pdf.php@id=6161.pdf
.pdfВ нефтяной геологии с 20-х годов XX в. стали использоваться шкалы углефикации Д. Уайта, установившего зависимость рас пределения нефти и углеводородных газов от величины «углерод ного коэффициента». Начиная с 60-х годов в практику нефтегео логических исследований прочно вошли показатели углефикации углей и РОВ — R° и Ra.
Соответствие этапов углефикации и образования углей разных марок определенным температурам было установлено на основа нии экспериментов, при этом минимальные температуры обра зования углей в лабораторных условиях условно принимаются в качестве верхних пределов температур для природных процессов (°С): Б -Д - 150-200, Д -Г - 250, Ж -К - 290, К -П С - 340, ПС—Т — 380. Разработанная для всех возрастов шкала прибли женных соотношений палеотемператур приведена в табл. 3.12.
Таблица 3.12
Соотношение палеотемператур и ОС витринита (по И.И. Амосову)
Марка угля |
ОС витринита, l0Ra |
Палеотемпература, вС |
Б |
71 |
95 |
Д |
72-77 |
100-130 |
Г |
78-84 |
135-165 |
ж |
85-95 |
170-205 |
к - о с |
96-110 |
210-230 |
т |
до 115 |
230-250 |
ПА-А |
более 115 |
более 250 |
Многочисленными исследованиями на примере разных реги онов (Н.Б. Вассоевич, Ю.И. Корчагина, О.А. Радченко, К.Ф. Ро дионова, С.Г. Неручев, Б. Тиссо, Д. Вельте и др.) было установле но, что характер преобразования РОВ в принципе такой же, как и концентрированного ОВ: обуглероживание основной массы с выходом жидких и газообразных новообразований — УВ, С 02, Н20 и др., сопровождающееся коренной перестройкой керогена, четко фиксированной по изменению физико-химических и оптических свойств его нерастворимой части.
Для обозначения уровня преобразования РОВ использование «углемарочной» шкалы некорректно. Н.Б. Вассоевичем была со ставлена, а затем опубликована (Вассоевич, Конюхов, Лопатин, 1976) шкала катагенеза, в которой она сопоставляется с углема рочными и шкалами других стран (рис. 3.10). Для наименования ранней, средней и поздней подстадий катагенеза рекомендуется использовать древнегреческие префиксы «прото», «мезо» и «апо». При подразделении прото-, мезо- и апокатагенеза на градации
151
Рис. 3.10. Сопоставление различных схем катагенеза (по Н.Б. Вассоевичу)
Рис. 3.11. Сравнение различных показателей степени зрелости, основанное на анализе керогена (по Б. Тиссо и Д. Вельте)
Для определения катагенетической превращенности РОВ успешно используются люминесцирующие (флуоресцирующие) свойства споринита. Интенсивность флуоресценции является од ним из лучших показателей зрелости при низких значениях ОС витринита (менее 0,3%), однако этот метод не может быть ис пользован для высокой степени преобразованности, так как споринит утрачивает способность флуоресцировать (см. рис. 3 .11 ).
Для определения уровня катагенеза также используется свой ство конодонтов изменять окраску в зависимости от степени превращенности вмещающих их пород. Выделяются девять гра даций окраски конодонтов (ОК) (или индексов окраски коно донтов — ИОК); конодонты с ростом катагенеза меняют окраску от бледно-желтой через черную до молочно-белой, ИОК хорошо коррелируется с ОС витринита. Этот метод успешно использует ся прежде всего при изучении нижнепалеозойских образований, лишенных витринита.
Американскими исследователями А. Худом и С. Гутьяром была предложена непрерывная шкала катагенеза углей LOM (Level organic metamorfism — уровень органического метамор физма). В качестве эталона ими был взят новозеландский разрез третично-мелового возраста, содержащий угли от торфа до мета антрацита, постепенно сменяющие друг друга при постоянном геотермическом градиенте. Шкала имеет постоянный масштаб от 0 до 20. Авторы предложили под LOM понимать определенный этап катагенеза и показали его соотношение с физическими и химическими параметрами углефикации.
К геохимическим и физико-химическим методам определения уровня катагенетической преобразованности РОВ относится эле ментный состав керогена, выход битумоидных компонентов, их состав, состав УВ-фракций, соотношение разных групп УВ, зре лость, определенная по хемофоссилиям. В целом геохимические методы не дают точных подразделений градаций катагенеза, но позволяют определить преобразованность РОВ на уровне: незре лое, малозрелое, зрелое, высокозрелое (перезрелое).
Изменение элементного состава керогена в катагенезе четко видно на диаграмме Ван-Кревелена (см. рис. 2.5), причем умень шение атомных отношений Н/С и О/С с ростом катагенеза свой ственно всем типам керогенов.
Для определения уровня преобразованности керогена исполь зуется электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Наблюдение сигнала ЭПР в керогене основано на существовании в нем неспа ренных электронов, т.е. свободных радикалов. Установлено, что магнитная восприимчивость %р пропорциональна числу свобод ных радикалов и увеличивается в мезокатагенезе (см. рис. 3 .1 1 ).
155
Степень катагенеза керогена определяется методом пироли за Rock-Eval по максимальной температуре (Ттах) выхода жид ких УВ, которая коррелируется с определениями ОС витринита (R°): Ттах < 435 °С соответствует значениям R° < 0,5; Tmax = 435460 °С - R° = 0,5-1,15; Tmax > 460 °С - R° > 1,15; ГЗН или нефтяное окно определяется следующими значениями индекса продуктивности: OPI = 0,1—0,4 [OPI = + S2)].
Помимо уменьшения значений Н/С и О/С с ростом катаге неза изменяется выход битумоидов: битумоидный коэффициент, соотношение групп УВ (отношение ароматических УВ к сумме метановых и нафтеновых), уменьшается значение Ar/(Me+Na), CPI (нч/ч), меняется характер распределения н-алканов. Для не зрелого ОВ характерно присутствие четырех- и пятициклических нафтенов, для ОВ зоны мезокатагенеза — би- и моноциклических (рис. 3.12).
В настоящее время в практике нефтепоисковых исследований для определения степени зрелости нефти и прочих УВ-соединений нефти используют коэффициенты, основанные на молекуляр ных соотношениях биомаркеров — стерановых и гопановых УВ. Эти полициклические УВ в процессе катагенеза претерпевают изменения конфигурации хиральных центров. Эта эпимеризация и является той мерой, которая способна оценить степень созревания биоорганических молекул, т.е. переход биоизомеров в геоизомеры. Разными авторами предложены различные коэф фициенты. Суть их сводится к тому, что берется отношение изо меров, имеющих стереохимию биологических соединений, к но вообразованным изомерам, т.е. биостеранов ctaaR к геостеранам aaaS и aPP(S + R). При этом используются коэффициенты:
К'3р |
= aS/(aS + aR) |
(lim0,55), |
Kip |
=pp/(pp + aR) |
(lim 0,86), |
* 3p=PP/[PP + a(R + S)] (lim0,71).
Для гопанов рассматриваются соотношения биологических структур, имеющих конфигурацию 17p2ip, а также моретанов с конфигурацией 17р21а, к преобразованным гопанам 17а21р (не фтяные гопаны, имеющие наиболее устойчивую стереохимию).
Образование УВ-флюидов в зоне катагенеза
Процесс преобразования ОВ в катагенезе длительный и ста дийный, с подстадией мезокатагенеза связано образование жид ких и газообразных УВ.
156
ЮМ
Рис. 3.12. Сравнение различных показателей степени зрелости, основанное на данных о количестве и составе извлекаемого битумоида (по Б. Тиссо и Д. Вельте с изменениями)
В начале и особенно в середине 60-х годов XX в. появились статьи, касающиеся новообразования УВ и битумоидов в зоне
катагенеза (М. Hunt, 1962; Е.С. Ларская, Д.В. Жабрев, |
1964; |
Y. Philippi, 1965; Н.Б. Вассоевич, И.В. Высоцкий и др., |
1967; |
В.А. Соколов, 1967; М. Louis, В. Tissot, 1967; А.Э. Конторович, 1967, и др.), которые позволили Н.Б. Вассоевичу сформулировать понятие о главной фазе нефтеобразования, суть которого сво дится к следующему. Новообразование и преобразование угле водородов (УВ) и пред-УВ на этапах раннего катагенеза путем слабого термолиза и (или) термокатализа не вызывает сомнений. Этот процесс развивается сначала медленно, но в начале стадии среднего катагенеза быстро усиливается. В результате термолиза и мягкого термокатализа образуется много УВ, главным обра зом тех, которые входят в состав керосина и бензина. С этапами катагенеза, которые протекают при мощности покрывающих от ложений в 2-4 км и t = 80—150 °С, связана главная фаза нефте образования (ГФН). Она знаменуется тем, что одновременно с новообразованием УВ, значительным увеличением содержания в породах микронефти и ее созреванием также широко развивают ся процессы десорбции микронефти, ее отрыва от материнской органики и от минеральных компонентов породы и интенсивной миграции путем усиленного растворения в воде и (или) в сжатых газах (Вассоевич, 1967).
В зарубежной литературе часто используется термин «нефтя ное окно», отвечающий этапу рождения и существования неф ти. Катагенетические границы «нефтяного окна» зависят от типа керогена. Для керогена II типа границам его отвечают значения ОС витринита R0, по разным авторам, 0,5-1, 0,5-1,15, 0,5-1,2%, т.е. нижняя граница варьирует; значения LOM и TAI находятся соответственно в пределах 7-11 и 2,5—3,5.
Еще в 50-х годах XX в. было отмечено совпадение основного периода нефтеобразования со скачком углефикации, в течение которого угли приобретают свойства спекаемости, в витрините увеличивается содержание водорода, исчезают гуминовые кисло ты, выделяются подвижные флюиды.
Главная фаза нефтеобразования (ГФН) развивается в течение длительного отрезка времени, значительно варьирующего в раз ных районах в зависимости от типов ОБ и вмещающих пород, темпов опускания, перерывов в отложениях (из-за перемены зна ка движения), от геотермического градиента (точнее, от геотерми ческой истории бассейна). Отвечающая ГФН в недрах — Главная зона нефтеобразования (ГЗН) — располагается в подзоне мезокатагенеза, в интервале трех градаций: MKj МК2, МК3. В ГЗН во время развития ГФН и происходит рождение собственно нефти.
158
ГФН в кайнозойских отложениях не только отвечает более вы соким температурам и соответственно располагается на боль ших глубинах, но и носит более растянутый характер. Это четко прослеживается на примере бассейнов Тихоокеанского пояса, Южно-Каспийского, Азово-Кубанского бассейнов и др. Более высокие температуры начала интенсивной генерации многие ис следователи связывали в основном с влиянием фактора времени, т.е. недостаточной длительностью прогрева. В настоящее время установлено, что характер распределения катагенетической зо нальности и температур (палеотемператур) бассейна зависит от ряда факторов: общего геотектонического развития региона, строения разреза, характера геотермического и флюидодинами ческого режимов бассейна, генетического типа ОВ и др. Так, в кайнозойских бассейнах относительно высокие температуры и повышенные глубины кровли ГЗН связаны прежде всего с боль шими скоростями погружения и накопления осадков, вследствие чего сохраняются седиментационные воды, что способствует воз никновению АВПД, которое в свою очередь тормозит ход катагенетических процессов.
Необходимо подчеркнуть, что при всех указанных различиях температур и глубин ГЗН, которые варьируют в пределах кров ли (60-100 °С, 1,5-3,5 км) и подошвы (150-210 °С, 3,1-8 км), интервалы ГЗН соответствуют значениям R0 — 0,5-1,15%, LOM 7-11, Ттах пиролиза 435-460 °С.
В главной зоне нефтеобразования помимо ОВ существенно изменяются породы и насыщающие их воды: в составе водораст воренного ОВ заметно увеличивается содержание УВ-компо- нентов, меняется состав водорастворимых газов. Происходит перестройка глинистых минералов — гидрослюдизация монтмо риллонита, сопровождающаяся выделением воды, способствую щей миграции образовавшихся УВ (подробнее см. гл. 5).
Проследим ход процесса преобразования ОВ, начиная с про токатагенеза. В зоне протокатагенеза трансформация ОВ суще ственно не изменяет его структуру. Биохимические процессы преобразования ОВ в основном уже прекратились, а термока талитические еще не набрали силу из-за небольшой температу ры, недостаточной для преодоления энергетического барьера. На диаграмме (см. рис. 3.13) видно, что на этой стадии эволю ции слегка уменьшается величина отношения Н/Сат и заметно уменьшается О/С, причем содержание кислорода, по данным ИКС, сокращается за счет удаления групп С=0. В протоката генезе происходит разрыв гетероатомных связей некоторых не устойчивых карбонильных и карбоксильных групп. В результате
160