химическом составе газов, различных геологических критериев и других одни исследователи [14 и др.] приходят к выводу о вековой миграции углеводородных газов в пределы Донбасса из Днепровско-Донецкой впадины, другие [7 и др.] считают, что перемещение газов происходило со стороны Донбасса в область Днепровско-Донецкой впадины. Существенную помощь в решении этой важнейшей в практическом отношении и сложной проблемы наряду с данными о химическом составе газов и другими могут также оказать и результаты исследования стабильного изотопного состава природных газов различного происхождения. Естественно, что обоснованные выводы по этому вопросу могут быть сделаны лишь на базе большого аналитического материала.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Галимов Э.М. Изотопный состав углерода газов земной коры. Изв. АН СССР, № 5, 1968.

2.     Гринберг И.В., Петриковская М.Е. Исследование изотопного состава горючих ископаемых. Киев, изд-во «Наукова Думка», 1965.

3.     Джамалова X.Ф., Лапчинский Ю.Г. Особенности изменения состава природных газов по разрезу осадочных отложений в Восточно-Украинском газонефтеносном бассейне. Сб. «Вопросы развития газовой промышленности Украинской ССР». II, геология, М., изд-во «Недра», 1964.

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

5.     Козлов В.П., Токарев Л.В. Масштабы газообразования в осадочных толщах (на примере Донецкого бассейна). «Советская геология», 1961, № 7.

6.     Козлов В.П. Геология и генезис Шебелинского месторождения газа. М., Гостоптехиздат, 1962.

7.     Косенко Б.М., Левенштейн М.Л., Буцик Ю.В., Яновская Г.Б. О тяжелых углеводородах в угольных газах юго-западной части Донбасса в связи с генезисом Шебелинского месторождения. «Геология нефти и газа», 1965, № 3.

8.     Кравец В.И., Цирюльников А.С., Рыженко И.А., Микитченко В.Ф. Газообильность шахт Львовско-Волынского угольного бассейна. «Угольная промышленность», 1961, № 3.

9.     Кравцов А.И., Соколов В.А., Элинсон М.М. О составе и происхождении газов угольных месторождений. Тр. МГРИ им. С. Орджоникидзе, т. XXVIII, М., Госгеолиздат, 1955.

10. Лондон Э.Е. Изменение состава природных газов, нефтей и вод в промышленных горизонтах Днепровско-Донецкой впадины в зависимости от условий их залегания. Сб. «Материалы по геологии газоносных районов СССР», Тр. ВНИИгаза, вып. 4 (12), М., Гостоптехиздат, 1958.

11. Недвига С.Н. Тяжелые углеводороды в рудничном воздухе: «Уголь Украины», 1963, № 12.

12. Петриковская М.Е., Иванов А.К., Кушнирук В.А., Гринберг И.В. Исследование изотопного состава метановых газов Межреченского каменноугольного месторождения в связи с его газоносностью. Сб. «Геология и геохимия горючих ископаемых», вып. 18. Киев, изд-во «Наукова думка», 1969.

13.  Скочинский А.А., Xодот В.В., Глючинский В.Г., Липаев Ю.А. и др. Метан в угольных пластах. М., Углетехиздат, 1958.

14. Широков А.З., Забигайло В.Е., Кондратюк И.Т. К проблеме миграции углеводородов в пределах юго-восточного крыла Днецровско-Донецкой впадины. Сб. «Геология и геохимия горючих ископаемых», вып. 18. Киев, изд-во «Наукова думка», 1969.

НГ и ГГИ АН УССР

 

 


Таблица

 

Месторождение, шахта и скважина

Интервал, м

Свита, пласт

Групповой хроматографический состав

Изотопный состав

 

CH4

C2H6

С3Н8

С4Н10

С5Н12

СО2

N2

Ar+K+Xe

He+Ne

воздух

водорода γ

углерода δ С13

 

Шахта Томашевская южная, скв. 1396

-

C23h8

96,22

0, 16

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

0,55

1 ,994

0,025

0,020

0,96

3,5

- 6,0

 

Шахта Томашевская северная, скв. 1087

406

C23h8

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

7,2

- 6,6

 

Шахта Кременная 1 (7 южный разрез)

404

C25k8

94,30

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

0,50

2,265

0,035

Отсутствует

2,90

6,9

- 5,8

 

Шахта Кременная 1 (5 северный откатный штрек)

342

C26l1

95,80

То же

То же

То же

То же

0,25

2,214

0.036

0,020

1,68

6,0

-

 

Шахта Игнатьевская глубокая

758

C23h10

94,54

0,31

»

»

»

0,50

3,93

0, 146

0,083

0,72

7,2

- 6,2

 

То же

580

C23h10

70,56

0,57

0,06

 

»

0,25

20,65

0,424

0,029

7,90

6,4

- 7,5

 

» »

520

C23h10

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

5,0

- 5,5

 

Шахта Ново-Центральная

624

C23h10

74,26

0,57

0,07

Отсутствует

Отсутствует

1,60

7,20

0,333

0,033

16,30

4,8

- 5,9

 

Шахта Глубокая

475

cC23h8

92,35

Отсутствует

Отсутствует

То же

То же

0,25

6,828

0.040

0,052

0,48

6,0

- 6,9

 

с. Нелеповка

-

-

93,85

То же

То же

»

*

1,20

3,123

0,062

0,085

1 ,68

8,7

- 7,6

 

с. Константиновка, скв. 6

200-240

C31

79,00

 

 

 

 

1,10

19,747

0,007

0,186

0,96

5,8

- 5,3

 

с. Константиновка, скв. 9-Д

-

C31

76,40

 

 

»

 

1,00

21,64

0,263

0,172

0,96

6,3

- 6,9

 

с. Миролюбовка

-

C31

90,60

 

 

»

 

0,35

8,33

0,377

0, 156

0,72

6,0

- 6,5

 

с. Константинополь, скв. 8000

-

C31

94,70

*

 

»

»

0,45

3,40

0,133

0,153

1 ,45

7,1

-5,6

 

с. Нижняя Кринка, скв. 2065

-

C31

47,05

»

»

»

»

2,85

28,50

0,689

0,041

21,60

5,8

- 6,2

Спиваки, скв. 6

-

НАГ

91,50

4,56

0,34

-

-

0,20

1 ,77

0,094

0,086

1 ,45

9,6

- 4,9

Спиваки, скв. 17

466,8 - 672,5

НАГ и М

92,32

3,81

0,71

0,16

Следы

0,10

1 ,319

0,072

0,059

1 ,45

10,1

- 4,7

Спиваки, скв. 22

498 - 685

НАГ

93,65

3,38

0,32

0,08

Отсутствует

0,25

0,68

0,109

0,061

1 ,45

7,5

- 2,7

Шебелинка скв. 183

2732 - 2438,6

C33

87,32

6,52

0,92

0,34

0,05

0,55

0,836

1,011

0,053

2,40

10,2

- 2,7

Шебелинка, скв. 145

1573,9-1082,4

НАГ

86,60

6,81

1 ,04

Отсутствует

Отсутствует

0,30

2,94

0,115

0,045

2,15

7,5

- 3,9

То же, скв. 58

2175 - 2451

А25

88,98

6,31

0,71

0,30

0,05

0,45

0,512

0,959

0,049

1,68

8,5

- 0,9

»» скв. 110

1598,9- 1647,8

М1

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

8,8

- 3,1

Славяносербская площадь, скв. 3Р

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

8, 1

- 4,8

Зачепиловское, скв. 6

1 178- 1181 1190- 1198

C1v

88,37

2,96

1,47

0,29

0,06

0,60

2,99

-

-

3,36

7,0

- 4,1

Перещепинское, скв. 6

2360 - 2304

C1v

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

8,1

- 2,2

Солоховское, скв. 7Т

855 - 840

J2bj

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

8,7

- 2,5

Бельское, скв. 51

1550- 1560

Т

88,83

4,71

2,00

0,54

0,17

0,15

1,92

-

-

1,68

8, 1

- 0,5

Радченковское, скв. 57

908 - 932

T

-

-

-

-

-

-

-

-

-

 

6,5

- 2,9

Чернухинское, скв. 3

2952, -2960

C1v

72,18

9.06

5,31

1,10

0,20

1,15

7,40

-

-

3,60

-

- 2,2

Краснопоповское, скв. 7

1110-1132

C24

89,90

2,38

0,73

0,12

0,02

0,50

4,91

-

-

1 ,44

9,7

- 4,2

Краснопоповское, скв. 7Р

1007-1015

C25

91,49

1 ,23

0,30

0,30

отс.

0,05

4,74

-

-

2,16

9,9

- 4,1

Северная Голубовская площадь, скв. 16

1980-1983,5

C27

88,80

4,30

1 ,90

0,20

»

0,55

3,53

-

-

0,72

7,4

- 0,9

Левинцовская площадь, скв. 1

1322- 1344

C14

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

6,4

- 2,8

Левинцовская площадь, вка. 1

865 - 875

C14

90,80

2.86

1 ,48

0,52

0,19

0,55

0,62

-

-

2,88

9,8

- 2,9

Боровская площадь, скв. 4

1728- 1746

C22

85,35

2,71

1,10

0,69

0,24

0,75

7,76

-

-

1 ,44

6,0

- 2,4

Краснопоповское, скв. 17Р

__

-

-

-

-

-

-

-

-

 

-

-

7,6

-0,6

 

Рисунок График зависимости между содержанием тяжелых изотопов водорода и углерода в природных метановых газах.

1 - газы газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины; 2 - угольные газы Донецкого бассейна; 3 - болотные газы; 4-угольные газы Львовско-Волынского каменноугольного бассейна.