Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
13.4 . Особенности состава пластовых газов больших глубин Значительные различия в термодинамических условиях недр на больших свыше 4,5 км) и особенно сверхбольших (более 6,0 км) глубинах сравнительно с меньшими глубинами предопределяют существенные различия во взаимодействиях породи флюидов и соответственно масштабов и направленности процессов нефте- и газогенерации, условий миграции и аккумуляции УВ, а также на их фазовом и химическом составах. С повышением температуры и давления изменяется характер растворимости метана и других УВ в пластовых водах, особенно вводах с малой минерализацией до 50 гл. Последние становятся агрессивными и более активно взаимодействуют с карбонатами, высвобождая диоксид углерода. Глубже и полнее идет реализация углеводородного потенциала РОВ, теряют устойчивость тяжелые углеводородные соединения и т. д. Все эти факторы предопределяют в конечном итоге накопление на больших глубинах преимущественно метана, часто с ГК, а в карбонатно-сульфатных фациях нередко с повышенными и даже высокими содержаниями кислых газов. Одновременно с этим снижается доля инертных компонентов — азота, аргона, гелия. Состояние изученности глубоких недр пока еще низкое, особенно глубже км. Поэтому, корректным может быть лишь сопоставление составов пластовых газов наиболее изученных интервалов глубин — 1,0—4,5 км и 4,5—6,0 км. Сравнивая их, можно заметить достаточно четкие различия, заключающиеся в основном в следующем. Суммарное содержание УВ с глубиной становится более стабильными на больших глубинах обычно превышает 88%. Содержание гомологов метана в составе углеводородных газов на больших глубинах меняется в широком диапазоне, от сухих со следами ТУ до жирных с содержанием последних до 42%. Высокие концентрации тяжелых гомологов метана, как правило, сопровождают пластовые газы нефтеносных продуктовых толщ. На больших глубинах преобладают залежи с коэффициентом сухости от 20 дои от 160 до 320. Отношение этана, к пропану варьирует от 0,5 до 17,0 (чаще от 2,7 до 8,9), пропана к бутану — от 0,4 до 23,9 (чаще от 1,5 до 3,2). По содержанию и соотношению тяжелых УВ пластовые газы больших глубин в целом мало отличаются от пластовых газов малых глубин. Содержания кислых газов — H 2 S и СО — в углеводородных газовых скоплениях на больших глубинах несколько больше, чем на малых, но залежи преимущественно сероводородного или углекислого состава в изученной части разреза больших глубин встречаются не чаще, чем на меньших глубинах. Пластовым газам малых глубин свойствен более широкий диапазон концентраций азота и гелия. С глубиной содержание последних резко 170 снижается. Основная часть залежей азотного состава выявлена на глубинах до 2 км, на глубинах свыше 4,5 км азотные газовые скопления не установлены. Следует подчеркнуть, что чем жестче термодинамическая обстановка в глубинных недрах, тем резче отличия химического состава пластовых газов больших глубин от малых. А поскольку физические условия вне- драх определяются не столько глубинами, сколько тектоноактивностью коры и интенсивностью теплового потока, то разновозрастным геострук- турам свойственны различия в характере изменения состава пластовых газов. Рассмотрим эти особенности несколько детальнее, но еще раз подчеркнем, что изученность состава глубинных пластовых газов остается невысокой и ограничивается преимущественно интервалом 4,5—5,5 км. Более глубокие залежи крайне малочисленны. В бассейнах древних платформ наибольшей изученностью пластовых газов больших глубин выделяются впадины Днепровско-Донецкая, Анадар- ко (Западный Внутренний НГБ), Делавер и Валверде (Пермский НГБ) в США. Среди этих газов в основном преобладают углеводородные газы с суммарным содержанием метана и его гомологов не менее 88%. Исключением являются лишь отдельные залежи с высоким (до 52%) содержанием диоксида углерода в Пермском НГБ (Паккет, Грей-Ранч-Вест и др. Пластовые газы больших глубин на территории молодых платформ в основном углеводородные. Исключением являются углекислые газы в юрских карбонатах на ограниченной территории штата Миссисипи, связанные с поднятием Джексон. Содержание ТУ варьирует в широком диапазоне от 0,1 до 42%. Соответствующим образом отношение метана к этану меняется от 3 до 936. Пластовые газы больших глубин молодых платформ выделяются относительно высоким содержанием диоксида углерода. Если не учитывать скопления углекислого пластового газа, то содержание СО варьирует преимущественно от 3 до 7%, что в несколько раз выше, чем в пластовых газах древних платформ на тех же глубинах. Содержание азота в пластовых газах молодых платформ попадает винтер- вали, как правило, не превышает 2-3%. Гелий присутствует в пластовых газах больших глубин молодых платформ в концентрациях от следов до 0,15%. Значения отношения He-100/N 2 в пластовых газах молодых платформ варьируют преимущественно от 1 до 2, тогда как на территории древних платформ - от 3,5 до 6,0. В НГБ складчатых областей пластовые газы больших глубин делятся по составу на две группы пластовые газы межгорных впадин эпиплатформенного орогена; пластовые газы внутренних впадин и прогибов, выполненных мощной толщей кайнозойских отложений. К первой группе следует относить пластовые газы, обнаруженные на больших глубинах во впадинах Фергана (Узбекистан, Грин-Ривер, Винд-Ривер США) и Венскол (Австрия. Коллекторами в этих впадинах часто служат карбонаты мезозойского или палеозойского возраста. Роль терригенных коллекторов на больших глубинах незначительна. Пластовые газы больших глубин этих впадин выделяются большой пестротой состава. Среди них присутствуют залежи углекислого состава, большинство которых связано с впадиной Грин-Ривер. Эти пластовые газы иногда содержат много сероводорода (до 34,9%). Содержание азота и гелия в них варьирует от сЙёдов дои от следов до 0,99%, соответственно. Самые высокие парциальные давления гелия (до 1,1 МПа) на больших глубинах обнаружены во впадине Грин-Ривер в карбонатах ордовика на месторождении Тип-Топ. Однако преобладают пластовые газы углеводородного состава. Среди последних встречаются как сухие, сметан- этановым отношением более 160, таки жирные, с этим же отношением менее. Ко второй группе следует отнести пластовые газы кайнозойских коллекторов желоба Галф-Кост и Южно-Каспийской впадины. Коллекторы этих газов связаны с мощными толщами терригенных осадков. Карбонатные коллекторы отсутствуют. Пластовые газы больших глубин этой группы выделяются относительной однородностью состава. Все они углеводородные. Содержание диоксида углерода, как правило, не превышает 5% и характеризуется значениями. Содержание азота не превышает 1%. Концентрации гелия измеряются тысячными долями процента. Содержание метана и его гомологов превышает 90%. Концентрация тяжелых УВ, как правило, превышает 4%. Значение отношения метана к этану обычно не превышает 50, чаще всего варьирует от 10 до 40. Контрольные вопросы Основные состояния нахождения газов в подземной атмосфере. Дайте определение, какой газ называется диспергированным? Что представляют собой гидраты При каких условиях нормальный бутан образует гидрат Для какого интервала концентраций разведанные запасы этана превышают 50% Напишите общую формулу предельных УВ в составе газа. Ниже какой глубины состояние изученности недр предельно мало 172 14. ГЕОХИМИЯ ГАЗОВ МАГМАТИЧЕСКИХ И МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПОРОД. Газы грязевых вулканов Грязевой вулкан - природное явление, приуроченное к областям альпийской складчатости, характеризующимся высокой тектонической активностью, широким развитием осадочных терригенных толщ мезозойско-кайно-зойского возраста мощностью до 10-20 км, наличием антиклинальных структур, осложненных крупными региональными нарушениями, связанными с глубинными разломами. Грязевой вулканизм известен в Италии, Румынии, на о. Тринидат, в Колумбии, Венесуэле, Северном Иране и т. д. Из более чем 600 известных в мире грязевых вулканов более трети (270) сосредоточена на Юго-Восточном Кавказе. Грязевые вулканы развиты также на Керченском и Таманском полуостровах, в Восточной Грузии, Западной Туркмении, на о. Сахалин. В процессе деятельности грязевых вулканов на поверхность Земли выносятся громадные массы пород, води газов. Изучение химического состава газов грязевых вулканов Азербайджана, Кер- ченско-Таманской области, Западной Туркмении и других областей, проведенное многочисленными исследователями в процессе поисково-разведочных работ на нефть и газ, показало, что они состоят главным образом из метана, углекислоты и азота (табл. 14.1). Газы грязевых вулканов, в отличие от газов нефтяных месторождений, характеризуются очень незначительной примесью тяжелых УВ. Каждой области развития грязевого вулканизма свойственны газы с определенными характерным для них составом. Так, газы грязевых вулканов Прикас- пийско-Кубанской области и Азербайджана характеризуются более Таблица 14.1 Вариации химического состава газов грязевых вулканов Область, район Cостав газов, об. СОСН ТУ О N2 Ar He Керченско- Таманская обл. 2,0- 97,1 8,1- 97,6 0-4,1 0-0,9 0,2- 1,3 0,004- 0,051 0,001- 0,007 Северо- Западный Кавказ Шеманихинско- Кабыстанская обл. Азербайджан Прикуринская обл. Азербайджан Западная Туркмения низкими концентрациями метана, незначительным содержанием тяжелых УВ и наиболее высокими значениями азота и инертных компонентов. Это — область, где наблюдается 173 уменьшение мощности отложений и наименьшая активность грязевулканических процессов. По мере удаления от Кавказского хребта в южном, юго-восточном направлении и увеличения мощности кайнозойских отложений, тектонической раздробленности осадочного чехла активность грязевулканических процессов возрастает, что находит отражение в изменении состава газов — увеличении концентрации углеводородов й снижении азота и инертных компонентов. В Апшеронской и Шемахино-Ко-быстанской областях газы грязевых вулканов отличаются максимальным содержанием метана — до 99%, а в газах грязевых вулканов Прикуринской области и Бакинского архипелага содержится небольшое количество ТУ. Основными факторами, определяющими газохимические особенности грязевых вулканов, являются геотектонический режим и мощность осадочного чехла молодых прогибов. Действие этих факторов неоднозначно в различных регионах и даже в различных частях отдельного региона, что и обусловило образование газов, значительно отличающихся по составу. Так, например, в областях, характеризующихся повышенной геотектонической активностью и относительно меньшей мощностью осадочного чехла (о. Сахалин, Керченско-Таманская область, газы грязевых вулканов отличаются более высоким содержанием диоксида углерода до 90%). В областях с большей мощностью осадочных отложений и меньшей геотектониче- ской активностью (Азербайджан, Западная Туркмения) СО в газах присутствует в пониженных количествах и даже может отсутствовать. Важнейшим вопросом грязевого вулканизма является генетическая связь с нефтегазоносностью. Грязевой вулканизм свидетельствует об интенсивной генерации, миграции и аккумуляции углеводородных газов. Исследование химического состава твердых, жидких и газообразных выбросов грязевых вулканов, а также изотопные исследования газовых компонентов показывают, что очаги грязевых вулканов залегают на глубинах 8—10 км ибо- леев главной зоне газообразования. Таким образом, грязевые вулканы, являясь очагами периодической разгрузки глубинных флюидов, указывают на интенсивную генерацию углеводородных газов на больших и сверхбольших глубинах и являются надежными показателями оценки газоносности глубоких горизонтов. 14.2. Газы метаморфических и магматических пород. Газы метаморфических пород Газы метаморфических пород характеризуются чрезвычайно разнообразным составом. На флюидный режим метаморфизма оказывают влияние два типа развития метаморфических процессов метаморфизм, осуществляемый за счет флюидов и исходного субстрата самой породы при повышении (или снижении) температуры и давления, метаморфизм с массопереносом из глубинного эндогенного источника, когда привносимые флюидами из нижних горизонтов коры или мантии калий, кремний, алюминий, натрий производят интенсивную гранитизацию огромных блоков коры или же формируют региональные метасоматиты. Представление о флюидном режиме метаморфизма можно получить, изучая газы газо- во-жидких включений метаморфических пород. Эти газы, постоянно присутствующие в толщах горных пород на разных глубинах, в процессе кристаллизации герметично изолированные в теле минерала, наименее всего загрязнены газами окружающей среды и отражают состав флюида, взаимодействующего с породой. Считается, что наиболее достоверные данные о газовом составе минералообразующей среды метаморфических пород получают при механическом разрушении минералов. Для органической геохимии наибольший интерес представляют газы параметаморфиче- ских пород, те. пород первичного осадочного происхождения. 174 При изучении метаморфизма осадочных пород Тахталыкской гряды А. П. Семено- вым было установлено, что одной из отличительных черт флюида является повышенное содержание Ни СН4, соответственно 1,1—4,4 и 0,004—0,02 см кг, которое автор связывает с первичным обогащением пород органикой. При валовом изучении пород, возможно, извлекаются газы не только флюидальной среды метаморфизма, но и захороненные с осадочной толщей. Изучен состав газовой фазы типично метаморфического минерала — граната северной части хр. Шеклтона в Антарктиде [Прасолов Э. Мг. Исследовались две группы образцов одна из зоны экстремально глубинных условий метаморфизма, соответствующей фации альмандиновых амфиболитов высоких давлений (р > 1000 МПа, Т > С другая — из зоны, в которой условия метаморфизма отвечают фации альманди- новых амфиболитов пониженных давлений (р 400-600 МПа, Т- С. При рассмотрении результатов измерений следует прежде всего отметить повсеместное присутствие метана его максимальная концентрация 83%, причем содержание углеводородных газов в образцах из зоны наиболее глубоко метаморфизованных пород намного выше. Вторым важным фактором является наличие гомологов метана (С 2 Н 6 и др. Их отношение с метаном в большинстве образцов (0,01÷0,02) близко к таковому в газовых месторождениях. Заслуживает внимания также обнаружение свободного кислорода в некоторых образцах менее метаморфизованных пород. Различие в содержании углеводородных газов двух зон может быть связано с более жесткими условиями метаморфизма водной зоне или большей концентрацией углерода вероятно, органического происхождения. Другой причиной, приведшей к различию облика газов двух зон, может быть разный состав газов флюидальной системы, инъецированный при метаморфизме с больших глубин. Исследованное отношение изотопов гелия в этих породах ( 3 Не/ 4 Не = 3÷20).10 -8 ) свидетельствует в пользу корового происхождения УВГ. Количество метана до 90% отмечалось также во включениях флюидов параметаморфических пород Р. Крулином и Р. Д. Шилин- гом. Вообще количество метана в метаморфических породах соизмеримо с таковым в осадочных, а в некоторых случаях даже выше. Максимальным содержанием метана характеризуются кварцевые жилы биотитовых и гранат-биотитовых гнейсов Печенгской структуры — 40 см 3 /кг. График взаимосвязи углеродсодержащих газов и С О рг (рис. 14.1) показывает, что существует общий тренд зависимости количества углеродсодержащих газов от содержания С О рг в породе. Линия связи располагается под углом 45°, что свидетельствует о линейной связи со- держаний углеродсодержащих газов и Сорг. Наличие корреляционной связи указывает на то, что источником углеродсодержащих газов является органический углерод 175 Рис. 14.1. Содержание азота, водорода, углеродсодержащих газов в микровключениях метаморфических пород срединного ТяиьгШаня (1, 3, 4—Тахталыкская гряда 2— хр. Кок-Ийрим-Тоо), Памира - 5, в, Антарктиды (7, 8). 1—8 — при температуре, Си давлении, МПа 7—480 и 250—300, 2, 3— 480—540 и 250—300 4 — 570-590 и 330-380, 5—480—640 ив И 500-750, 7-550-600 и 400—600, 8-700 и 1000. пород, хотя количество углеродсодержащих газов зависит от условий метаморфизма и близко к количеству газов закрытых пор осадочных пород (βсн 4 = (4÷50).10 -3 вес. Для диагностики метаморфических газов важно представление об их изотопном составе, но пока таких данных немного. 14.3 . Газы магматических пород Для характеристики всех типов магматических пород использованы данные хроматографических и масспектральных анализов газов, извлеченных путем механического измельчения пород в вакууме. При таком подходе искажения состава газа, заключенного в породе, минимальны, те. данные анализа наиболее адекватно отражают состав газовой фазы породы в современном ее состоянии. Мантийные ксенолиты. В качестве примера состава газов собственно мантийных пород выбраны анализы крупных неизмененных включений гранатовых и гранат-шпинелевых пе- ридотитов и эклогитов из кимберлитовых трубок Обнаженная и Мири жилы Великан Из этих данных вытекает, что для мантийных пород характерна невысокая газонасыщен- ность, значительное преобладание водорода и низкие, содержания метана С 2 Н 6 и С 3 Н 8 зафиксированы в количествах 0,0002-0,0005 см 3 /кг породы. Рис. 14.1. Зависимость углеродсодержащих газов (УВГ) и Сорг в параметаморфических породах Тянь-Шаня (1) и Средней Азии и Казахстана (2). по сравнению сними газонасыщенностью, меньшей ролью Ни большей — СО и N 2 (табл. Кимбер- литы, подвергшиеся эпигенетическим преобразованиям, отличаются значительно меньшей, по сравнению сне- измененными, газонасыщенностью. Таблица 14.2 Состав газов кимберлитов (поданным Б. Г. Лутца и др. [1976 г Порода Состав газа, об Н 2 СН4 С 2 N2 Кимберлиты неизменен- ные Измененный кимберлит Следы 19 16 25 23 Интрузивные породы. Породы базит-гипербазитовых комплексов. В качестве примера можно привести данные по альпинотипным гипербазитам Анадырско-Корякской и Олюторско-Камчатскои складчатых систем и ассоциирующим сними габброидам табл. 14.3 и 14.4). Таблица 14.3 Состав и содержание газов в гипербазитах и габброидах (Агафонов, 1973; 1976) Порода Состав газов , об Общий объем, см 3 /кг Н 2 СН 4 С 2 Н 6 С 3 Н 8 СО 2 Дуниты 42,75 59,16 0,85 0,07 0,14 14,06 Гарцбургиты 67,59 31,28 0,73 0,24 0,16 12,31 Верлиты 64,75 32,47 1,02 0,78 0,98 5,39 Пироксениты 24,29 63,88 7,96 0,20 3,67 4,90 Серпентиниты 79,24 5,66 - - 15,09 0,53 Габброиды 85,45 14,18 - - 0,37 5,36 Таблица 14.4 Сравнение средних содержаний газов в дунитах Анадырско-Корякской и Олюторско- Камчатскои складчатых систем (по Л. В. Агафонову [1976 г) Состав газа, об Суммарный объем, см кг Количество анализов Н 2 СН4 С 2 Н 6 с 3 н 8 СО 2 17,47 48,12 77,34 51,20 4,15 0,49 0,17 0,19 0,87 - 5,78 20,80 4 |