Геология и геохимия. Геология и геохимия нефти и газа. Прозорова. Учебное пособие по дисциплине Геология и геохимия нефти и газа
 Скачать 6.77 Mb.
|
|
фациальные условия формирования и формационный состав основных нефте- и газообразующих осадочных пород Рассеянные формы нерастворимого ОВ присутствуют в породе в виде включений, которые представлены следующими формами: 1) детритом с размерами от 1,0 до 0,5 мм; 2) мельчайшими, до 0,5 мм, обломками растительных тканей, сохранившими первичные признаки растений; 3) наиболее мелкими частицами, тесно связанными с минеральной компонентой пород и не сохранившими форменных элементов; и 4) мельчайшими бесструктурными частицами, находящимися в осадочных породах в сорбированном состоянии. Бесструктурные частицы представлены альгинитом и сорбомикстинитом, которые являются основными микрокомпонентами ОВ сапропелевого типа. Концентрированные формы ОВ находятся в породе в следующем виде: 1) угольных пластов, имеющих толщину более 1 м; 2) слоев, от 1 см до 1 м; 3) прослоев, от 1 до 10 мм; 4) линз, толщиной более 5 мм и шириной от 1 см до 1 м; 5) линзовидных включений, толщиной от 1 до 5 мм и шириной от 2 до 10 мм; и 6) форменных элементов, отличающихся высокой степенью сохранности - это остатки веток, древесины, листьев и корневых систем. Водорастворённое ОВ. Оно находится в подземных водах в разнообразных формах - ионной, молекулярной, коллоидной, а также в виде микроэмульсий и представлено широким спектром органических веществ: фульвовыми, гуминовыми, сапропелевыми, карбоновыми кислотами и их солями. В меньших количествах в подземных водах содержатся серо-, азот- и фосфорсодержащие соединения, углеводы, аминокислоты, спирты, УВ, смолы, фенолы и другие вещества. Рассеянное ОВ сапропелевого типа формируется в глинистых и карбонатно-глинистых осадках, преимущественно в слабовосстановительных и восстановительных геохимических условиях подводных континентальных окраин, для которых характерна высокая биопродуктивность фито- и зоопланктона. Это относительно глубоководные эпиконтинентальные моря, континентальные склоны, и шельфы. Полуконцентрированное и концентрированное ОВ сапропелевого типа, характерное для горючих сланцев, сапропелитовых углей и доманикитов формируется в бассейнах осадконакопления платформенного типа с восстановительными и резко восстановительными геохимическими условиями: 1) в пресноводных озерах; 2) во внутриконтинентальных морях; 3) в заливах и фиордах, лагунах и больших лиманах; 4) в открытых морских бассейнах во время медленных региональных трансгрессий в очень тонких сланценосных отложениях, но имеющих большое площадное распространение; 5) на заливных низменных равнинах. Для данных условий характерны высокая биопродуктивность планктона и формирование карбонатных пород – известняков, мергелей и мергелистых глин, а также глинисто-кремнистых пород. Концентрированное ОВ гумусового типа характерно для континентальных сероцветных песчано-глинистых и переходных угленосных и субугленосных формаций, которые формируются в условиях торфяных болот: а) верховых на водоразделах; б) переходных на речных террасах и в) низинных в поймах, а также в условиях дельт, низменных заболоченных приморских равнин, речных долин, озер. 5.8 Катагенез органического вещества и его факторы В широком понимании катагенез – это процесс изменения осадочных пород и отдельных их частей: рассеянного ОВ, минералов, флюидов и пустотного пространства после завершения диагенеза и до начала метаморфизма. Катагенез развивается при увеличении глубины погружения пород в осадочном бассейне (ОБ) и воздействии возрастающей температуры в интервале от 15-30 до 300 °С. Таким образом, понятие «катагенез» соответствует понятию «эпигенез». На стадии катагенеза реализуется потенциальная возможность ОВ осадочных пород производить нефть и газ и начинается их эмиграция в породы-коллекторы. Генерация УВ происходит в результате глубокой и закономерной внутримолекулярной перестройки ОВ, которая заключается в дальнейшей его конденсации, ароматизации и карбонизации при воздействии температуры и других факторов катагенеза. Эти преобразования сопровождаются потерей ОВ периферийных алкильных цепей, отдельных циклов и различных функциональных групп, содержащих гетероатомы. При этом образуются жидкие продукты в виде битумоидов и большое количество газообразных веществ: метана, углекислого газа, аммиака, азота и сероводорода. Газы образуются в различных количествах на всех стадиях преобразования ОВ. Однако доля биохимического метана составляет всего около 10 % в объеме, который образуется из рассеянного ОВ при температурах до 200 °С (Дж. Хант, 1982). Таким образом, в катагенезе происходит постепенное упорядочение молекулярной структуры керогена вплоть до образования в конце катагенеза – начале метаморфизма гексагонально-слоистой структуры графита. В результате масса ОВ значительно уменьшается и ОВ полностью реализует свой генерационный потенциал. В общем, процесс катагенеза ОВ представляет собой термическую деструкцию, при которой происходит выделение летучих веществ, то есть твердая фаза начинает выделять жидкие и газообразные продукты. При этом общий объём ОВ в породе сильно увеличивается. Главным фактором катагенеза ОВ является температура, включая его динамокатагенез, затем следуют каталитические свойства вмещающих пород, время и пластовое давление. Давление как фактор катагенеза оказывает противодействие температуре. 5.9 Шкала градаций катагенеза органического вещества В настоящее время широко известна шкала градаций катагенеза осадочных образований, составленная Н.Б. Вассоевичем, А.Э. Конторовичем, Н.В. Лопатиным и другими исследователями в 1976 году (рис. 11).  Рисунок 11 - Шкала градаций катагенеза осадочных образований и её сопоставление со ступенями углефикации с упрощением (по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу, Н.В. Лопатину и др., 1976) 1 – нефть; 2 – жирный газ; 3 - метан На этой шкале выделяются три подстадии катагенеза: протокатагенетическая (ПК), мезокатагенетическая (МК) и апокатагенетическая (АК). Эти подстадии разделены на ряд градаций: ПК – на три, МК – на пять, АК – на четыре. Каждая подстадия и градация катагенеза соответствует определённому процентному содержанию ряда показателей: углерода (С); выхода летучих веществ (Vг); показателю отражательной способности витринита в масляной среде (Rо), и определенной стадии углефикации углей. Стадии углефикации характеризуются изменением марок углей от бурых до антрацита, которые обозначены на шкале соответствующими индексами: Б1 – бурые мягкие, Б2 – бурые матовые, Б3 – бурые блестящие, Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), К (коксовые), ОС (отощённо-спекающиеся), Т (тощие), ПА (полуантрациты), А (антрациты). Начало катагенеза характеризуется исчезновением гуминовых кислот, которые переходят в нерастворимую форму ОВ, и соответственно появлением витринита, который является одним из наиболее распространённых микрокомпонентов ОВ гумусового типа и углей, и почти всегда в виде детрита содержится и в рассеянном ОВ смешанного происхождения. Кроме того, он обладает наибольшим блеском и геохимической устойчивостью по сравнению с другими микрокомпонентами ОВ. Установлено, что при воздействии на витринит температуры, в результате углефикации, происходит закономерное увеличение его отражательной способности. На этом основании для различных значений были вычислены соответствующие значения палеотемператур. Таким образом, отражательная способность витринита (ОСВ) стала использоваться как «максимальный палеотермометр». В практике исследований используется относительное значение ОСВ, выраженное в процентах, которое обозначают символом «R». Значения ОСВ получают при сравнении с эталоном данных, полученных на полированной поверхности витринита в масляной (Rо) или воздушной (Rа) среде. По показателям ОСВ определяют степень катагенетического преобразования ОВ и выделяют подстадии и градации катагенеза. В начале катагенеза содержание углерода в ОВ составляет 60 %, выход летучих веществ 63 % и ОСВ, Rо – 0,25 %. С повышением уровня катагенетической превращенности ОВ, от одной градации к другой, содержание углерода и ОСВ, Rо растет, а выход летучих веществ падает. При этом на границе катагенеза и регионального метаморфизма ОВ полностью реализует свой нефтегазовый потенциал и превращается в органический графит. Соответственно содержание углерода в ОВ достигает 100 %, выход летучих веществ становится равным нулю. На шкале показаны главные зоны нефтеобразования (ГЗН) и газообразования (ГЗГ). Они выделяются по интенсивности генерации жидких и газообразных УВ. В целом, процесс эволюции ОВ протекает как во времени, так и в пространстве неравномерно, импульсивно, с различным соотношением объемов образующихся жидких и газообразных продуктов диагенеза и катагенеза. Всё это предопределило приуроченность генерации наибольших объемов жидких и газообразных УВ к определенным глубинным зонам, существующим в разрезе осадочных пород. При этом газы в разных объемах образуются на всех стадиях литогенеза (см. рис. 11). 5.10 Вертикальная геохимическая или термобарическая зональность процесса нефте- и газообразования Смену фазового состояния УВ с глубиной предсказал в 1915 году Д. Уайт, связавший зависимость распределения нефти и углеводородных газов от величины углеродного коэффициента или степени метаморфизма углей. В 1948 году В.А. Соколов установил, что интенсивность и направленность процессов образования УВ в разрезе осадочного чехла значительно меняется и подчиняется геохимической зональности, связанной с изменением давления и температуры в разрезе осадочного чехла (рис. 12). В связи с этим он выделил четыре геохимические зоны: 1) биохимическую, 2) переходную, 3) термокаталитическую и 4) газовую. 1. Биохимическая зона располагается на глубине до 150 м и производит в основном углекислый газ и метан, а также другие газы (Н2, Н2S, NН3, N2) и некоторое количество битумоидов. Это зона диагенеза, где главным фактором преобразования ОВ является геохимическая деятельность микроорганизмов. 2. Переходная зона лежит на глубинах от 150 до 1000-1500 м и характеризуется минимумом интенсивности образования УВ. Это зона протокатагенеза. Минимумом нефтегазообразования здесь связан с тем, что первичное биогенное ОВ завершает свое преобразование под воздействием микроорганизмов и переходит в новую, нерастворимую форму. Главным фактором дальнейшего его преобразования является температура, которая в переходной зоне ещё недостаточно высокая.  Рисунок - 12. Принципиальная схема вертикальной геохимической зональности образования углеводородов в стратисфере (по В.А. Соколову) 3) Термокаталитическая зона располагается на глубинах от 1000-1500 до 6000 м и характеризуется образованием жидких УВ и жирных газов. Это зона мезокатагенеза. 4) Газовая зона находится на глубинах свыше 6000 м. В ней образуется только метан. Положение и названия этих зон В.А. Соколов уточнил в 1966 году. Современные фактические данные в принципе подтверждают схему геохимической зональности, или стадийности процесса нефте- и газообразования В.А. Соколова. Таким образом, под вертикальной зональностью, или стадийностью процесса нефте- и газообразования понимается закономерное изменение интенсивности и фазового состояния УВ в процессе их генерации, в зависимости от изменения геохимических и термобарических условий в нефтегазопроизводящих породах на разных глубинах разреза стратисферы. В 60-х годах схема вертикальной геохимической зональности нефте- и газообразования уточнялась многими геологами (И.И. Аммосовым, Н.Б. Вассоевичем, В.С. Вышемирским, А.А. Геодекяном, А.Э. Конторовичем, Н.В Лопатиным, О.А. Радченко, В.А. Соколовым, К. Ландесом и другими). При этом изучалась зональность размещения УВ различного фазового состояния в разрезе осадочного чехла, различных НГБ. В результате было установлено, что в мезокатагенезе проявляется этап резкого образования жидких УВ. В 1967 году Н.Б. Вассоевич назвал этот этап главной фазой нефтеобразования (ГФН). Это понятие в России стало популярным, а зарубежные исследователи назвали ГФН нефтяным окном. По Н.Б. Вассоевичу (1967) ГФН - это этап в геохимической истории погружающейся осадочной толщи, находящейся на глубинах примерно 2-4 км и при температуре от 80 до 150 °С, на котором потенциально нефтематеринские породы реализуют свой нефтепроизводящий потенциал. Позже, интервал разреза осадочных пород, в котором проявляется главная фаза нефтеобразования, Н.Б. Вассоевич назвал главной зоной нефтеобразования (ГЗН). Преобразование рассеянного ОВ начинается и завершается метанообразованием. Второй, после биохимического, и более значительный этап газообразования происходит на больших глубинах на границе мезо- и апокатагенеза (см. рис. 1). Этот этап превращения ОВ был назван С.Г. Неручевым (1973) главной фазой газообразования (ГФГ), а интервал разреза осадочных пород, в котором она проявляется, определена как главная зона газообразования (ГЗГ). Глубинам проявления ГФГ соответствуют более жёсткие термобарические условия. Таким образом, ГФН и ГФГ подчёркивают временную составляющую, а ГЗН и ГЗГ пространственную составляющую процесса нефте- и газообразования. По представлениям Н.А. Еременко, С.Г. Неручева, 1968; Н.А. Еременко, Г.В Чилингара, 1996 и др. ГЗН и ГЗГ соответствуют зонам наибольшей эмиграции нефти и газа из производящих пород, а не зонам образования нефти и газа, поскольку интервалы температур выше 100 °С являются наиболее благоприятными для десорбции УВ от производящего ОВ и минеральной части породы. Ряд геологов-нефтяников вообще не поддержал идею выделения главных фаз и зон нефте- и газообразования, не видя в ней универсального характера (А.А. Бакиров и др., 1982). Всё это говорит о том, что процессы образования нефти и газа являются многофакторными и зависят от региональных условий. Поэтому они должны изучаться с учётом истории геологического развития каждого региона в отдельности. В настоящее время известно, что особенности проявления вертикальной геохимической зональности нефте- и газообразования зависят от следующих факторов: геотектонических условий и проявления тектоно- и флюидодинамики, генетического типа ОВ, геотермического градиента и времени воздействия различных температур и давлений на нефтегазопроизводящие породы и других. 5.11 Характеристика главных зон нефте- и газообразования Главная зона нефтегазообразования лежит пределах градаций МК1 (Д) – МК2 (Г), которым соответствует температура от 80-90 до 150-160 °С, ОСВ (Ro) изменяется от 0,5 до 0,85 %. Глубины ГЗН в разрезах осадочных толщ зависят от геотектонических условий, скорости погружения потенциально нефтепроизводящих пород, и лежат в платформенных условиях на отметках от 1,5 до 3,5 км, а в глубоких впадинах платформ и в альпийских прогибах на отметках от 3,5 до 7,5 км. Генерация нефти и газа создает в нефтепроизводящей породе аномально высокое поровое давление, превышающее на 10-20 МПа нормальное гидростатическое давление. Это аномально высокое давление является источником энергии для эмиграции нефти и газа. В конце градации МК2 при температуре около 150-160 °С происходит исчерпание полимерлипидных молекулярных структур ОВ. Это приводит к достаточно резкому прекращению процесса нефтеобразования. В пределах главной зоны газообразования температура изменяется от 160-170 до 250-260 °С. Показатель ОСВ (Ro) растёт от 0,85 до 3,5 %. В ГЗГ образуется метана больше, чем на всех предыдущих подстадиях катагенеза, и он становится основным газовым компонентом. ГЗГ развивается в породах, содержащих любые генетические типы ОВ не постепенно, а импульсивно. При этом в интервале градаций от МК3 до АК2 включительно проявляется два максимума газообразования. Первый максимум газообразования проявляется в пределах градации МК3 и представляет собой зону генерации жирных газов или первичных газоконденсатных систем. Интенсивность генерации УВ здесь выше у сапропелевого ОВ по сравнению с гумусовым. Помимо метана в составе газов присутствует большое количество его гомологов и низкокипящих нефтяных УВ. Второй максимум газообразования проявляется в пределах градаций МК5–АК2 и представляет собой зону генерации сухих газов (метана). Интенсивность генерации метана здесь выше у гумусового ОВ по сравнению с сапропелевым ОВ. В зависимости от геотектонических условий и скорости погружения газопроизводящих пород, ГЗГ фиксируется на глубинах от 3,5 до 7,5 км на платформах и от 7 до 17 км в глубоких впадинах платформ, в альпийских краевых и межгорных прогибах. 5.12 Нефте- и газоматеринский потенциал осадочных пород Осадочные породы, содержащие ОВ, которое в катагенезе способно генерировать нефть и (или) газ, в количествах, достаточных для формирования при благоприятных условиях промышленных скоплений УВ являются нефте- и (или) газоматеринскими. Основным показателем продуцирующих свойств пород служит удельная газо- и битумогенерация в единицах массы или объема. Удельный нефтематеринский потенциал определяется количеством нефти в миллиграммах на 1 г породы или в килограммах на 1 т (1 м3) породы, которое может образоваться за всё время её нахождения в зоне катагенеза. Газоматеринский потенциал оценивается количеством газа в кубических метрах на 1 т или 1 м3 породы. Масштабы генерации УВ определяются генетическим типом, степенью катагенетического преобразования и концентрацией ОВ в породе. В настоящее время за минимальную концентрацию ОВ, способную обеспечить промышленную нефтеносность, принимают 0,4-0,5 % для глинистых пород и 0,1-0,2 % для карбонатных пород, при их достаточной толщине (Б.А. Соколов и др. 1998). Б. Тиссо и Д. Вельте (1981) оценивают и классифицируют нефтематеринские породы по величине генетического потенциала в килограммах на тонну или в миллиграммах на грамм следующим образом: менее 2 – порода, не производящая нефть, но обладающая небольшим газовым потенциалом; 2-6 нефтематеринская порода с умеренным потенциалом; более 6 - нефтематеринская порода с высоким потенциалом. Иногда отмечаются очень высокие значения генетического потенциала (более 100 кг/т или мг/г). Такая порода имеет очень высокие концентрации ОВ I или II типа и является превосходной нефтепроизводящей породой при нахождении в ГЗН, либо является горючим сланцем при глубине погружения, не достигающей ГЗН. Нефтематеринские породы имеют три стадии развития: потенциально нефтематеринскую, нефтепроизводящую и постнефтематеринскую. 5.13.Контроль знаний модуля 1_5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Назовите движущие силы и циклы круговорота углерода. На каком цикле круговорота углерода происходит образование нефти и газа? В чем состоит избирательная геохимическая деятельность биосферы? Назовите основные типы продукции биосферы на континентах и акваториях и её компонентный химический состав. В каких геолого-геохимических условиях происходит накопление наибольших концентраций органического вещества (ОВ)? Что понимается под фоссилизацией ОВ? Какие процессы идут одновременно с разложением ОВ при его фоссилизации? Назовите фракционный состав ОВ, образующегося на стадии диагенеза. Назовите фракционный состав битумоидов. Какая фракция ОВ преобладает в составе пород на стадии катагенеза? В каких фациально-геохимических условиях образуется ОВ сапропелевого и гумусового типа? Как разделяется ОВ по степени концентрации в осадочных породах? В чем сущность катагенного преобразования ОВ? Назовите главные факторы катагенеза ОВ? Назовите основные критерии оценки степени катагенеза ОВ? Охарактеризуйте геотермические условия главной зоной нефтеобразования и главной зоны газообразования? Какова минимальная концентрация рассеянного ОВ в породе, которая может обеспечить промышленную нефтеносность при достаточном объеме этой породы? ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ Главными движущими силами круговорота углерода являются два следующих фактора: а – геохимическая деятельность биосферы; б – флюидодинамика; в – геодинамическая активность Земли; г – диагенез органического вещества д – катагенез органического вещества е - высокая подвижность углерода Круговорот углерода распадается на следующие шесть циклов: а – диагенетический б – биогенный; в. – седиментационный; г – денудационный; д – гипергенный; е – метаморфический; ж – катагенный; з – магматический и – метагенетический Образование нефти и газа согласно органической теории происходит на следующем цикле круговорота углерода: а – биогенном б – седиментационном в – катагенном г – денудационном д – гипергенном е - метаморфическом Избирательная геохимическая деятельность биосферы состоит: а – фотосинтезе ОВ; б – усвоении биогенных элементов; в – усвоении гетероэлементов. В составе продукции континентального сектора биосферы среди биоорганических соединений резко преобладают две группы веществ: а – углеводы; б – липиды; в – лигнин; г – белки; д – гумины е - фульвокислоты Фоссилизация отмершего ОВ это: а – все процессы химических изменений организмов при их захоронении в осадках б – окаменение ОВ в – деструкция ОВ Одновременно с разложением ОВ на стадии диагенеза в восстановительных условиях идут следующие процессы: а – реакции синтеза, полимеризации и конденсации промежуточных продуктов распада; б – минерализации ОВ; в – образование воды, углекислого газа и простых минеральных солей. г – гумификации В бассейнах морской седиментации образуется нефтематеринское ОВ следующего фациально-генетического типа: а – гумусового б – сапропелевого в – арконового г - аренового На стадии диагенеза образуются следующие три фракции преобразованного ОВ: а – сапрогуминовые кислоты б – битумоиды в – нерастворимое ОВ (кероген) г – фульвовые кислоты д – флюиды е – олефины Битумоиды – это: а – вещества, извлекаемые из горной породы органическими растворителями б – асфальтово-смолистые компоненты природных битумов, нерастворимые в хлороформе в - фракция асфальтово-смолистых веществ, растворимая в петролейном эфире и объединяющая две аналитические группы – смолы и асфальтены Битумоиды состоят из следующих трёх фракций: а – асфальтенов; б – гуминов; в – смол; г - фульвокислот; д – УВ масляной фракции; г - липидов Кероген (НОВ) образуется на подстадии: а – раннего диагенеза; б – протокатагенеза; в – конце мезокатагенеза На стадии катагенеза преобразованное ОВ представлено двумя фракциями: а - сапрогуминовыми кислотами б – битумоидами в – нерастворимым ОВ (керогеном) г – фульвовыми кислотами д – флюидами е – олефинами Катагенез ОВ протекает под воздействием следующих четырёх факторов: а – давления б – деструкции в – времени г – карбонизации д – метаморфизма е – температуры ж - каталитических свойств пород Пик образования биохимических газов проявляется в литогенезе на стадии (подстадии): а - протокатагенеза б – диагенеза в – вначале мезокатагенеза На подстадии протокатагенеза отмечается минимум образования УВ потому, что: а – ОВ еще не созрело (не преобразовалось в кероген или нерастворимое ОВ) б – биохимические процессы прекратились, а температура слишком низкая в – из-за низкого пластового давления Критериями оценки степени катагенеза ОВ на подстадиях мезокатагенеза и апокатагенеза являются следующие три показателя, %: а - влажность б - показатель отражения витринита в – содержание углерода г – растворимость в органических растворителях д – выход летучих веществ е – растворимость в щелочи ж - генерационный потенциал ОВ з - количество гумусовых компонентов в составе ОВ Показатель отражения витринита характеризует: а – количество гумусовых компонентов в составе ОВ. б – степень катагенеза ОВ и испытанные им максимальные палеотемпературы в – количество сапропелевых компонентов в составе ОВ. г - генерационный потенциал ОВ д – условия образования ОВ. ГЗН проявляется в интервале температур: а - от 50 до 120 °С б – от 80-90 до 150-160 ºС в - от 120 до 190 ºС ГЗГ проявляется в интервале температур: а - от 90 до 160 ºС б – от 160-170 до 250-260 ºС в - от 190 до 290 ºС Часть вторая |