книги / Нефтегазовое дело. Полный курс
.pdf•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 %).
3.3. |
КОНЦЕПЦИЯ О Б Р А ЗО В А Н И Я У ГЛ ЕВО ДО РО Д О В |
|
Почти все осадочные породы, содерж ащ ие ОВ, могут быть |
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
три типа керогена: |
|
|
• первы й т и п : |
HI > |
600 мг У В /г С ; |
• в т о р о й т и п : |
HI = |
300 — 600 мг У В /г С ; |
• т р е т и й т и п : |
HI < 300 мг У В /г С . |
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
3.4.1. |
И сходны й м атер и ал о р га н и ч е с к о го в е щ е с тв а |
|
о с а д о ч н ы х п о р о д |
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, %
Вещество |
С |
н |
О |
|
N |
S |
Белки |
50—55 |
— |
19,5—24 |
|
15—19 |
— |
Углеводы |
40—45 |
6,1—6.6 |
50— 53 |
|
— |
— |
Лигнин |
62—69 |
4,5—6,5 |
30 |
|
— |
— |
Липиды |
72—79 |
11— 13 |
10— 12 |
|
— |
— |
Нефть |
85 |
13,5 |
0,7 |
1 |
0,3 |
0,5 |
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, %
Биопродуценты |
Липиды |
Белки |
Углеводы |
Лигнин |
Зеленые растения |
<5,0 |
5— 10 |
>50 |
>25 |
Фитопланктон |
5— 20 |
24—48 |
30—65 |
— |
Зоопланктон |
10— 22 |
65 |
20 |
“ --------- |
|
||||
Бактерии |
20 |
до 60 |
20 |
— |
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.
3 .4 .2 . |
Н а к о п л е н и е и п р е о б р а з о в а н и е |
|
о р га н и ч е с к о го в е щ е с т в а в д и а г е н е з е |
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
ство р ен н ы е ор ган и ч ески е |
соеди н ен и я, поэтом у |
со д ер ж ан и е С |
в |
осадках не превы ш ает 1 %. |
|
|
|
Таблица 3,4 Распределение годового производства углерода |
|
||
по различным областям, % |
|
|
|
Область |
Биомасса |
Годовая продукция |
|
Сфера почв |
99,73 |
36,98 |
|
Болота |
0,12 |
0,92 |
' |
Озера, реки |
0.01 |
1,09 |
|
Океан |
0,14 |
61,01 |
| |
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
|
|
Переход |
|
|
|
в нерастворимое |
|
s 100 |
|
состояние |
|
« |
|
Геополимер |
J |
1000 -J |
|
Термальное |
|
|
|
разложение |
|
и - ■Газ ' Т ^ " 'оч,|ш11Обумера- |
* |
||
| |
Я углерод |
|
|
10000О20 40 60 80100 0 |
. 'рицдм---- * живание |
|
|
20 40 60 80100 |
" Г ” |
|
|
Содержание Состав рассеянного |
|
|
|
воды. вес. % |
органического |
|
|
|
вещества |
|
|
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-