Характеристики газоносности и основные контролирующие факторы в залежах низкосортного угля бассейна Уцзяньфан, Северный Китай

Скрытая энергия в повседневном угле

Глубоко под поверхностью Северного Китая толстые пласты мягкого, низкосортного угля скрывают неожиданный ресурс: природный газ, в основном метан. Этот газ может снабжать электростанции энергией и, при утечках, усиливать потепление планеты гораздо сильнее, чем углекислый газ. Исследование, лежащее в основе этой статьи, задаёт практический вопрос с большими климатическими последствиями: сколько газа содержится в этих углях, что удерживает его и где лучше всего его извлекать безопасно и эффективно?

Бассейн, сформированный для угля и газа

Работа сосредоточена на бассейне Уцзяньфан, который является частью более крупного Эрлианского бассейна в Внутренней Монголии — регионе, отмеченном как стратегический рубеж для добычи метана из низкосортного угля. Здесь шесть основных угольных пластов залегают примерно на глубине 600–1000 метров, сформировавшись в обширной древней речно-озёрной системе, где растительные болота неоднократно засыпались осадками. Один пласт, известный в отрасли как пласт 3–3, особенно толстый и непрерывный по сравнению с другими, что делает его естественным центром газоразведки. В целом мощность угольных пачек в этом бассейне может достигать десятков метров, что указывает на значительное пространство для аккумулирования газа, хотя сами угли сравнительно молодые и меньше «прожарены» глубинным теплом Земли.

Как уголь выглядит вблизи

Чтобы понять, как эта порода удерживает газ, исследователи собрали более сотни образцов из двух ключевых скважин и подвергли их множеству анализов. Это низкосортные типы угля, такие как лигнит и длиннопламенный уголь, богатые органическим веществом, но всё ещё влажные и относительно мягкие. В микроскопе они демонстрируют множество мелких пор и трещин. Лабораторные измерения показывают, что большая часть объёма пор сосредоточена в малых и средних по размеру порах, в то время как основная площадь внутренней поверхности — те поверхности, к которым прилипает газ — приходится на ультрамикропоры менее десяти миллиардных долей метра в поперечнике. В то же время пути, по которым газ может перемещаться, узки: пористость умеренная, но проницаемость низкая, то есть газу трудно двигаться без внешней стимуляции, например гидравлического разрыва пласта.

Сколько там газа и откуда он взялся?

Полевые десорбционные испытания показывают, что пласты содержат скромное, но переменное количество газа — примерно от 0,45 до 1,85 кубометра газа на тонну угля, причём доля метана составляет от примерно половины до более чем четырёх пятых от общего объёма. Азот является основным негидроуглеводородным газом, доли углекислого газа невелики, а тяжелых углеводородов — следовые количества. На основе измерений стабильных изотопов — тонких «отпечатков» в атомах метана — команда установила, что большая часть газа образовалась микробными процессами в озёрных условиях, а не в результате глубинного прогрева органики. Эти микробы преимущественно производили метан путём ферментации простых органических кислот, с меньшей долей процесса восстановления углекислого газа, что согласуется с картинами в других районах низкосортных углей Эрлианского бассейна.

Почему содержание газа различается в разных местах

Газ распределён по бассейну неравномерно. Используя как полевые измерения, так и модель машинного обучения, объединяющую глубину залегания, мощность пластов, свойства пород и каротаж, авторы картировали содержание газа по всем шести пластам. Они обнаружили отчетливую мозаику: зоны с более высоким содержанием газа сначала сосредоточены в центре бассейна, а по мере его эволюции смещаются к северо-востоку, тогда как северо-западные участки имеют тонкие или малогазоносные угли. Чтобы объяснить это, команда изучила множество потенциальных контролирующих факторов: химию угля, пористое пространство, глубину залегания, мощность пластов и герметичность окружающих пород. Статистический метод частичной наименьших квадратов позволил оценить эти факторы совместно, а не по отдельности. Тремя наиболее важными оказались: количество летучих (маркер ранга угля), общая пористость и содержание фиксированного (фиксированного) углерода. Зольность (содержание минералов) также имела значение, тогда как глубина, мощность и запечатывающая способность покрывающих пород играли вспомогательные, но второстепенные роли.

Последствия для более чистого и разумного использования газа

Собрав все фрагменты воедино, исследование рисует картину угольного метана как результата связанных процессов: микробы генерируют метан; тонкие поры и богатые углеродом поверхности угля аккумулируют его; крупные поры и трещины позволяют ему перемещаться; а толстые, плотные слои аргиллитов сверху и снизу помогают не дать газу утечь. В Уцзяньфан наиболее перспективный блок для освоения сочетает несколько толстых пластов, благоприятную структуру для захвата газа и хорошие герметизирующие разломы, в то время как другие районы не имеют достаточного объёма газообразующей органики, чтобы быть привлекательными. Прояснив, какие свойства пород наиболее важны, это исследование помогает сместить внимание разведки с простого поиска толстого угля в сторону идентификации «сладких точек», где уголь действительно может дать газ. Эти знания поддерживают более эффективную, адресную добычу и лучший контроль метана — важный шаг на пути согласования использования угля с долгосрочными климатическими и «двухуглеродными» целями Китая.

Цитирование: Hu, Y., Cai, Y., Chen, J. et al. Gas-bearing characteristics and its main controlling factors in low-rank coal seams of the Wujianfang Basin, North China. Sci Rep 16, 13355 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44456-x

Ключевые слова: угольный метан, низкосортный уголь, бассейн Уцзяньфан, свойства газоносности, геология резервуара