Осадочно-миграционная теория нефтегазообразования

Накопленные геолого-геохимические данные позволяют в общих чертах представить в соответствии с осадочно-миграционной теорией модель нефтегазообразования в терригенных породах.

Исходным материалом для всей сложной гаммы углеводородных соединений, входящих в состав нефти и природного газа, является органическое вещество (ОВ), находящееся в литосфере в рассеянной (РОВ) и концентрированной (КОВ) форме.

РОВ присутствует в природе в виде мелких включений (детрит) и тончайших частиц. По условиям образования РОВ может быть автохтонным, т. е. образовавшимся за счет той среды, в которой формировался осадок, и аллохтонным, поступившим в осадок из другой среды. Выделяются два основных генетических типа РОВ - сапропелевый и гумусовый. Сапропелевое РОВ представляют собой продукт преобразования, главным образом, бентоса (водоросли, травы и организмы, населяющие дно водоема и природный слой) и планктона (растительные и животные организмы, проживающие в водной среде). Гумусовое РОВ представляют собой продукт преобразования целлюлозно-лигниного материала наземной растительности. В осадочных породах, как правило, РОВ представляют собой смесь сапропелевого и гумусового ОВ, соотношение долей которого меняется в зависимости от литофациального облика пород и возраста отложений. В докембрийских и нижнепалеозойских отложениях присутствуют ОВ только сапропелевого типа. Наземная растительность появилась в девоне. С верхнедевонскими отложениями связаны наиболее древние промышленные скопления каменного угля.

В осадочных породах содержание РОВ, как правило, не превышает 1-2%. Широко распространены концентрации менее 0.1 %. Наиболее бедны РОВ красноцветные и карбонатные породы. В отдельных случаях концентрация РОВ превышает 20 % (такие породы относятся к горючим сланцам).

Принято оценивать содержание РОВ в осадочных породах по содержанию в них С_орг. Среднее содержание С_орг. в глинистых породах -1-1.1 %, в алеврито-песчаных - 0.3-0.4%, в мергелях - 0.4%, в карбонатах -0.2%.

Литолого-битуминологическими исследованиями установлено, что количество и состав ХБ зависят от типа исходного ОВ и фациального генезиса осадков. Было установлено, что при прочих равных условиях сапропелевая органика более богата ХБ, чем гумусовая.

Представим последовательность процессов, из которых складывается сущность осадочно-миграционной теории нефтегазообразования.

Любая осадочная порода на стадии седиментации (формирования осадка) содержит то или иное количество ОВ. От литофациального облика пород зависит количество и тип ОВ, захороненного в осадке, степень его аэробной преобразованности. Естественно, например, предположить, что условия захоронения липидных компонентов ОВ, являющихся основным источником жидких УВ, в застойных водоемах значительно благоприятнее, чем в русловых фациях или в условиях литорали.

В сформировавшемся осадке на стадии диагенеза в результате микробиальной деятельности из ОВ выделяются газообразные продукты (С0₂, СН»). На этой стадии происходит упрощение структуры ряда соединений, входящих в состав липоидной составляющей ОВ. На этой стадии происходит интенсивное отжатие седиментационных вод, насыщающих осадок. Происходит сокращение объема порового пространства глинистых пород с 60 до 25 %, происходит уплотнение осадка, увеличение его плотности.

Следующая стадия преобразования осадка - катагенез, подразделяется на прото -(ПК), мезо -(MK₁-.₅) и апокатагенез (АКм).

Протокатагенез, соответствующий буроугольной стадии карбонизации гумусовых углей, характеризуется началом процессов новообразования и преобразования УВ путем слабого термолиза и (или) термокатализа (по Н.Б.Вассоевичу). Эти процессы обусловливаются повышением температуры и давления в осадочной породе, испытывающей погружение. К завершению этой стадии катагенеза (соответствует буроугольной стадии карбонизации углей) в РОВ увеличивается содержание ХБ, т. е. возрастает битумоидный коэффициент (ХБ/С_орг).

Стадию мезокатагенеза (МК) принято подразделять на 5 этапов, соответствующих пяти маркам каменных углей – MK₁ (Д-длиннопламенные), МК₂ (Г-газовые), МК₃ (Ж-жирные), МК₄ (К-коксовые) и МК5 (ОС-отощенно-спекающиеся).

Со стадией мезокатагенеза связаны основные события, составляющие процесс нефтеобразования.

На этапах МК) и МК₂ наиболее интенсивно в результате термокатолиза и мягкого термолиза (по Н.Б.Вассоевичу) происходит новообразование жидких и газообразных УВ. С этими этапами связана главная фаза нефтеобразования (ГФН), или главная зона нефтеобразования (по А.Э.Конторовичу).

Исследованиями отечественных и зарубежных геологов (Н.Б.Вассоевич, А.Э.Конторович, С.Г.Неручев, А.А.Трофимук, Ю.И.Корчагина, А.М.Акрамходжаев, Б.Тиссо, Р.Пеле, Д.Вельте и др.) определены основные геолого-геохимические параметры ГФН (ГЗН) (термин ГФН характеризует термобарические условия нефтеобразования, а термин ГЗН определяет положение этих условий в трехмерном пространстве): положение в вертикальном ряду донецкой шкалы углефикации на уровне Д-Г (в отдельных случаях до Ж), температурный диапазон 60-150 °С, кристаллохимические преобразования глинистых минералов (в первую очередь, гидрослюдизация монтмориллонита), возрастание в РОВ коэффициента р, количества УВ, повышение содержания С в элементном составе нерастворимой части ОВ и т.д.

На рис. 23 и 24 приведены изменения коэффициента битуминозное™ и элементного состава ХБ РОВ сапропелито-гумитового и гумито-сапропелитового типов пермских, верхнеюрских и меловых отложений Вилюйской синеклизы. Из сопоставления этих графиков видно, что при наличии общей тенденции в изменении рассматриваемых параметров с увеличением глубины залегания, в то же время присутствуют существенные различия. В РОВ гумито-сапропелитового типа изменения в составе РОВ фиксируются уже с конца стадии ПК и начала MKi (1500-1800 м), тогда как в РОВ сапропелито-гумитового типа увеличение коэффициента, а фиксируется на глубинах 2200-2500 м. Для гумито-сапропелитов характерны более высокие значения коэффициентов р.

С нарастанием степени катагенетической преобразованности РОВ фиксируется снижение коэффициента битуминозности (Р). Для РОВ сапропелито-гумитов это наблюдается на глубинах свыше 4000 м (рис. 23 ), а для гумито-сапропелитов - на глубинах около 2500 м (рис. 24).

Такая динамика изменения ряда параметров РОВ рассматривается большинством исследователей как доказательство эмиграции наиболее мигрантноспособной углеводородной части РОВ из материнских пород в породы-коллекторы. Этот процесс называется первичной миграцией (см. раздел 5.4).

Подобная динамика изменения количественных показателей ХБ, свидетельствующих о процессах новообразования УВ и их эмиграции из материнских пластов, установлена во многих нефтегазоносных бассейнах мира (рис. 25). Из сравнения этих графиков видна однонаправленность процесса. Различие же в глубинах залегания пород, в которых происходят адекватные процессы, определяются влиянием большого количества факторов. К числу этих факторов относятся: температура,давление,

 

 

 

Рис.23. Изменение степени битумииозности и элементного состава ХБ РОВ сапропелито-гумитового типа в пермских -мезозойских отложениях Вилюйской синеклизы в зоне катагенеза.

1 - пермские, 2 - меловые, 3 - верхнеюрские.

 

 

Рис.24. Изменение степени битумииозности и элементного состава ХБ РОВ гумито-сапропелитового типа в пермских -мезозойских отложениях Вилюйской синеклизы в зоне катагенеза.

Усл. обозначения см. рис. 23.

Рис. 25. Зависимость битумоидного коэффициента в глинах и аргиллитах от максимальной глубины погружения в морских терригенных формациях (сапропелевое органическое вещество), по А.Э.Конторовичу (1976).

А - тоарские сапропелевые глины Западно-Европейской платформы (Парижский бассейн); Б - волжско-берриаские сапропелевые глины Западно-Сибирской плиты; В -меловые отложения Западно-Сибирской плиты; Г - майкопские отложения Скифской плиты (Западное Предкавказье); Д - палеогеновые отложения Ферганской впадины. 1 -линии минимальных и максимальных значений; 2 - линии медианных значений.

 

геологическое время (длительность), литологический состав отложений, тип органического вещества, особенности геологического развития, гидродинамические и гидрохимические условия, геотермический режим.

Продолжающееся погружение материнской породы на большие глубины сопровождается повышением пластовых температур. Породы попадают в геотермические условия главной фазы газообразования (ГФГ) - температура от 150 до 200-250°С. Пространственно, это диапазон глубин от 3.5-5 км до 6-9 км, выделяемый в главную зону газообразования (ГЗГ). В шкале углефикации эта фаза приурочена к этапам МК: от NQQ до АК. Этот этап преобразования РОВ характеризуется интенсивной генерацией газообразных УВ (главным образом, метана). В этой зоне происходит глубокая термохимическая деструкция нерастворимой части РОВ.

Экспериментальными данными в ГФГ фиксируется преобладанием в газовой фазе метана. Количество метана в закрытых породах (в расчете на РОВ) возрастает в несколько раз. Генерация УВ - газов синхронно сопровождается почти полной эмиграцией их в породы-коллекторы. В пластовых водах пород-коллекторов В ГНЗ наблюдается максимальная концентрация водорастворенного метана с приближением упругости его паров к давлению насыщения, т. е. к условиям выделения газа в свободную фазу.

Следует заметить, что процесс генерации газообразных УВ более универсален, чем процесс генерации жидких УВ. Образование газов происходит на всех этапах постседиментационной истории преобразования осадка. На этапе протокатагенеза образуется СО₂ и СН₄. В метагенезе в балансе образующихся газов преобладают гомологи метана, образующиеся одновременно и с жидкими УВ.

При довольно четко определяемых термобарических параметрах фаз генерации жидких и газообразных УВ, в осадочных бассейнах мира наблюдаются существенные различия в глубинном положении зон генерации УВ (рис. 26).

Рнс. 26. Глубинная зональность катагенеза РОВ в отложениях некоторых нефтегазоносных регионов мира, по данным Г.М.Парпаровой и С.Г.Неручева.

1 - Поволжье (Волго-Уральская провинция); П- Припятская впадина; III- Днепрово-Донецкая впадина; IV -Вилюйская синеклиза; V - Предкавказье; VI - склон Скифской плиты на границе с Терско-Каспийским прогибом; VII - Мангьшшак; VIII - центральная часть Западно-Сибирской плиты; IX - Восточная Камчатка; X - Аляска; XI -Калифорния; XII - Азербайджан; ХШ - Прикаспийская впадина.

Стадии катагенеза: 1 - ПК; 2 - МК,; 3 - МК₂; 4 - МК₃; 5 - МК,.

Г.М.Парпаровой и С.Г.Неручевым (1981) показано, что наиболее растянутая глубинная зональность (нижняя граница ПК до 3.1 км, МК) - до 4.2 км, МКг - 5 км и глубже) наблюдается в кайнозойских осадочных бассейнах, в синеклизах и впадинах, как молодых, так и древних платформ со значительной толщиной осадочного чехла (8-20 км), в районах проявления соляного тектогенеза. Сжатая глубинная зональность (ПК - до 1.5 км, МК₍ - до 2 км, МК₂ - до 2.4-2.7 км) наблюдается на древних и эпипалеозойских платформах и в районах палеозойской и мезозойский складчатости.

Приведенные данные ' однозначно свидетельствуют об однонаправленности процессов протекающих в осадочно-породных бассейнах (ОПБ). Различия же в глубинах залегания осадков и пород, в которых происходят адекватные процессы, определяются влиянием большого количества факторов. К числу этих факторов относятся: температура (геотермический режим), давление, геологическое время (длительность того или иного процесса), литологический состав отложений, тип органического вещества, его количество, особенности геологического развития, гидродинамические и гидрохимические условия.

Между всеми этими факторами существуют причинно-следственные связи. Все эти причинно-следственные связи существуют в пределах единой системы - в осадочно-породном бассейне (ОПБ).

"Осадочно-породный бассейн" является по Н.В. Лопатину (1983) открытой динамической неравновесной самоорганизующееся системой. Эволюцию ОПБ можно рассматривать как последовательную смену различных условий организации этой системы. В любой системе может быть выделено множество подсистем, которые, в свою очередь, могут рассматриваться как системы.

В системе ОПБ можно выделить три подсистемы - минеральную, водную и углеводородную. Для каждой из этих подсистем характерна определенная совокупность процессов, происходящих в конкретных термобарических условиях. Так, например, в определенном объеме пород ОПБ могут происходить одновременно процессы: литификации осадочных пород, выражающиеся в изменении физических свойств пород, в структурно-вещественных преобразованиях этих пород; термокаталитического преобразования ОВ, приводящего к изменению в нем соотношения углеводородных и неуглеводородных компонентов; фазовые превращения углеводородных флюидов и процессы миграции воды и УВ.

Структура ОПБ полихронна во времени и пространстве. Другими словами, структура ОПБ может быть неодинаковой в трехмерном пространстве (по трем осям координат) вследствие разных глубин залегания пород - в разных частях ОПБ может наблюдаться неодинаковое количественное соотношение трех подсистем (в верхних частях разреза на долю водной подсистемы может приходиться 25 % и более объема этой части системы, а в нижних - менее 10 %; в соответствии с вертикальной зональностью генерации УВ в различных частях ОПБ будут разные объемные соотношения между водной и углеводородной подсистемами, а также различные соотношения газообразных и жидких УВ в углеводородной подсистеме.

Структура процессов, протекающих в системе ОПБ, является синхронной и диахронной. Синхронность их заключается в параллельном течении процессов (литификация пород, катагенез ОВ и генерация УВ, эмиграция УВ и т. д.), а диахронность - в разновременности состояний тгапов, стадий одного процесса в разных участках ОПБ.

Из осадочно-миграционной теории происхождения нефти вытекает, а практика геологоразведочных работ подтверждает, как отмечал Н.Б.Вассоевич (1967 г), что все более или менее крупные области устойчивого опускания земной коры, выполненные как субаквальными отложениями, так и образованиями континентального генезиса достаточной толщины (не менее 1,5-2 км) являются зонами генерации УВ. И оценка перспектив нефтегазонасыщенности тех или иных территорий в настоящее время базируется на положениях этой теории.

Заключая раздел, рассматривающий генезис УВ, следует, однако, заметить, что признание генетической связи нефти и газа с фоссилизированным в осадочных породах ОВ, отнюдь не исключает абиогенное происхождение некоторых углеводородных соединений, главным образом, метана. И говоря, в принципе, о дуалистической природе УВ, несомненно то, что доля абиогенных УВ ничтожно мала по сравнению с количеством УВ, явно органического происхождения.