Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
13.3 . Газы нефтяных и газовых скоплений. Особенности состава газов, растворенных в нефтях, вгазовых шапках и свободных газовых скоплениях Широкое химическое и фазовое разнообразие углеводородных пластовых систем затрудняет характеристику специфики состава газов, находящихся вне- драх в. различных фазовых состояниях. Так, составы газов растворенных в нефтях с высоким газовым фактором, например 500 мм или больше, значительно отличаются от составов газов в нефтях с низким газовым фактором — 50 мм. В той же мере это относится к сухим газовыми газоконденсатным залежам. Первые состоят почти целиком из метана с незначительным объемом этана, тогда как вторые насыщены в естественных условиях недр высо- кокипящими УВ. К тому же различна в них и роль сопутствующих компонентов газов — азота, диоксида углерода, сероводорода. И все же если исключить аномальные по составу газопроявления, как в целом редкие по встречаемости, и при этом ограничить рассмотрение составов разнофазовых углеводородных скоплений глубинами до 4,5 км, к которым собственно и приурочена основная часть выявленных запасов газов, то различия в составах углеводородной части газов между отдельными видами газопроявле- ний свободными сухими, газоконденсатными, газовыми шапками и растворенными в нефтях (попутными становятся достаточно четкими и состоят в нарастании содержания в газах тяжелых гомологов метана — от Си выше по мере увеличения связи газа с нефтью (табл. 13.2). Таблица 13.2 Типовые различия в составах углеводородных газовыхкомпонентов в пластовых углеводородных системах (в платформенных условиях) УВ Вид пластовых газопроявлений Свободный газ Газоконденсатная залежь Газовая шапка Растворенный в нефти газ СН 4 93,0 88,0 75,0 70,0 С 2 Н 6 4,5 4,5 6,0 8,0 С 3 Н 8 2,0 2,5 5,0 6,0 С 4 Н 10 0,4 1,5 4,0 4,0 С 5+высш. 0,1 3,5 10,0 12,0 Эти различия диктуются как генетическим разнообразием источников газовых компонентов, таки их неодинаковой растворимостью в различных углеводородных системах. Например, присутствие заметных количеств диоксида углерода и гомологов метана в газовом скоплении способствует дополнительному переходу в газовую фазу нефтяных компонентов, поскольку они повышают их растворимость. Тогда как сероводород и азот снижают их. Для НГБ со смешанной нефтегазовой продуктивностью важным фактором, управляющим составом углеводородной части газов как в растворенном в нефти состоянии, таки в газовых шапках или сопровождающих нефтяную залежь свободных газовых скоплений, является газонасыщенность 161 нефтей. Различают нефти с высокой и низкой усадкой. Первые — легкие, с плотностью менее 0,80 г/см и высоким газовым фактором — свыше 150 мм, вторые — более тяжелые, с плотностью более 0,80 г/см 3 и с газовым фактором нижем м . Можно принять за основу и более детальную классификацию газонасыщенности нефтей, нов обсуждаемом нами вопросе имеет значение только факт резких различий этих характеристик, оказывающих непосредственное влияние на обогащенность или, напротив, обедненность метаном или его гомологами как самой нефти, таки сопровождающих ее газовых скоплений. В НГБ с преимущественно газовой продуктивностью преобладают сухие газы, состоящие иногда из почти чистого метана — до 99%, но чаще в них присутствуют этан ив меньшей мере пропан и бутаны. Более тяжелые гомологи встречаются в таких газах в незначительных количествах или не обнаруживаются вовсе. В целом содержание гомологов УВ в природных газах взаимосвязано и убывает по мере увеличения числа атомов углерода в их молекуле. Более того, в подавляющей части залежей природных газов распределение этана, пропана и бутанов адекватно, те. расположение их максимальных и минимальных концентраций совпадает. Исключения, безусловно, имеются и из этого правила. Так, в отдельных залежах сильно дегазированных нефтей и их шапках содержание пропана бывает равно или даже больше содержания этана, но это редкие случаи. 0 10 20 30 40 50 60 0,75-1,5 1,5-3,0 3,0-6,0 6,0-12,0 12,0-24,0 24,0-48,0 С 2 Н 6 Час тот а вс тречаемости, Рис. 13.5. Распределение запасов этана в газах в зависимости от его концентрации. В качестве примера, на рис. 13.5 приведено распределение концентраций этана в газах в зависимости от его общих разведанныхзапасов, а на рис. 13.6 — распределение относительных запасов этана, пропана и бутанов враз- ных видах газовых скоплений в свободных с газоконденсатами, газовых шапках и растворенных в нефтях. При этом, для снятия влияния неодинаковых абсолютных величин разведанных запасов тяжелых гомологов метана в разных видах его скоплений, запасы каждого из последних принимались за 100%,. Рис. 13.6. Распределение относительных запасов этана, пропана и бутанов в разно- фазных газовых скоплениях 1 - свободные газовые залежи 2 - газовые шапки 3- газы, растворенные в нефтях Рис. 13.6 достаточно четко иллюстрирует, что наибольшие запасы этана в основном сопровождают свободные газовые скопления, а бутанов — газы, растворенные в нефтях, и газовых шапок. Одновременно с этим нельзя не отметить, что лишь немногим продуктивным бассейнам свойственно высокое (более 10%) содержание тяжелых гомологов метана, среди последних лидируют Западно- Сибирская и Волго-Уральская НГБ. Большинство других НГО не располагает заметными концентрациями гомологов метана. Влияние сопутствующих компонентов на различия в составах газов 8 различных пластовых фазовых системах менее определенно. В целом надо отметить, что по относительным концентрациями общим запасам все они, а именно сероводород, диоксид углерода и азот с инертными, особенно гелий, приурочены преимущественно к залежам свободных газов, хотя и встречаются в различных обстановках. Высокосернистые, газы с концентрацией сероводорода более 5% обычны для глубокопогруженных газоконденсатных залежей в сульфатно-карбонатных продуктивных отложениях. Азоту и гелию, напротив, предпочтительны газовые залежи, расположенные на небольших глубинах, в основном до 3 км, в зонах с маломощным осадочным чехлом на древних платформах. Диоксид углерода также связан со свободными газовыми скоплениями, но уже преимущественно в зонах недавней тектонической активизации и метаморфизации карбонатных пород. Одновременно с этим имеются и нефтяные месторождения с высокими со- держаниями и кислых, и инертных компонентов в растворенных в нефтях газах и их газовых шапках, вплоть до преобладания последних. Так, обогащены сероводородом нефти Мартовского (Дагестан) месторождения — 8,6%; Асмари-Бандар (Иран) — 26% и ряд других нефтяных месторождений в За- падно-Канадском, Мексиканском, Персидском НГБ. 50 38 25 29 39 38 24 27 49 0 10 20 30 40 50 Свободные газы залежей Газы газовых шапок Растворенные в нефти 163 Имеются газовые шапки, почти полностью состоящие из азота — Кы- зыл-Кюч (Удмуртия. В НГБ Скалистых гор (США) попутные газы нередко обогащены и азотом и диоксидом углерода. В целом, углерод метана преимущественно нефтеносных НГБ легче в газовых залежах, чем растворенный в нефтях. Углерод этана попутных газов обычно несколько тяжелее углерода метана и бутана в тех же залежах. При межфазовых сопоставлениях необходимо учитывать, что повсеместно отмечается закономерное утяжеление изотопного состава углерода с глубиной, поэтому корреляции должны быть корректными. 13.2.2. Распределение в газах технологически ценных компонентов Природный газ представляет собой исключительно ценное сырье, используемое во многих отраслях народного хозяйства. Наибольший эффект получается при применении его в качестве химического сырья или технологического топлива. Поэтому потребление природного газового сырья развивается в направлении наиболее глубокой комплексной переработки его, с использованием в народном хозяйстве его полезных компонентов. В связи с этим все более актуальной становится детальная оценка качества газового сырья по содержанию в нем этих полезных компонентов. Предельные углеводороды (C n H 2n+2 ). К газовым предельным УВ относятся метан, этан, пропан и бутаны. Пентан и более тяжелые УВ следует относить к конденсатам. В составе природных газов предельные газовые УВ, как правило, резко преобладают относительно других газовых компонентов. Их содержание заметно увеличивается по мере роста мощности осадочного чехла. В толщах терригенных отложений, часто большой мощности, кайнозойского, реже мезозойского и очень редко палеозойского возраста содержание тяжелых УВ и тяжелого изотопа углерода в составе метана заметно уменьшается вверх к поверхности Земли. В толщах с большой долей карбонатных и эвапоритовых отложений высокие концентрации тяжелых УВ обнаруживаются, как правило, на малых глубинах и связаны с присутствием тяжелых нефтей. Сухие метановые газы в этих разрезах встречаются на больших глубинах, а изотопно-легкий метан (С менее —55 ‰) отсутствует. Самым низким содержанием тяжелых газовых УВ обладают пластовые газы, с низким содержанием конденсата. В газоконденсатных и нефтегазо- конденсатных месторождениях природные газы содержат до 30% гомологов метана. Наибольшими концентрациями этана, пропана и бутанов, в сумме до 85—95%, обладают нефтяные газы. Корреляционная связь между метан-этановым и этан-пропановым отношениями характеризуется коэффициентами от 0,66 до 0,82. Эта зависимость наиболее четко выражена на глубинах более 1 км. На малых глубинах иногда наблюдается даже обратная зависимость. Для нормальных газогеохимических разрезов характерна обратная зависимость между глубиной залегания залежей и значениями отношений предельных газовых УВ. 164 Подавляющая часть (97,5%) запасов природного газа в России представлена высококалорийными газами, содержание негорючих компонентов в которых не превышает 10%. Низкокалорийные природные газы, с содержанием негорючих компонентов от 10 до 80%, составляют не более 2,5% от общих разведанных запасов газового сырья. Эти газы обнаружены в Волго- Уральской провинции и Чу-Сарысуйской НГО. Негорючие природные газы встречаются крайне редко. Их месторождения не всегда разведываются, а подсчитанные запасы не превышают 0,1% от общих запасов газового сырья в РФ. В основном это скопления пластового газа азотного состава. Интерес к содержанию тяжелых газовых УВ в промышленно развитых странах непрерывно растет в связи с ускоренным развитием производства продуктов органического синтеза. Как показал технико-экономический анализ, извлечение этана при его содержании менее 2% неэффективно. При концентрации и более рентабельность его извлечения быстро увеличивается. Поэтому принято учитывать запасы этана, пропана и бутанов в месторождениях с промышленными запасами газового сырья, если концентрация любого из них не ниже 3%. Основная доля запасов этана (66%), пропана и бутанов связана с газовыми и газоконденсатными залежами. Большие запасы тяжелых газовых УВ (до 22% по этану) приходятся на долю нефтяных газов. Остальные запасы этих полезных компонентов заключены в газовых шапках. Среди нефтегазоносных провинций по запасам этана, пропана и бутанов заметно выделяется Западно- Сибирская. На территорию только этой провинции приходится почти половина из общих запасов. Молекулярный азот (N 2 ). Азота достаточно много в воздухе — 78,1 об, поэтому практический интерес может представлять лишь почти чистый природный молекулярный азот. В основной массе газовых залежей содержание азота (по объему) не превышает нескольких процентов. Залежи газа азотного состава составляют только 3% от общего числа изученных залежей. Их распределение в палеозойских отложениях ограничено небольшими глубинами — менее 3 км. В региональном плане они тяготеют к моноклинальным склонам древних платформ. Парциальные давления молекулярного азота в рассматриваемых газах обычно выше 3,5 МПа, а в областях эпиплатформенного орогена в солях достигают 80 МПа. Изотопный состав азота в пластовых газах азотного состава характеризуется значениями σ 15 N от +13,7 до +45,7°/ 00 [Эйхман Р. и др, 1971 г. Источник больших количеств молекулярного азота в осадках наиболее обоснованно связывают с метаморфическими или магматическими породами Максимов С. Пи др, 1975 г Тихомиров В. В. и др, 1987 г. О том же свидетельствуют данные по содержанию азота в минеральных включениях. При низких концентрациях, менее 10%, молекулярный азот не оказывает существенного влияния на качество газового сырья и может рассматриваться как балластный компонент. При концентрации более 10% азот становится вредным компонентом, так как наряду с другими негорючими газами снижает теплотворную способность газового сырья и ограничивает сферу его использования. При концентрациях от 10 доне исключается целесообразность извлечения азота с целью повышения качества газового топлива. Диоксид углерода (CO 2 ). Диоксид углерода используется главным образом для получения сухого льда ив меньших объемах для производства карбоната кальция, а также при сварке металлов, при тушении пожаров. В пластовых газах содержание СО меняется от следов до 80-100%. Преобладают пластовые газы с содержанием СО менее 4%. Концентрации диоксида углерода менее 10% следует рассматривать как фоновые (нормальные, а более 10% — как аномальные. В распределении нормальных концентраций диоксида углерода в составе пластовых газов ведущую роль играет глубина их залегания. Лишь на малых глубинах (менее 1 км) во многих НГБ замечаются признаки увеличения концентрации СО 2 к поверхности. В остальной части разреза НГБ содержание и парциальные давления СО увеличиваются вниз, с глубиной. Залежи почти чистого углекислого газа встречаются очень редко (0,2% общего числа залежей. В региональном плане залежи СО тяготеют к неглубоким очагам субсеквентного относительно молодого магматизма. При низких концентрациях (менее 10%) диоксид углерода не оказывает существенного влияния на качество газового сырья как топлива, и может рассматриваться в качестве балластного компонента. При более высоких концентрациях он становится вредным компонентом, снижающим теплотворную способность природного газа. При концентрации диоксида углерода от 10 до 80% часто целесообразно извлечение его с целью повышения качества газового сырья и получения чистой углекислоты. Сероводород (H 2 S) (газовая сера. Интерес к газовой сере возник в середине х годов, когда были открыты первые крупные месторождения пластового газа с высоким содержанием сероводорода. Кроме сероводорода в природных газах присутствуют органические соединения серы, которые представлены в основном меркаптанами, и также представляют собой ценное сырье для получения многих товарных продуктов или для использования в качестве одоранта. В составе преобладающего большинства пластовых газов сероводород практически отсутствует. Поэтому заметные концентрации этого компонента в их составе следует относить к аномальным. Исследования фоновых концентраций сероводорода пока отсутствуют. Аномальные концентрации сероводорода достигают 5—10%, реже — более высоких значений. В настоящее время наиболее высокие концентрации сероводорода известны в газовых залежах СНГ, Канады, США, Франции. Парциальное давление сероводорода в газовых залежах достигает 18,1 МПа. Как правило, сероводород сопровождается присутствием органических соединений серы — меркаптанов, полисульфидов, а также серооксида углерода и элементарной серы. 166 Характерной особенностью состава сероводородсодержащих пластовых газов является присутствие диоксида углерода. При содержании сероводорода более наблюдается прямая зависимость между концентрациями СО и H 2 S. Известны благоприятные условия, при которых присутствие сероводорода в пластовом газе возможно. К этим условиям относятся 1) контрастные тектонические движения в краевой части древних платформ) наличие галогенно-карбонатных формаций 3) большие глубины более 3 км, высокие температуры (более 100 С 4) присутствие высокоминерализованных вод хлоркальциевого типа. Сероводород относится к ядовитым газовым компонентам, опасным даже при очень низких концентрациях. Его содержание в товарном газе не должно превышать 0,0013%. Поэтому сероводород может рассматриваться в качестве балластного компонента при концентрациях менее 0,0013%. Очевидно, сероводород с концентрацией в интервале от 0,0013 до 0,1% следует рассматривать как вредный компонент, извлечение которого необходимо, ноне рентабельно. Ценность сероводорода в составе газового сырья зависит от его концентрации. При содержании от 0,1 до 30% его можно рассматривать как попутный полезный компонента при более высоких концентрациях — как основной целевой. Максимальные концентрации сероводорода в пластовых газах (22,5%) обнаружены в карбонатных коллекторах Астраханского месторождения. Наибольшая концентрация сероводорода в нефтяных газах (19,3%) обнаружена на Мартовском месторождении в Дагестане. Основная часть запасов газовой серы связана с залежами пластового газа. На долю газовых шапок и нефтей приходится только 1,4% общих запасов. Гелий (He). Природные газы являются основным сырьем для добычи гелия. Его потребление особенно велико в технически высокоразвитых странах. При этом большая часть гелия используется в криогенной промышленности, в ракетостроении, при сварке металлов, а также в качестве теплоносителей и для создания искусственных дыхательных смесей. Содержание гелия в пластовых газах варьирует от тысячных долей процента до 8,8%. Его парциальные давления всегда значительно выше, чем в атмосфере, и достигают 2 МПа. Формальный корреляционный анализ [Тангиш КА г показал отсутствие значимой зависимости между гелиеносностью пластовых газов и возрастом вмещающих коллекторов. В пределах НГБ наиболее широко регионально распространены пластовые газы малых глубин менее 1 км. При изучении гелиеносности этих газов отмечается, во-первых, присутствие его концентраций в самом широком диапазоне, от следов доне- скольких единиц процента. Во-вторых, привлекает внимание, что пластовые газы с разным содержанием гелия хорошо регионально дифференцированны на огромные, выдержанные в региональном плане, поля. Пластовые газы с высоким содержанием гелия (более 0,2%), также образуют огромные поля, которые тяготеют к положительным структурным элементам поверхности допалеозойского фундамента. Коллекторами высо- 167 когелиеносных пластовых газов служат палеозойские, реже мезозойские, отложения. Переход от высокогелиеносных к низкогелиеносным газам, как правило, сопровождается погружением допалеозойского фундамента и увеличением мощности осадочного чехла. Эта зависимость между гелиеносностью и мощностью осадочного чехла в некоторых НГБ имеет очень жесткий характер. Например, в Западном Внутреннем НГБ изолинии концентраций гелия фиксируют даже впадину Сенджик между валом Немаха и Централь-ноканадским поднятием, где колебания мощности осадочного чехла не превышают 1 км. На территории молодой платформы Галф-Кост наибольшая гелиеносность в пластовых газах (до 0,10%) связана в региональном плане со сводовыми поднятиями Сэ- бин и Монро. Исключением являются лишь пластовые газы внутриплатфор- менных впадин Мичиган и Иллинойс. В этих впадинах с мощностью осадочного чехла менее 4—5 км гелиеносность пластовых газов уменьшается к бортами наибольшие концентрации гелия оказываются над центральными наиболее прогнутыми частями впадин. Характер зависимости гелиеносности пластовых газов от глубины враз- резе осадочного чехла неоднозначен. Прежде всего обращает на себя внимание, что в полосе низкогелиеносных газов, оконтуривающей платформенную часть территорий, содержание гелия в пластовых газах с глубиной практически не меняется. Вследствие этого на глубинах более 4,5 км пластовые газы характеризуются низким содержанием гелия (менее 0,01%), которое почти не зависит от возраста вмещающих отложений и подстилающего фундамента. В условиях больших мощностей осадочного чехла гелиеносность пластовых газов заметно уменьшается только регионально в сторону примыкающих к платформам складчатых сооружений. Напротив, по мере движения в сторону платформенной территории континента и уменьшения мощности осадочного чехла содержание гелия в пластовых газах заметно увеличивается. При этом ге- лиеносность пластовых газов часто начинает заметно увеличиваться вверх по разрезу. Рассматривая закономерности распределения гелия в пластовых газах как отражение разных стадий эволюции НГБ, можно сделать следующие выводы. Во-первых, погружение фундамента и рост мощности осадочного чехла приводят к последовательному снижению гелиеносности пластовых газов по разрезу в целом. Это уменьшение содержания гелия начинается на самых ранних стадиях развития НГБ и зависит от геологической обстановки. Во-вторых, эвапориты, присутствующие в разрезе чехла, препятствуют снижению гелиеносности пластовых газов в процессе развития НГБ и тем самым способствуют сохранению высоких концентраций и парциальных давлений гелия в подсолевых коллекторах на относительно малых глубинах. Вследствие этих закономерностей диапазон возможных концентраций гелия в пластовых газах к поверхности Земли заметно увеличивается. Концентрации гелия и азота связаны между собой относительным постоянством отношения Не %, это отношение в пластовых газах меняется в диапазоне от 0,03 дои более, но независимо от концентраций гелия и 168 азота на ограниченных территориях отдельных НГБ сохраняется постоянной. В природных газах значение этого отношения близко 1%. В наибольшем диапазоне оно меняется на Североамериканском континенте. Соединенные штаты Америки обладают наибольшими запасами гелия и поэтому учитывают их при концентрации последнего от 0,3% и более. В Польше в качестве промышленной была принята концентрация 0,2% и более. Во Франции гелий извлекался из газа месторождения Гронинген при концентрации 0,04%. Ртуть (Ртуть рассматривается в качестве возможного полезного газового компонента с момента ее обнаружения в природных газах Центральной Европы. Содержание ртути в этих газах достигает 3,4.10 гм. В месторождении Гронинген при концентрации гм запасы ртути достигают т. Рис. 13.7. Результаты газогидрохимических исследований на Усть-Кумондинской площади (Сибирская платформа) (Битнер , 1987) изогипсы по кровле нижнеэвенкийской подсвиты кембрия, пункты пробоотбора: а-поверхностный водоток, б-грунтовый источник тип вод по В.А. Сулину: а-гидрокарбонатный, б-хлормагниевый, в- сульфатно-натриевый, 4- одиночный источник с аномальным (более об) содержанием тяжелых УВ, контуры аномалий по ТУ, 6-водопункты с повышенным содержанием ртути слева у знака содержание ртути, мкг\л),7-контуур ртутной аномалии На рисунке 13.7 показан пример использования ртути как элемента показателей для картирования в процессе проведения геохимических съемок на нефть и газ в Восточной Сибири. Контроль газовой аномалии линейной симметричной зоной повышенных содержаний ртути вводах свидетельствует о ее глубинной природе и связи с зоной разломов, а положение ее в пределах структурной террасы может свидетельствовать о нахождении аномалиеформирующего источника в неструктурных условиях (Битнер, 1987). Водород (Водород, как топливо будущего, привлекает к себе все более пристальное внимание. Однако его концентрации в свободных и нефтяных газах измеряются сотыми долями процента и редко достигают 0,1%. Наибольшие концентрации водорода (до 28%) связаны с природными газами подземных вод, которые характеризуются, как правило, низкой газонасыщенно- стью. Водород в последнее время стал широко использоваться для решения вопросов термодинамики природных газов и определения зрелости газов (Исаев,1991). В.П. Исаев используя соотношение метана и водорода рекомендовал новый поисковый показатель – коэффициент зрелости газов (Кзр) углеводородных газов. В газах залежей он (СН 4 /Н 2 ) имеет высокие 169 значения (n.10 2 -n.10 4 ), а в рассеянных газах низкие (n.10 -1 -n.10, а в водо- растворенных промежуточные (Исаев, 1991). |