книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

•бесструктурные вклю чения гидрофобного ОВ в виде капель и ко­ мочков;

• сорбированные на поверхности минеральны х частиц;

• растворенные, содерж ащ ие ОВ в ф орм е солей;

• входящие в состав кристаллической реш етки минералов.

Размер частиц детритного ОВ (споро-пыльцового И водорослевого) больше 0,005 мм, они четко отделены от вмещ аю щ ей породы. Р азм ер частиц дисперсного ОВ м еньш е 0,005 мм, все они практически находят­ ся в сорбированном состоянии. С орбированная форма является наибо­ лее распространенной, чем больше поверхность минеральных зерен, тем больше ОВ сорбируется. Именно поэтому глины наиболее обогащ ены ОВ по сравнению с другими литотипами. Прочность и ф орма связи ОВ с минеральными частицами м атрицы зависит от генетического типа ОВ, гранулометрического и минерального состава пород, давления и тем ­ пературы в недрах.

В органическом вещ естве осадочны х пород вы деляю т гуминовые вещества и битумоиды. Гуминовые вещ ества — это, преж де всего, гу­ миновые кислоты, представляю щ ие собой вы сокомолекулярные соеди­ нения, богатые кислородом, содерж ащ ие серу и азот. Их элементны й состав: С = 55— 65 %; Н = 3,5— 5,5 %; (О + N + S) = 30— 40 %. Гуминовые кислоты присутствую т в ОВ только на ранней стадии катагенетической эволюции, позж е они исчезаю т, превращ аясь в ароматические цик­ лы с короткими боковыми цепями.

Битумоиды — компоненты ОВ, извлекаем ы е органическими раство­ рителями: хлороформом, бензолом, ацетоном и др. В практике геохи­ мических исследований обычно используется хлороформ, экстрагиру­ ющий близкие к неф ти ф рак ц и и ОВ, и спирто-бензол, извлекаю щ ий смолы и кислоты. По сравнению с нефтью хлороформенный битумоид (ХБ) беднее углеродом и водородом и богаче гетероэлементами.

Вкомпонентном составе битумоидов вы деляю тся те ж е ф ракции, что

ив нефти, масла, смолы и асф альтены . М асла — это наиболее легкая фракция битумоида с тем пературой кипения выш е 200 °С и м олекуляр ­ ной массой до 1000. Смолы отличаю тся повыш енной концентрацией ге­ тероэлементов и преж де всего кислорода. А сф альтены наиболее вы со­ комолекулярная ф ракц и я битумоидов с м олекулярной массой до 8000. Их структура представлена конденсированными ароматическими яд ­ рами, по периферии которых располагаю тся циклические и ацикличес­ кие заместители, содерж ащ ие гетероэлементы .

Наиболее легкую часть битумоида, близкую по составу к неф ти, на­ зывают м икронеф тъю . А налитически м икронеф ть вклю чает масла и

часть см олисто-асф альтеновы х компонентов, которы е наименее сорби­ рованы и легко растворим ы в углеводородной части битумоида. М ик­ ронеф ть — это предш ественница нефти. С увеличением дисперсности ОВ доля битумоидов в нем растет. Битум оиды обладаю т способностью лю минесцировать.

Н ерастворимая в водных растворах щ елочей и органических раство­ ри телях часть ОВ составляет его подавляю щ ую часть, которую назы ­ ваю т керогеном. Кероген вы деляю т в лабораториях многократной об­ работкой осадочной породы кислотами до полного растворения мине­ ральной части. Главными составляю щ им и керогена являю тся углерод и водород (С = 48— 92 %; Н = 3,2— 8,9 %).

неф те- и газоматеринским и в соответствую щ их геологических услови­ ях. Н е ф те га зо м а тер и н с к и й п о те н ц и а л — это количество неф ти, ко­ торое м ож ет генерировать данная порода (свита) за всю геологическую историю. Если сравнивать элем ентны й состав неф ти и ОВ, то неф ть от­ ли чается более высоким содерж анием водорода. Отсюда следует, что критерием способности ОВ генерировать УВ служ ит обогащенность его водородом.

Н аиболее быстро получаю т информацию о неф тем атеринской по­ роде в лабораторны х условиях пиролитическим методом при темпера­ ту р ах от 300 до 650 ‘С. П ри пиролизе образуется несколько групп ком­ понентов. которые идентиф ицирую т следую щ им образом: S (I — содер­ ж ан и е в породе преим ущ ественно газообразны х УВ ряд а (С, + С.), вы деляю щ ихся при тем п ературах до 90 ’С; Sj — содерж ание в породе ж идких УВ нефтяного ряда (Cg + С 15); S 2 — углеводороды, генериро­ ванные при тем п ературах вы ш е 300 “С. Сумма (S’, + S,,) представляет собой генетический потенциал породы (кг/т).

Основным показателем качества керогена (или типа ОВ) является водородный индекс HI = S 9/C . По этому показателю можно выделить

М еханизм н еф тегазооб р азо ван и я закл ю ч ается в трансформации органического вещ ества и горных пород при их нагреве, происходящем

в процессе погруж ения. П ри погруж ении и нарастании тем пературы происходит тран сф орм ац ия ф изи чески х свойств породообразую щ их минералов: одни м инералы переходят в другие. При этом происходит потеря летучих компонентов: воды, углекислоты, ж идких углеводоро­ дов, различны х газов. П роисходит дегидратация или деф лю идизация пород, за счет которы х создаю тся зоны разуплотнения, насы щ енны е растворами.

Органическое вещ ество (ОВ) м атеринских пород нефтегазоносны х провинций представлено морским, озерным и угольным типами. Основ­ ными материнскими породами на неф ть и газ являю тся тонкозернистые осадки кремнисто-обломочного и карбонатного составов. Отложение осад­ ков, богатых органикой (Copr > 1 %), обычно ограничено морскими и о зер ­ ными мелководными условиями, при которы х скорость производства органики превосходит скорость ее разлож ения.

Генерация углеводородов породами м атеринских свит — это про­ цесс преобразования керогена. К ероген — это часть ОВ осадков, не р а ­ створимая в б ол ьш и н стве ор ган и ч ески х р аств о р и тел ей и кислот. Кероген составляет более чем 95 % от веса ОВ в молодых осадках до того, как оно подверглось терм ическом у созреванию в процессе погру­ жения породы. С ущ ествует три наиболее распространенны х типа ОВ: сапропелевое (кероген типа I); гумидное (кероген типа III); смеш анное гумидно-сапропелевое с керогеном типа ГГ.

В сапропелевом ОВ реактивная часть керогена дает при благопри­ ятных обстоятельствах в основном ж идкие продукты созревания. В этом типе ОВ инертная часть керогена, переходящ ая в графитоподобную структуру, минимальна. В гумидном ОВ реактивная часть керогена дает преимущественно газообразны й продукт.

ОВ типа II явл яется пром еж уточны м м еж ду типами I и II. Относи­ тельная доля инертного керогена здесь в 2— 3 раза выш е, чем в типе I, но существенно ниж е, чем в керогене III. Поэтому исходный потенциал генерации углеводородов м аксим ален у керогенов типа I и минимален у керогенов типа III.

Нефть и газ — это продукты (результат) низкотем пературной д е ­ флюидизации осадочных пород, обогащенных органическим веществом. Интенсивное погруж ение осадочного бассейна приводит к интенсиф и ­ кации восходящих тепловы х потоков, которые активизирую т процес­ сы нефтегазообразования. Ч ем интенсивнее прогибание земной коры, тем выше уровень реализации неф тематеринского потенциала.

Н еф тем атеринский потенциал со зд ается ещ е в ж ивом вещ естве и оформляется на диагенети ческом этап е ф орм и рован ия н еф тем а -

тери н ски х пород. П овсем естное р асп ростРанение УВ в страти сф ер е д ает основание д л я вы д елен и я углевоЯ °Родно^ сф ер ы (У В -сф еры ) Зем ли . У В -сф ера, как биосф ера и гидросф ера, не им еет четки х огра­ ничений, а р асп олагается в виде углевРД °Р°Доны х растворов в тре- щ инно-поровом п ростран стве верхн ей части л и тосф еры , образован ­ ной осадочны м и и м етам о р ф и ч ески м ^ породам и. У В -сф ер а им еет п ерем енчивую мощ ность от нескольким сотен м етров до 15 км и бо­ лее, хар актер и зу ю щ у ю ся неодинаковой конц ен трац и ей углеводоро­ дов. в 9а.з.пм.чв.ъик. ее частях..

У В -сф ера возникла на ранних стадиях сущ ествования Зем ли одно­ временно с появлением биосферы более 3 млрд лет назад и является результатом взаим одействия биосферы, гидросферы, литосф еры и вер ­ хних оболочек мантии. П риуроченность неф ти и газа к осадочным об­ разованиям явл яется первы м doKa3ameJîbcmeOM неф теобразования за счет погребенного ОВ. В торое доказательство преемственности вещества нефти и былых биосфер — это генетическая информация, сохраненная молекулами-биомаркерами в составе неф™ , о липидах палеоорганизмов как источниках вещ ества нефти. Х а р а к т е р н а черта У В -сф еры — посто­ янное ее обновление. На смену разруш аю щ им ся соединениям и скоп­ лениям УВ в процессе эволю ции земной коры приходят новые порции углеводородов.

Н еф теобразован и ю свойственна м ногоступенчатость природны х процессов преобразования исходного биогенного м атери ала в нефть. Этот принцип вы р аж ается в чередований процессов деструкции и син­ теза, протекаю щ их под действием запа£енн°й ОВ энергии и внешней тепловой энергии. Соотнош ение этих двух видов энергии — запасенной и внеш ней, определяет типы химический преобразований ОВ в осадоч­ ных породах.

На первом э т а п е в условиях седимейТ0генеза и диагенеза происхо­ дит биодеструкция ОВ (жиров, белков, углеводов, лигнина) и синтез из продуктов деструкции разны х типов геополимеров, ф ормирую щ их кероген осадочных пород. О бразую щ иеся на этом этапе углеводородные газы уходят в атм осф еру или в гидроефСРУ-

На в т о р о е э т а п е в условиях катагенеза происходит терм одеструк­ ция геополимеров и терм оката литический синтез неф тяны х и газовых УВ из ф рагм ентов керогеновой ф орм ы рассеянного ОВ. Ж идкие и газо­ образны е УВ образую т растворы . мигрирую т из материнской породы и концентрирую тся в виде скоплений неф ти и газа.

На последую щ их этапах трансф орм ации осадочных пород продук­ там и генерации истощенного ОВ являю тся газы.

ЗА ЭВОЛЮ ЦИЯ О РГА Н И ЧЕСКО ГО ВЕЩ ЕСТВА

ВО САДОЧН Ы Х П О РО ДА Х

Биосфера — это сф ера ж изни живого вещ ества, вклю чаю щ ая в себя всю гидросферу и области атм осф еры и литосф еры , в которых имеет место жизненный цикл. М асса современного живого вещ ества со­ ставляет примерно п • 1013 т, но основная роль органического вещ ества (ОВ) не в его количестве, а в исклю чительной биохимической активнос­ ти, способности приводить в движ ение массы химических элементов, концентрируя и рассеивая их. Б олее того — живое вещ ество и после своей смерти продолж ает определять ход геохимических процессов.

Живое вещ ество состоит из нескольких групп биомолекул сходного строения; белки, углеводы , липиды (ж иры ), а такж е лигнин вы сш их растений. Элементный состав компонентов живого вещ ества заметно варьирует (табл. 3.2). К ром е приведенны х в таблице главных компонен­ тов в живом вещ естве в м алы х количествах присутствую т нуклеино­ вые кислоты, пигменты и витамины .

Таблица 3.2. Элементный состав компонентов живого вещества и нефти, %

Содержание компонентов живого вещ ества в разны х группах био­ продуцентов такж е отличается (табл. 3.3).

Белки — важ нейш ие компоненты живого вещ ества, входящ ие в со­ став клеточной ткани и участвую щ ие в процессе биосинтеза. Б елки я в ­ ляются сложными полимерами, которые состоят из аминокислот. Пос­ ледовательность аминокислот в белке оп ределяет генетический код. После отмирания организма белки быстро гидролизую тся с образова­

нием аминокислот, которые в отдельны х случаях сохраняю тся в иско­ паемом ОВ. Б елки являю тся основным источником азота в ОВ.

Таблица 3.3. Групповой состав биопродуцентов, %

Углеводы слагаю т больш ую часть растительного живого вещества. Их м олекулярная ф орм ула Сп(Н20 )то. У глеводы д ел ятся на две группы, мономерные — моносахариды C fiH p O rt (глю коза и др.) и полимерные (целлю лоза и др.) — продукты конденсации моносахаридов. Углеводы легко потребляю тся микроорганизмами, небольш ая их часть сохраня­ ется в осадке.

Л игнин — инкрустирую щ ие вещ ества, совместно с клетчаткой об­ разую щ ие древесную ткань вы сш их растений. О тносится к числу наи­ более стабильны х компонентов живого вещ ества. В основе химической структуры лигнина л еж ат аром атические кольца, обычно не синтези­ руем ы е животными. Лигнин синтезируется в растениях при дегидра­ тации и конденсации аром атических спиртов.

С точки зрен ия неф теобразования наибольш ий интерес представ­ ляю т липиды и родственны е им полимерны е соединения. Они являю т­ ся обязательной составной частью всех клеток ж и вы х организмов. Это природны е ж иры . К липидам относятся ж ивотны е ж иры , раститель­ ные масла и воски.

В любом биоценозе (совокупности ж ивотны х, растений, грибов и др.) вы деляю т три группы организмов по типу питания:

• п р о д у ц ен ты — производящ ие ж ивое вещ ество из неживого (зе­ лены е растения, водоросли);

•к о н су м ен ты — потребляю щ ие органическое вещ ество продуцен­ тов (все ж ивотные);

•р е д у ц ен ты — разлагаю щ ие и м инерализую щ ие органическое ве­

щество продуцентов и консументов (грибы и бактерии). Основным продуцентом в водоемах явл яется фитопланктон. Неф ­

тем атеринский потенциал ОВ в основном определяется долей липид­ ных компонентов в исходном ОВ. Повыш енной концентрацией липидов

(до 38% сухого веса ) отличаю тся ди атом овы е водоросли, которые из всех групп фитопланктона заним аю т первое место по биопродуктивности. Современные диатомеи синтезирую т более 50 % органического вещ е­ ства. Характерной осбенностью диатомовых и некоторы х других водо­ рослей является их способность накапливать в виде запасны х вещ еств липиды.

Способность водорослей накап ли вать липиды в больш их количе­ ствах может быть использована д л я получения синтетической нефти. Содного квадратного метра водоема можно получать 50 г ОВ, из них 70 % составляют липиды, которы е использую тся для получения дизельного топлива.

Наиболее ш ирокое стратиграф ическое распространение свойствен­ но синезеленым водорослям (цианобактериям), которые сущ ествую т на Земле более 3 млрд лет. В протерозойских бассейнах они были подав­ ляющей формой ж изни и поставщ иком ОВ. А нтибактериальное д ей ­ ствие их липидов предопределило устойчивость их ОВ к микробному разрушению. Н есмотря на невы сокое содерж ание липидов (до 12 %), ОВ синезеленых водорослей х арактери зуется высоким неф тематеринским потенциалом.

Основную массу ОВ составляю т продуценты — основа пищевой цепи. Следующая группа пищ евой цепи — зоопланктон, который питается фитопланктоном. П ри переходе по пищ евой цепи от продуцента к сле­ дующему звену пищ евой цепи масса ОВ сокращ ается на порядок. В ряду ф и то п л а н к то н -зо о п л ан к то н -р ы б ы -х и щ н и к и масса ОВ сокращ ает­ ся в 1000 раз.

Б актери и — наиболее распространенны е представители ж ивого вещества. Благодаря им зона действия живого вещ ества расш иряется до глубины в несколько километров. Б актериям принадлеж ит ведущ ая роль в преобразовании ОВ, в ф ормировании окислительно-восстанови­ тельной обстановки, в воздействии на м инеральную составляю щ ую по­ роды. Геохимическая роль бактерий заклю чается в разлож ении огром­ ных масс растительны х и ж ивотны х остатков. Велика их роль в круго­ вороте углерода, азота, ф осф ора и др. С ж изнедеятельностью бактерий связаны процессы биодеградации неф ти, образования сульфидны х руд, окисления метана на угольных м есторож дениях и др.

Высшие р а с т е н и я так ж е являю тся поставщ иком ОВ, которое пред ­ ставлено главным образом целлю лозой и лигнином. Зам етное количе­ ство липидов накапливается в листьях, спорах, пыльце, коре, плодах и семенах. В построении нерастворимой части керогена участвую т ком­ поненты углеводов, белков и лигнина. В додевонское врем я основными

поставщ иками ОВ были синезелены е водоросли и бактерии. В ту пору вы сш ие растения отсутствовали, поэтому в отлож ениях додевонского периода пыльца, растительны е воски и витринит не наблюдаются.

Н акопление осадков ОВ или сед и м ен тац и я — это сложный процесс взаим одействия геосф ер Земли. Ф орм ирую щ ееся в бассейне ОВ представлено преж де всего фитопланктоном, который при малых разм ерах (микро- и наноуровень) и ничтожной массе отличается чрез­ вычайно высокой продуктивностью (табл. 3.4). Еж егодная продукция С в М ировом океане, по разны м источникам, составляет от 35 до 75 • 10” т. Величина терригенного сноса за год составляет 25 Ю н т. Подавляю щ ая часть биопродукции не доходит до дна, а м инерализуется, образуя ра­

Биологическую продуктивность контролирую т различны е факторы; свет, тем пература, течения, высота водной толщ и и др. В арктических областях, где самые ш ирокие ш ельф ы , продуктивность лимитируется коротким световым днем, в дельтах рек — мутностью воды. Самая бла­ гоприятная тем пература д ля ж изнедеятельности диатомовых водорос­ лей — 5— 15°С.

П роцессы аккум уляц и и и консервации ОВ в осадках определяю тся скоростью накопления м инеральны х частиц, их разм ером , составом, вы сотой столба воды и др. Н аличие обогащ енны х органическим угле­ родом отлож ений характерн о д л я континентального склона (субкларк 1,02 %), что вдвое вы ш е кларка океанического сектора Мирового океа­ на. П ри низкой скорости осадконакопления (до 6 мм за 1000 лет) в осад-

ках сохраняется менее 0,01 % Сорг, при высокой скорости (66— 140 см за 1000 лет) сохраняется до 18 % Сорг. Высокая адсорбционная способность глинистых минералов обеспечивает повыш енные концентрации Сорг в осадках.

М икробиальное преобразован ие ОВ отм ерш их организм ов начи ­ нается практически сразу . У стойчивость разли чн ы х компонентов ОВ к биохимическому р азл о ж ен и ю в о зр астает в следую щ ем порядке: белки — целлю лоза — лигнин —*воски — смолы. П ервыми разлагаю т­ ся белки и углеводы с образованием аминокислот, сахаров, фенолов и др. Большая ж е часть углеводов и белков переходит в водно-раствори ­ мые соединения и гидролизуется.

Накопление ОВ тесно связано со следую щ им этапом в ж изни осадка и ОВ-этапом диагенеза. Диагенез — это процессы преобразования ры х ­ лых осадков в породу в терм одинам ических условиях поверхностного слоя земной коры.

Враннем диагенезе протекание всех процессов определяется д ея ­ тельностью микроорганизмов. Самый ранний этап диагенеза протекает

вверхнем слое осадка толщиной до 0,5 м. В течение этого этапа продолжи­ тельностью до нескольких ты сячелетий образуются железомарганцевые конкреции, фосфориты, цеолиты и др. Второй этап раннего диагенеза про­ текает в осадках до глубин 10 м и характеризуется восстановлением суль­ фатов, ж елеза и марганца. На третьем этапе прекращ ается бактери ­ альная деятельность, происходит локальная цементация и перекрис­ таллизация образовавш ихся минералов. На четвертом этапе происходит превращение рыхлого осадка в крепкую породу (литиф икация) и отжатие лоровых вод.

Вдиагенезе вы деляется три стадии биохимического разлож ения ОВ (рис. 3.7). Биохимическое разлож ен ие ОВ начинается сразу после от­ мирания бионтов в поверхностном слое осадка. Б елки и углеводы под­ вергаются расщ еплению в водной толщ е. В результате в осадках при ­ сутствуют аминокислоты и сахара, содерж ание которых быстро сокра­ щается с глубиной.

Процессы разлож ения ОВ интенсивно проходят в том случае, когда до полного сгорания сущ ествую т окислительные условия диагенеза. При дефиците кислорода скорость деструкции ОВ резко сниж ается, р азр у ­

шение ОВ идет только за счет анаэробны х бактерий.

В зависимости от исходного ОВ содерж ание гуминовых вещ еств в осадках колеблется от 10 до 80 %, причем с глубиной их количество снижается. Липидные вещ ества менее подверж ены изменению в седиментогенезе, что определяется биохимической стойкостью биомо-

лекул. В диагенезе липиды претерпеваю т преобразования за счет ре­ акций гидролиза, гидратации и других реакций, в р езу л ьтате они рас­ падаю тся до кислот, а так ж е об разу ется некоторое количество угле­ водородов. Главны м направлением п ревращ ен и я липидного м атериа­ ла в д и аген езе я в л я е т с я образован ие н ераство р и м ы х компонентов керогена.

Биохимическое

разложение

Поликонденсация

Рис. 3.7. Общая схема эволюции органического вещества с момента его от­ ложения до метаморфизма:

АК — аминокислоты; ГК — гуминовые кислоты; Л — липиды

Б иохим ическая трансф орм ация ОВ сопровож дается интенсивным газообразованием: более четверти ОВ в осадках тер яется в виде газа. Главным компонентом свободных газов в приповерхностны х осадках является метан, который генерируется анаэробными бактериями. Е ж е­ годная биогенерация метана составляет 2,7 • 1014 т. Процессы микроби­ альной генерации м етана с глубиной быстро затухаю т и на первы х мет­ рах прекращ аю тся.

Диагенетический этап является важ ны м моментом геохимической истории органического вещ ества, определяю щ ий ход дальнейш их па­ тогенетических преобразований ОВ и его неф тем атеринский потенци-