Применение стабильных изотопов легких элементов в газовой геологии

Исследование изотопного состава элементов природных объектов применительно к нефтегазовой геологии и геохимии развивается в двух основных направлениях. Первое направление прикладного характера предполагает решение задач на основе выявленных к настоящему времени закономерностей поведения изотопов в различных геологических и геохимических условиях; второе — связано с поиском новых возможностей применения изотопии легких элементов.

В настоящей статье основное внимание акцентируется на прикладном аспекте использования изотопии легких элементов. Прежде всего это касается разработки методологии поисков и прогнозирования распределения залежей углеводородов. Такая проблематика распадается на ряд частных задач.

Роль различных элементов при решении задач неодинакова. Для выяснения генетической связи исходного органического вещества и продуктов его преобразования, а также для идентификации преобладающих механизмов нефтегазообразования в различных участках нефтегазоносного бассейна успешно применяется изотопия углерода.

Выявление зон преимущественного нефте- или газообразования, оценка масштабов газообразования и установление комплексов с интенсивной газогенерацией выполняется с привлечением изотопии аргона и углерода. Определение формы и путей миграции углеводородов возможно при использовании аргона, водорода, гелия и углерода. Для оценки сохранности залежей углеводородов можно применять изотопию аргона, водорода, углерода, серы.

Изотопный состав каждого элемента изучаемого объекта определяется совокупностью факторов. В ряде случаев различные факторы могут привести к одним и тем же изменениям изотопного состава элемента, поэтому па изотопии одного элемента трудно выделить доминирующий процесс, контролирующий современный изотопный состав. Различный характер изменения изотопного состава элементов под действием одного фактора позволяет, привлекая изотопию нескольких элементов при изучении одного процесса, получить более определенную информацию в целом о процессе.

Методология использования данных по изотопному составу элементов для характеристики условий нефтегазонакопления основывается на сопоставлении экспериментально полученных изотопных характеристик с теоретически ожидаемыми значениями, представленными в виде шкал либо изотопно-геохимических моделей. Первый опыт использования зависимости изотопного состава углерода метана от геологических и геохимических условий, представленной в виде шкал, применен нами при изучении нефтегазонакопления в восточной части Туранской плиты.

На рис. 1 приведен схематический профиль мезозойских отложений Амударьинской синеклизы, на котором в пределах каждой области на уровне средних глубин опробования показаны усредненные экспериментальные значения bC13 метана для отдельных газоносных комплексов. На том же рисунке приведены шкалы изменения ожидаемого изотопного состава метана, генерируемого сапропелевым и гумусовым веществом в зависимости от стадии катагенеза. Эти шкалы построены в соответствии с зависимостью, представленной на рис. 2.

На основании обобщения значительного числа фактических данных и теоретических представлений на рис. 2 схематически показана зависимость изотопного состава углерода метана от природы исходного органического вещества, преобладающего механизма его преобразования и стадии катагенеза. Как видно, изотопный состав углерода метана широко варьирует: от -8,0 до -2,0%. Наблюдается общая тенденция к повышению концентрации изотопа С13 в метане по мере преобразования органического вещества. В верхней зоне осадочных пород (рис. 2, участок а) встречается метан, максимально обогащенный легким изотопом углерода. Особую обогащенность метана изотопом С12 можно рассматривать как результат биогенного фракционирования. В таком газе гомологи метана практически отсутствуют. Мощность биохимической зоны достигает 500 м. В более погруженных отложениях образование метана преимущественно связано с диссоциативными процессами. Определяющим на этой стадии становится фракционирование изотопов, обусловленное внутримолекулярным биогенным изотопным эффектом (участок в). Метан, образующийся на стадиях катагенеза Д, Г, Ж, соответствующих главной фазе нефтеобразования (по Вассоевичу), не обнаруживает зависимости величины изотопического смещения от степени превращенное™ органического вещества и температурных условий и имеет значение bС13 около -3,5% (рис, 2, участок с). Выход гомологов метана на этой стадии наиболее высокий, включая крекинг нефти. На заключительных стадиях катагенеза вновь образуются газы преимущественно метанового состава. Изотопный состав метана, образующегося на поздних стадиях катагенеза, практически совпадает с изотопным составом исходного органического вещества и составляет в среднем —2,5% (рис, 2, участок d). Изотопный состав метана, образующегося в результате разложения углеводородов нефти, должен быть изотопически легче (bC13 = от -4,5 до -5,5%) метана, образующегося на зрелой стадии превращения органического вещества. Эта ситуация на схеме отражена участком е.

Изотопный состав углерода метана по разрезу осадочной толщи определяется не только природой физико-химических преобразований, но связан также с перераспределением газов за счет миграции. При этом миграционные процессы могут привести к смешиванию газов с различным составом углерода, либо к потере изотопно-легких газов ранних стадий генерации. Возвращаясь к рис. 1, необходимо отметить, что при составлении шкал принято, что газы, генерированные на ранних стадиях катагенеза, утрачены (рассеяны).

Соответствие экспериментальных значений bС13 метана теоретически ожидаемым свидетельствует о сингенетичности газов. Указанные значения на рис. 1 обведены двойными кружками. К ним относятся газы кимеридж-титонского и апт-неокомского комплексов Мургабской впадины и келловей-оксфордские газы Чарджоуской ступени.

В свою очередь повышенная концентрация изотопа С13 по сравнению с ожидаемыми значениями указывает на формирование этих залежей за счет миграции изотопно-тяжелого метана из погруженных зон синеклизы. К таким газам относятся залежи Бухарской ступени и газы неокомаптских и альб-сеноманских отложений Чарджоуской ступени. На рисунке они обведены одинарными кружками.

Напротив, более изотопно-легкий метан по сравнению с ожидаемым объясняется сохранностью газов ранних стадий генерации, что характерно для альб-сеноманских отложений Мургабской впадины.

Распределение изотопов углерода метана в газах подтверждает гипотезу о формировании газовых месторождений за счет генерации газа в центральных частях синеклизы с последующей миграцией к бортам и образованием многопластовых залежей в зоне выклинивания солей.

Поскольку изучение миграции имеет важное значение для решения проблемы направленных поисков нефти и газа, этому процессу следует уделить особое внимание. Изучение инертных компонентов и, в частности, изотопного состава гелия и аргона в этом плане представляет особый интерес.

Изотопный состав гелия природных газов в общем случае зависит от возраста коллектора. От кайнозойских к палеозойским породам отношение He3/He4 изменяется от 90*10в-8 до 3*10в-8. При поступлении гелия из пород фундамента он максимально обогащен изотопом с массовым числом 4. В случае поступления в залежи газов из подкорковых зон изотопный состав гелия должен изменяться в пользу легкого изотопа He3 Характеристические значения изотопного состава гелия природных газов позволяют получить дополнительную информацию перераспределения газов в стратисфере.

Аргон углеводородных залежей накапливается в результате поступления воздушной и радиогенной составляющих. Источником радиогенного аргона могут быть калийсодержащие минералы осадочных пород, фундамента и мантии Данные о содержании радиогенного аргона в газах при решении вопросов нефтегазонакопления имеют подчиненное значение. Это обусловлено тем, что радиогенный аргон поступает в газонефтяные залежи из разных источников и вклад каждого трудно оценить количественно.

Наиболее интересным показателем, характеризующим процессы нефтегазонакопления, является содержание воздушного аргона, поскольку существует экспериментально подтвержденная модель поступления воздушного аргона во флюиды осадочного чехла и выявлены закономерности, приводящие к изменению указанного параметра при нефтегазонакоплении. Согласно этой модели, пластовые воды осадочной толщи во время осадконакопления были поверхностными и растворяли аргон атмосферы до равновесного состояния. Из раствора аргон переходит в газовую фазу совместно с другими газами, такими, как углеводороды, азот, углекислота, способными на локальных участках преодолеть гидростатическое давление.

Положения этой модели, при условии фазового равновесия по аргону предполагают существование предельно возможной концентрации и упругости воздушного аргона в природных газах. Рассчитанные нами кривые изменения предельно возможной концентрации и упругости воздушного аргона в газовой фазе в зависимости от гипсометрического положения залежи показаны на рис. 3. Из сопоставленных расчетных и экспериментальных данных видно, что в среднем измеренные значения на порядок меньше расчетных. Низкие концентрации и упругости воздушного аргона объясняются в основном разбавлением аргона углеводородами в зонах интенсивного газообразования. При этом фазовое равновесие между растворенным и свободным аргоном устанавливается в ограниченном объеме пластовой системы и не распространяется на всю систему в целом.

В углеводородах, мигрирующих из зон генерации в газовой фазе, накапливается как воздушный, так и радиогенный аргон. Это определяется тем, что упругость аргона в таком газе ниже, чем в пластовых водах, приуроченных к зонам с низкой газогенерацией.

Чем больше протяженность путей миграции газа и нефти, тем больше накапливается аргона, почти до предельной расчетной величины. Такая картина проявляется для шести нижнемеловых залежей, расположенных по воздыманию Прикумско-Тюленевского вала. В направлении предполагаемой миграции обнаружено последовательное увеличение концентрации воздушного аргона от 33 до 91 ч/млн. и радиогенного — от 45 до 102 ч/млн. Изотопный состав углерода метана при вертикальной миграции практически не изменяется.

При струйной миграции газа из зон газогенерации совместно с углеводородами выносится и аргон. Последующее газообразование в этих зонах приведет к еще большему обеднению газов и вод воздушным аргоном и к увеличению доли радиогенного аргона по отношению к общему. Такая ситуация наблюдается в келловей-оксфордских отложениях Чарджоуской ступени, где концентрация воздушного аргона составляет всего 3-9 ч/млн., а доля радиогенного аргона достигает 65%.

Следует отметить, что при струйной миграции газа из зон газогенерации в этих зонах наряду с изменением изотопного состава аргона меняется и изотопный состав углерода метана, поскольку теряется изотопически легкий метан ранних стадий генерации. Наиболее контрастно приведенная картина проявляется в том случае, когда вертикальная миграция сопровождается потерей газов осадочной толщи в атмосферу.

Подобная ситуация наблюдается в Южном Дагестане. Здесь обнаружено весьма высокое обогащение аргона радиогенным изотопом, достигающее 93% при низком содержании воздушного аргона (6—13 ч/млн.), причем метан по изотопному составу (bC13 - 4%) тяжелее, чем можно было бы ожидать, предполагая генерацию его в отложениях современной локализации газа.

Другим примером перераспределения газов, отразившимся на изотопном составе углерода и аргона, может быть Западно-Сибирская гагата. Здесь газы юрско-валанжинского комплекса в существенной мере были утрачены в атмосферу до отложения турон-палеогеновой покрышки, а после ее отложения, вероятно, мигрировали в ловушки покурской серии. При этом концентрация воздушного аргона в газах юрско-валанжинского комплекса снизилась до 4—7 ч/млн., а bС13 метана повысилась до -4%. Сингенетический газ покурской серии существенно отличается по изотопным характеристикам; Ar возд. -около 100 ч/млн. Смешение в разных пропорциях сингенетических газов покурской серии с газами юрско-валанжинского комплекса (обусловленное уменьшением мощности и ухудшением изолирующих свойств глин, разделяющих газоносные комплексы, от центра депрессии ка северо-восток) явилось причиной широких вариаций изотопного состава углерода метана и содержания воздушного аргона в залежах углеводородов покурской серии и ее аналогов и обусловило линейную зависимость между величинами Ar возд. и bC13.

Степень сохранности залежей обусловлена не только потерями углеводородов при миграции в газовой фазе, но и растворением их в пластовых водах. Наиболее существенное рассеяние углеводородов можно ожидать при контакте залежи с инфильтрационными водами. Выяснить характер водообмена представляется возможным по изотопному составу аргона газов и водорода вод.

Использование водорода основано на различии изотопного состава водорода седиментогенных вод морских водоемов и крупных бессточных озер, с одной стороны, и подземных вод, образующихся в результате инфильтрации пресных вод, — с другой. Указанное различие возникает в результате фракционирования изотопов при кругообороте природных вод, что приводит к обеднению дейтерием пресных вод по сравнению с морскими.

Метеорные воды, обладая низкой концентрацией дейтерия, содержат вместе с тем предельную, согласно модели растворимости, концентрацию воздушного аргона. В случае движения инфильтрационных вод относительно залежи в газовую фазу будет поступать воздушный аргон, при этом доля радиогенного аргона по отношению к общему аргону будет снижаться.

Совместное исследование изотопного состава аргона газов и водорода вод выполнено нами для Амударьинской синеклизы. Для верхних комплексов выявлена корреляция концентрации дейтерия вод с содержанием воздушного аргона в контактирующих газах. С повышением концентрации дейтерия вод содержание воздушного аргона в контактирующих газах падает.

Такой характер изменения концентрации дейтерия и аргона указывает на увеличение степени застойности пластовых вод в связи со стратиграфическим и гипсометрическим погружением водоносных комплексов, и на то, что значительная часть воздушного аргона поступила в газовые залежи меловых и верхнеюрских отложений Бухарской ступени из инфильтрационных вод Однако даже в случае поступления воздушного аргона с инфильтрационными водами его концентрация в газах, приуроченных к областям с интенсивной газогенерацией, редко достигает предельной величины, рассчитанной согласно модели растворимости.

Исходя из установленного нами существенного влияния масштабов газообразования на концентрацию воздушного аргона, следует ожидать, что содержание его в газах, приуроченных к преимущественно газоносным областям, должно быть ниже такового для газов, приуроченных к преимущественно нефтеносным областям. По измеренным данным содержание воздушного аргона в газах преимущественно газоносных областей в среднем в четыре раза меньше по сравнению с преимущественно нефтеносными (рис. 4).

Выявленная закономерность еще раз подтверждает возможность использования концентрации воздушного аргона в газах для оценки масштабов газообразования.

Таким образом, исследование изотопного состава легких элементов является действенным инструментом при решении актуальных задач газовой геологии.