Зональность нефтегазообразования в земной коре по данным изотопных исследований » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Зональность нефтегазообразования в земной коре по данным изотопных исследований

16.04.2021

Как известно, газообразование — это процесс, гораздо более широко распространенный, чем образование нефти. Генерация углеводородных газов идет по всей толще осадочных пород как в приповерхностных слоях земной коры, так и в ее более глубоких слоях. Проведенные исследования показали, что в зависимости от условий генерации образующиеся углеводородные газы характеризуются строго определенным изотопным составом, что является весьма надежным диагностическим признаком их генезиса.

В пределах осадочной толщи пород по изотопному составу углерода четко выделяются 2 группы газов: газы биохимического генезиса и газы термокаталитического генезиса (см. рисунок).

Газы биохимического генезиса. В результате сложных биохимических процессов разложения органического вещества образуются так называемые биохимические газы по составу азотно-метановые, метановые, углекислометановые. Биохимические газы встречаются и в поверхностных условиях и на значительных глубинах (до 800-1000 м). Характерной особенностью метана биохимического генезиса является самое высокое из обнаруженных в природе содержание легкого изотопа; bC13 от -6,0 до -9,5%. Углекислота же биохимических газов тяжелая по изотопному составу: bC13 от -0,1 до -1,2%. Причем распределение изотопов углерода между метаном и углекислотой оказалось близким к изотопно-обменному в системе CO2-CH4 при нормальных условиях (при T = 25°, К = 1,06). В связи с этим было высказано предположение о том, что распределение изотопов углерода в биохимических газах связано с изотопно-обменной реакцией, катализируемой бактериями.

Наряду с процессами генерации метана интенсивно идут процессы бактериального окисления органического вещества и углеводородов. Исследования показали, что при окислении бактерии предпочтительнее усваивают легкие молекулы, а остаточные обогащаются тяжелым изотопом углерода. Наблюдается определенная специфика изотопного состава углерода углекислоты, образующейся при процессах генерации и окисления. Углерод углекислоты процессов генерации метана несколько тяжелее (bC13 в среднем от -0,1 до -1,2%) углерода углекислоты, образующейся при процессах бактериального окисления (bC13 в среднем от -2,0 до -2,5%). Такая специфика изотопного состава углерода позволяет выявлять зоны генерации и окисления.

Газы термокаталитического генезиса. По мере погружения осадков роль биохимических процессов затухает, и на глубинах более 1500—1800 м основную роль в образовании углеводородов играют термокаталитические процессы разложения органического вещества. Как показали проведенные нами исследования, образующийся при этом метан заметно отличается от метана биохимического генезиса повышенным содержанием тяжелого изотопа (bС13 от -3,5 до -5,5%). Вместе с тем, как и биохимический, метан термокаталитического генезиса характеризуется повышенным содержанием легкого изотопа по сравнению с исходным органическим веществом, что обусловлено изотопно-кинетическим эффектом, сопровождающим процесс его разложения.

Изотопный состав углерода индивидуальных газообразных компонентов, образующихся в этих условиях в значительных количествах, различен. Исходя из особенностей распределения изотопов углерода в гомологах метана (увеличение содержания изотопа С13 с ростом молекулярного веса), можно говорить об определенной направленности процессов образования углеводородов, а именно о процессах разложения сложных высокомолекулярных соединений.

Обобщая вышеизложенное, следует подчеркнуть, что основными, можно сказать, первичными факторами, определяющими тот или иной изотопный состав углерода газов, являются условия их образования и своеобразие процессов, соответствующих данным условиям.

В геологических условиях нефтегазоносных бассейнов переход от биохимической зоны преобразования органического вещества к термокаталитической осуществляется постепенно, что удается проследить как по химическому составу газов, так и изотопному составу их углерода. Поэтому нами выделена переходная зона преобразования органического вещества. В переходной зоне, приходящейся на глубины от 800—1000 до 1700 м, преобразование органического вещества идет за счет биохимических (затухают) и термокаталитических (начальная стадия) процессов, В этой зоне генерируется метан с bC13 от -5,5 до -6,5% и небольшое количество гомологов метана (десятые доли процента).

В последние годы в связи с увеличением глубин бурения в низах термокаталитической зоны преобразования органического вещества отмечено появление метана, изотопно облегченного. Образование изотопно легкого метана связано с разложением сложных нефтяных углеводородов при высоких температурах. Рассмотрение изотопного состава углерода газообразных углеводородов, образующихся при различных условиях и процессах преобразования органического вещества (табл. 1), позволяет выделить следующие зоны газообразования в земной коре:

- первая - верхняя зона газообразования, отвечающая биохимической и переходной зонам преобразования органического вещества;

- вторая - средняя термокаталитическая зона газообразования, отвечающая термокаталитической зоне преобразования органического вещества и совпадающая с зоной нефтеобразования;

- третья — нижняя высокотемпературная зона газообразования.
Зональность нефтегазообразования в земной коре по данным изотопных исследований

Верхняя зона газообразования приходится на биохимическую и переходную зоны преобразования органического вещества и охватывает глубины от поверхности седиментогенеза до 1700—1800 м. В верхней части зоны до глубины 800—1000 м преобладают газы биохимические с высоким содержанием изотопа С12 (bC13 от -5,5 до -9,5),

Исследование изотопного состава углерода метана и углекислоты свободных газов показало, что уже на глубинах десятков метров, ниже первого водоупора, процессы генерации превалируют над процессами окисления и происходит накопление биохимического метана. Интенсивность генерации метана в биохимической зоне огромна. Даже при незначительной доле захоронения биохимического метана следует ожидать крупные промышленные его скопления. До последнего времени считалось, что газы биохимического генезиса полностью рассеиваются в атмосфере и не имеют практического значения. И только с проведением изотопных исследований представилось возможным оценить промышленную значимость этих газов. Такие залежи выявлены в третичных и четвертичных отложениях нашей страны: газовые месторождения Ставрополья (Расшеватское, Тахта-Кугультинское, Северо-Ставропольское, Кучирлинское, Прасковейское и др.) с залежами на глубинах от 400 до 1100 м; газовые месторождения в эоцене Северного Устюрта (Жаксыкоянкулак, Жаманкоянкулак, Кзылойское, Чикудукское) с залежами на глубине 300-650 м; в неоген-четвертичных отложениях Японии на глубинах до 1100 м, в отложениях третичного возраста в Италии. Газами биохимического генезиса насыщены дельтовые отложения больших рек — Волги, Хуане, По, Янцзы и др. Обобщенные результаты измерений изотопного состава этих газов приведены в табл. 2.

По составу газы газовых месторождений состоят практически на 100% из метана, гомологи метана содержатся в виде следов. Изотопный состав углерода газов колеблется в пределах bC13 от -6,65 до -7,50%.

Газовые скопления моренных отложений западной и центральной частей Русской платформы, дельтовых отложений р. Волги (изучены до глубин 300 м) представлены чистым метаном, имеющим изотопный состав углерода bС13 от -8,30 до -9,50%.

Данные по химическому составу углеводородов и изотопному составу углерода позволяют рассматривать биохимическую зону как самостоятельную зону генерации углеводородных газов. Образованию газовых залежей биохимического генезиса благоприятствует непрерывное и относительно быстрое погружение дна бассейна седиментации и переслаивание песчаных и глинистых слоев.

По мере погружения осадков, на глубинах с 800-1000 м до 1700—1800 м преобразование органического вещества идет за счет биохимических (затухают) и термокаталитических (начальная стадия) процессов. В этой зоне генерируется метан (bC13 от -5,5 до -6,5%) и небольшое количество гомологов метана. С углеводородами этой зоны связано формирование крупнейших залежей газы метанового состава (табл. 3).

Так, крупнейшие газовые месторождения сеномана севера Тюменской области - Уренгой, Медвежье, Заполярное, Губкинское, Комсомольское, Выгнояхинское, Вынгапуровское, Арктическое и другие - сформировались за счет углеводородов, образовавшихся при процессах биохимических и неглубокой стадии метаморфизма органического вещества (буроугольная — начальная длиннопламенная), что соответствует условиям переходной зоны. Глубины залежей находятся в пределах 700—1250 м, по составу газы чисто метановые, с содержанием гомологов метана 0,1—0,2%, изотопный состав углерода колеблется в пределах bC13 от -5,75 до -6,50%.

Данные по изотопному составу углерода метана исключают существующие представления некоторых исследований о формировании газовых месторождений в сеномане за счет миграции газа из отложений нижнемелового и юрского возрастов.

С биохимической и переходной зонами преобразования органического вещества связано свыше 50% промышленных запасов углеводородных газов России.

Таким образом, по изотопному составу углерода устанавливается верхняя зона газообразования, связанная с биохимической и переходной зонами преобразования органического вещества и приходящаяся на глубины от первых десятков метров до 1500—1700 м. С верхней зоной газообразования могут быть связаны крупные чисто газоносные бассейны, как это имеет место для сеномана Западной Сибири или третичных отложений Ставрополья.

Средняя — термокаталитическая зона газообразования, по глубине находящаяся ниже 1500-1700 м, отвечает термокаталитической зоне преобразования органического вещества. Здесь генерируется метан, гомологи метана и нефти, С углеводородами термокаталитической зоны связаны все нефтяные и нефтегазовые месторождения. В табл. 4 приводятся обобщенные данные по изотопному составу углерода метана газовых и нефтегазовых месторождений термокаталитической зоны различных бассейнов Hjccbb (Ухта, Нижнее Поволжье, Средняя Азия, Зап. Сибирь и др.). Изотопный состав углерода метана этой зоны колеблется в пределах bC13 от -3,6 до -5,8%, При этом наблюдается четкое различие изотопного состава углерода метана чисто газовых, газонефтяных и нефтяных месторождений. Как правило, углерод метана газовых залежей легче в изотопном отношении углерода нефтегазовых и газоконденсатных. Это различие не связано с глубиной залегания и, следовательно, не является следствием различных условий преобразования органического вещества. Принимая этот факт, а также особенности геологического строения изученных районов и характер распределения и размещения в них залежей нефти и газа, мы предполагаем, что обнаруженное различие в изотопном составе метана газовых и нефтегазовых залежей обусловлено дифференциацией жидких и газообразных углеводородов в процессе миграции. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность разделения изотопов углерода в процессе дифференциации однофазового газообразного флюида при формировании залежей. Причем величины изотопного эффекта, обусловливающие различие в изотопном составе углерода метана свободного газа и газа, так или иначе связанного с нефтью, имеют один и тот же порядок (0,5-1%) как по экспериментальным данным, так и по наблюдениям в природных условиях.

Анализ имеющегося материала по изотопному составу углерода метана нефтяных, нефтегазовых и газовых месторождений термокаталитической зоны позволяет считать, что в термокаталитической зоне идут процессы нефтеобразования и газообразования.

При этом эти процессы в разрезе осадочных образований в общем виде соответственны зоне от 1800-2000 м до 5-6 км. Вариации глубин находятся в зависимости от величины температурного градиента того или иного бассейна.

В зависимости от характера бассейна седиментации и типа органического вещества могут генерироваться преимущественно нефти (при преобладании липидной части органического вещества), и тогда следует говорить о фазе нефтеобразования. Изотопный состав углерода метана нефтегазовых месторождений этой зоны колеблется от -3,0 до -5,8%. При преобладании гумусовой (лигниновой) части органического вещества генерируются газы, и тогда следует говорить о фазе газообразования. Изотопный состав углерода газов этой зоны колеблется в пределах от -3,0 до -4,1%.

Для газов комплексов осадочных образований, где генерируется нефть, характерно наличие в сравнительно высоком проценте гомологов метана. Газы же газоносных комплексов разреза — преимущественно сухие, для их залежей характерно наличие газоконденсатных оторочек. По изотопному составу углерода эти газы более тяжелые. Интенсивность процессов нефтеобразования в пределах зоны не одинакова, наибольшая интенсивность приходится на глубины 2,0-3,5 км, которая выделена Н.Б. Вассоевичем под названием главной фазы нефтеобразования (ГФН). По изотопному составу углерода подразделить зону нефтеобразования на различные подзоны не представляется возможным.

Известные газовые месторождения Амударьинского бассейна (Газли, Шатлык, Джу-Джуклы и др.), восточной части ДДВ (Шебелинка и др.) относятся к термокаталитической зоне газообразования.

Нижняя — высокотемпературная зона газообразования. С увеличением глубины, вероятно, с глубин более 6000—7000 м (стадия метагенеза), в результате термокаталитических и термических процессов допускается разложение сложных углеводородов до метана, что проявляется в Относительном обогащении метаном газов этой зоны. Подобный процесс, вероятно, должен привести к некоторому обогащению образующегося метана легким изотопом по сравнению с метаном нефтегазовых месторождений.

Наличие изотопно-легкого метана на значительных глубинах было установлено в различных нефтегазоносных бассейнах. Так, например, аномальные значения величины bC13 метана наблюдаются: в Нижнем Поволжье (Усть-Погожское, 5117 м - 4,85%), в Западно-Туркменской низменности (Котур-Тепе, 3963 м - 5,71%; Комсомольское, 4715 м -5,62%), в Терско-Сунженском прогибе северо-восточного Кавказа (Эльдарово, 4146 м - 4,90%). По-видимому, для каждого нефтегазоносного бассейна значение геотермического градиента контролирует глубину проявления нижней газовой зоны,

Подмеченное явление деструкции сложных углеводородов с образованием изотопно-легкого метана относится к самым верхам высокотемпературной зоны (или низам термокаталитической) и не позволяет оценить масштаб этих процессов в общем балансе углеводородных газов земной коры. Пока мы не встретили газовых залежей высотемперагурной зоны газообразования, представленных изотопно-легким метаном.

В зонах глубокого погружения осадочных пород, на глубинах свыше 6-7 км, возможно образование газообразных углеводородов за счет продолжающегося при высокой температуре и давлении метаморфизма органического вещества,

В этом случае здесь должны образоваться газы сухие, метановые, изотопно-тяжелые. По изотопному составу углерод этих газов должен приближаться к составу исходной органики (от -0,2 до -3,0%). Такие газы встречены в угленосном бассейне на северо-западе ФРГ в крупном месторождении Золенген, где газы сухие с изотопным составом углерода bC13 - 2,6%. В работе Э.М. Галимова приводится анализ наиболее изотопно тяжелого газа (bС13 = -2,64%) из Гаурдакской соленос-ной толщи верхней юры Мургабской впадины с глубины 3500 м. Эти данные могут свидетельствовать о наличии в погруженной части Мургабской впадины промышленных залежей изотопно-тяжелого газа. Известные же к северу газовые месторождения (Шатлык и др.) имеют более легкий изотопный состав.

В последнее время в научной литературе мы встречаемся со статьями, где выделяется главная зона газообразования, приходящаяся на глубины выше 6 км. Еще ранее с такой зоной газообразования связывал основные ресурсы газов осадочной толщи В.А. Соколов.

Возможно, авторы, выделяющие главную зону газообразования на глубинах свыше 6 км, и правы, но необходимых материалов к утверждению ее на природных объектах, за исключением приведенных примеров, мы не встретили. Вероятно, это связано со слабой изученностью нижних частей разреза осадочной толщи, особенно в областях глубокого погружения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: