Метод люминесцентной микроскопии при изучении битуминозности горных пород
Г.П. КОЛПЕНСКИЙ
В данной статье изложены результаты сравнительного изучения битуминозности осадочных пород при помощи разработанной нами методики люминесцентной микроскопии, которая применялась в сочетании с другими люминесцентно- битуминологическими методами.
Объектом для изучения была выбрана Восточно-Черновская нефтеносная структура Куйбышевской области (см. рисунок).
Отобранный керновый материал в количестве 710 образцов был подвергнут предварительному изучению при помощи люминесцентно-эталонного и капиллярного анализа (по методике В. Н. Флоровской [7]) и дополнительно охарактеризован при помощи анализа с применением селективных растворителей (по методике Н.М. Галактионовой и В.В. Ильинской [2]).
Наиболее характерные типы битумов дополнительно изучались при помощи компонентно-люминесцентного анализа, и производилось определение их элементарного состава.
Из всех образцов были приготовлены пришлифовки путем распиливания кусков керна на пластинки, которые полировались на шлифовальном станке. Эти пластинки изучались при помощи люминесцентного микроскопа при освещении их вертикально падающими ультрафиолетовыми лучами через светофильтр УФС-3 (максимум пропускания 360 ммк).
Из пластинок, в которых было обнаружено характерное распределение битумов, изготовлялись два шлифа. Один шлиф, предназначенный для изучения петрографического состава пород, изготовлялся обычным способом на пихтовом бальзаме и покрывался покровным стеклом. Другой шлиф, предназначаемый для изучения битуминозности при помощи люминесцентного микроскопа, изготовлялся на нелюминесцирующем фотографическом желатине и покровным стеклом не покрывался.
Шлифы, приготовленные на желатине, последовательно обрабатывались петролейным эфиром, хлороформом, спирто-бензолом и щелочью.
До обработки и после каждой обработки шлифы фотографировались. С целью решения методических вопросов фотографирование проводилось как на цветной, так и на черно-белой кинопленке.
Сопоставлением фотографий, полученных после последовательных обработок селективными растворителями, устанавливались зоны распределения битума и его маслянистых и кислых компонентов, а также гуминовых веществ и остаточного органического вещества.
Распределение битума в породе изучалось в шлифах по их люминесценции, вызываемой как проходящими, так и вертикально падающими ультрафиолетовыми лучами. При освещении шлифов проходящими ультрафиолетовыми лучами хорошо видна люминесценция тяжелых компонентов битума и различимы нелюминесцирующие формы органического вещества.
При освещении шлифов при помощи апак-иллюминатора вертикально падающими лучами хорошо видна люминесценция маслянистых компонентов битума.
Геологический разрез месторождения состоит из пород палеозойского (девонского, каменноугольного и пермского), третичного (неоген) и четвертичного возрастов.
Месторождение нефти с газовой шапкой в своде находится в верхней части кунгурского яруса нижнепермских отложений. Дебит скважин очень небольшой.
Нефтепроявления отмечены в калиновской свите, которая на соседних площадях нефтеносна.
Изучаемая нефтеносная структура по нижнепермским отложениям представляет собой два небольших пологих куполовидных поднятия, разделенных седловиной, размером около 1000X1500 м. Периклинальные и крыльевые части поднятий затронуты глубоким размывом, вследствие чего пластовая залежь в кунгурских отложениях имеет сложную форму.
Залежь стратиграфически и литологически экранирована. Нами изучались покрывающие залежь верхнепермекие отложения (казанский и татарский, ярусы), третичные (неоген) и четвертичные отложения, покрывающие неоген [3].
Были исследованы керны трех скважин: скв. 1, расположенной за пределами контура нефтеносности, и скв. 2 и 3, расположенных в пределах контура нефтеносности.
Четвертичные отложения представлены суглинками красноватыми и желтовато-светло-коричневыми, слабо песчанистыми извеетковистыми, часто трещиноватыми; трещины заполнены известковистым материалом. Мощность от 14 до 25м.
Содержание битума в четвертичных отложениях по данным общего люминесцентно-битуминологического анализа низкое - до 2*10-4%.
Результаты параллельных анализов с применением нескольких растворителей показали, что битумы указанных отложений довольно легкие и имеют восстановленный характер. Наряду с битумами обнаружено много гуминовых веществ. В шлифах констатировано наличие бурых гидроокислов железа и пирита.
При изучении образцов под люминесцентным микроскопом обнаружено большое количество обугленных растительных остатков и сгустков гуминового вещества. Битуминозное вещество находится в основном в диффузно-рассеянном состоянии и в виде незначительных скоплений по краям трещин и каверн. Преобладает маслянистый: битум, который обнаруживается в виде мелких голубых точек. Осмоленный битум встречается очень редко в виде мелких желтых пятен и приурочен к скоплениям слабо метаморфизованного органического вещества. Отмечено некоторое увеличение маслянистых компонентов в верхней части скв. 3, в которой при значительном содержании масел наблюдается сравнительно низкое содержание других типов битума, а также других форм органического вещества, которое могло бы являться исходным материалом для образования битумов.
Сравнительно большое насыщение битумом верхней части четвертичных отложений нельзя объяснить миграцией из нижней части разреза, так как она менее битуминозна. Кроме того, в стенках трещин не наблюдается характерных зон проникновения битумов, которые обычно образуются в процессе насыщения породы эпигенетичным битумом.
Нельзя допустить и миграцию битумов по пласту, так как в этом случае мелкие трещины и каверны бывают заполнены битумом.
Повышенное содержание маслянистых битумов в верхней части четвертичных отложений, вероятно, объясняется (присутствием битумов поверхностного происхождения, полимеризацией углеводородных газов, идущих от залежи, а также тем, что эти газы создают восстановительную обстановку, которая способствует образованию и сохранению битумов более восстановленного характера [4].
Третичные отложения(неоген)
Отложения неогена трансгрессивно залегают на размытой поверхности малокинельской свиты татарского яруса. Неогеновые отложения представлены глинами серыми, желтовато-серыми и темно-серыми известковистыми, часто алевритистыми, переходящими в средней части в мергели розовато- и серовато-желтые.
Пароды часто трещиноватые; встречаются прослои алевритистых песчаников. В нижней части горизонта глины более песчанистые, в средней и нижней частях отмечены углисто-глинистые прослои. На контакте неогеновых и пермских пород залегает прослой гальки, гравия, известняка и кремнистых пород. Мощность неогеновых отложений 117-133 м.
Бассейн, бывший в начале неогена мелководным, к концу неогенового времени углубляется, на что указывает большая песчанистость в нижней части разреза при большей глинистости его верхней части.
Как и следовало ожидать, в нижней части отложений, которая формировалась в условиях мелководья или лагуны, происходило усиленное накопление органического вещества и протекал интенсивный процесс битумообразования в условиях окислительно- восстановительной среды.
Среднее содержание битума в неогеновых отложениях от 4*10-2 до 8,8*10-3 %.
Содержание битумов в неогене в несколько десятков раз выше, чем в четвертичных отложениях. Разрез насыщен битумом неравномерно. В нижней части разреза выделяются участки с наиболее высоким содержанием битума. В этих же интервалах по данным газовых анализов, отмечено повышенное газонасыщение.
При изучении образцов при помощи люминесцентного микроскопа выделяются четыре типа сочетания битумов с органическим веществом и породой: углистые сланцы, слабо битуминозные глины, битуминозные известковистые глины и среднебитуминозные песчаники и алевриты. Эти сочетания битумов с породами и органическим веществом вызваны различными условиями осадконакопления в неогеновое время. Многократное переслаивание глинистых отложений с мергелями, алевролитами и песчаниками было обусловлено колебаниями глубины бассейна, что привело к смене осадков, различных по минералогическому составу и по характеру захороненного органического вещества.
При изучении с помощью люминесцентного микроскопа углистых сланцев обнаружено большое количество углефицированных растительных остатков и гуминовых веществ при очень низком содержании битумов.
В глинах наряду с углистыми включениями и гуминовым веществом содержится небольшое количество легкого битума. Этот маслянистый битум находится в основном в диффузно-рассеянном состоянии и отчасти в виде точечных включений. В трещинах и кавернах битума нет.
В известковистых глинах углистые остатки очень редки и гуминовых веществ мало. Наряду с маслянистым битумом присутствуют и более тяжелые битумы. В трещинах и кавернах отмечены скопления маслянистою и осмоленного битума.
В известковистом цементе песчаников и алевролитов, если они контактируют с известковистыми глинами, обнаружен маслянистый и осмоленный битум. Наличие битума в известковистом цементе при полном отсутствии других форм органического вещества можно объяснить его миграцией из подстилающих или покрывающих известковистых глин. Однако масштабы этой миграции невелики из-за малой мощности и недостаточной битуминозности известковистых глин.
Характер сочетания битумов с вмещающей породой и другими формами органического вещества указывает на то, что в отложениях неогенового возраста процесс преобразования органического вещества в некоторых горизонтах был направлен в сторону преобладания битумообразования, а в других случаях - углеобразования. Крайними представителями этих типов являются известковистые глины и углистые сланцы.
Отложения татарского яруса представлены главным образом глинами и алеврито-песчанистыми породами различной степени известковистости и глинистости, мергелями и гипсо-ангидритовыми породами. Мощность отложений около 250 м.
Отложение осадков татарского яруса происходило в условиях довольно длительного пресноводного режима, во время которого откладывался песчано- глинистый материал с очень небольшим количеством органического вещества. В бассейне преобладала окислительная обстановка, на что указывают данные по ОВП [11] и большое количество гидроокислов железа.
Низкое содержание органического вещества и окислительная обстановка не благоприятствовали процессам битумообразования. Содержание битума по всему разрезу по данным общего люминесцентно - битуминологического анализа очень низкое: оно не превышает за редким исключением n*10-4 %. Битумы в общих чертах носят восстановленный характер и содержат относительно большой процент масляной фракции. Гуминовые вещества в отложениях татарского яруса совершенно отсутствуют. При изучении пород татарского яруса под люминесцентным микроскопом было обнаружено большое сходство битуминозных текстур и структур во всех свитах этого яруса. Малое содержание и высокая глинистость разреза затрудняли изучение распределения битумов, однако некоторые закономерности все же были установлены.
В глинах битумы находятся в диффузно-рассеянном состоянии и редко в виде мелких точечных включений. В песчаниках и алевролитах битум встречается в цементе. Если цемент глинистый, то битум в нем находится в диффузно-рассеянном состоянии и в виде мелких включений. Если же цемент известковистый, то битум заключен в мелких волосяных трещинах. В известковистых глинах битум содержится в незначительных количествах, поэтому он не заполняет трещины и каверны, а образует по их краям узкие голубые полоски. В мергелях и ангидритах битум приурочен к известковистым участкам и отчасти находится в них в связанном состоянии. Состав битума более осмоленный. В гипсах битума мало и он почти незаметен.
Сопоставляя результаты изучения битумов под люминесцентным микроскопом с результатами общей люминесцентно-битуминологической характеристики битумов и других видов анализов, можно сделать следующие выводы.
В породах татарского возраста органическое вещество встречается в виде маслянистого и осмоленного битумов и унифицированных растительных остатков. Других промежуточных форм органического вещества не обнаружено, на основании чего можно сделать вывод, что процесс битумообразования к углеобразования закончен.
Несмотря на малое содержание битума в породе и на окислительную обстановку, битум имеет сравнительно легкий состав; это, очевидно, можно объяснять влиянием углеводородных газов, которые мигрируют из нижележащей нефтегазоносной толщи [4].
Казанский ярус
Были изучены следующие отложения казанского яруса.
1. Отложения сосновской свиты мощностью около 50 м, представленные плотными серыми сульфатизированными доломитами, часто глинистыми с прослоями мергеля, ангидрита, тонко зернистого песчаника и реже с прослоями глин и аргиллита.
2. Отложения галогенной толщи мощностью около 15 м, представленные голубовато-серыми трещиноватыми доломитизированными ангидритами с прослоями доломитов и гипсов.
3. Отложения калиновской свиты, не вскрытые полностью, представлены битуминозными пористыми доломитами, иногда оолитовыми окремнелыми, иногда глинистыми с прослоями глин, тонкозернистых песчаников и с включениями гипсов и ангидритов.
Отложения Калиновской свиты залегают непосредственно на размытых отложениях кунгурского яруса, содержащих нефтяную залежь.
Наличие оолитовых доломитов, а также присутствие в кунгурском ярусе остатков водорослей и некоторые другие особенности свидетельствуют о мелководном характере бассейна [5, 6]. В нижнеказанский век произошло углубление бассейна, вследствие чего установился нормальный морской режим. Однако на изучаемой площади в осадочных породах этого возраста отмечены оолитовые и микроконгломератовидные структуры, что свидетельствует о близости береговой линии. К концу века режим бассейна сменился на лагунный с последующим засолением, о чем можно судить по наличию сильно ангидритизированных доломитов и по более поздним отложениям гипсов и ангидритов, которые образуют галогенную толщу. В дальнейшем временами происходило некоторое углубление бассейна и режим его приближался к морскому, но, по-видимому, не повсеместно, так как в изучаемом районе бассейн еще остается мелководным и довольно засоленным, в котором происходит отложение сосновской свиты, состоящей из сильно сульфатизированных доломитов с прослоями ангидритов.
Из этого краткого описания видно, что в казанский век на исследуемой площади были благоприятные условия для накопления органического вещества, что подтвердилось и нашими исследованиями.
Битуминозность разреза казанских отложений по сравнению с татарским ярусом резко повышается. Содержание битума в породе по данным общего люминесцентно-битуминологического анализа равно n*10-2% и выше. Особенно резкое повышение битуминозности наблюдается в нижней части разреза. К этому же интервалу приурочена и повышенная газонасыщенность разреза.
Анализ образцов с применением селективных растворителей показал, что битумы казанских отложений по компонентному составу приближаются к нефтяному типу, однако отмечается наличие кислых компонентов. Гуминовых веществ нет.
Пирит встречается по всему разрезу, особенно его много в нижней части. В верхней части разреза пирита меньше, появляется небольшое количество гидроокислов железа. Наличие пирита свидетельствует о восстановительной обстановке, что согласуется с данными по определению ОВП [8].
При изучении сосновской свиты казанских отложений при помощи люминесцентного микроскопа обращает на себя внимание большое содержание битума одновременно с присутствием других форм органического вещества. Наряду с небольшим количеством нелюминесцирующих углистых остатков имеется большое количество бурого органического вещества, частично растворимого в спирто-бензоле (т.е. содержащего много кислых компонентов) и не растворимого в щелочах. Гуминовых веществ очень мало.
Основная масса битума люминесцирует желтым и оранжевым цветом. Битум частично заполняет каверны и трещины, а также селективно насыщает отдельные участки породы. По растворимости битума в органических растворителях и по цвету люминесценции его следует отнести к маслянистому и смолистому типу с одновременным присутствием кислых компонентов.
На контакте различных литологических разностей часто наблюдается проникновение битума из одной породы в другую, что констатируется по наличию трехцветной хромотограммы нефтяного типа (голубая, желтая, коричневая). Это свидетельствует о том, что битум казанских отложений имеет в своем составе масла, смолы и асфальтены, т. е. те элементы, которые характерны для нефтяных битумов, чего мы не наблюдаем в неогеновых отложениях.
Установлено также, что характер распределения битума во многом зависит от литологических особенностей пород. При изучении тяжелых компонентов битума (при освещении шлифа проходящими ультрафиолетовыми лучами) наблюдается приуроченность углистых остатков и бесформенных бурых образований к глинам и аргиллитам.
При исследовании битума в ангидритах и доломитах (при освещении шлифа падающими ультрафиолетовыми лучами) наблюдается фракционирование битума, причем более легкие компоненты насыщают ангидриты и включения гипса, а смолистые компоненты насыщают доломиты.
В трещинах и кавернах присутствует как маслянистый, так и осмоленный битум.
В галогенной толще содержится довольно много углистых остатков, тяжелых битумов мало и количество смолистых веществ уменьшается. Отмечено почти полное отсутствие скоплений не растворимого в органических растворителях бурого органического вещества. Гуминовые вещества отсутствуют. Отмечается преобладание маслянистого битума.
Характер битуминозности Калиновской свиты сходен с сосновской свитой. Битум калиновской свиты заполняет каверны и трещины и проникает из более битуминозных ГЛИН и доломитов в менее битуминозные гипсы и ангидриты. В песчаных прослоях маслянистый и осмоленный битумы скапливаются в известковистом цементе, что является признаком миграции битумов в более пористые породы. Сингенетичность битума калиновской свиты подтверждается одновременным наличием других неподвижных форм органического вещества, связанных между собой переходными стадиями преобразования, носящего нефтяной характер.
Миграция битумов направлена в основном в сторону их концентрации, что выражается заполнением битумом каверн, трещин и песчаных прослоев. Рассеивание битума происходит в небольшом количестве в гипсы и ангидриты.
В казанском веке, видимо, имеет место обособленный цикл битумообразования, так же как и в неогеновых отложениях, но битумы здесь по компонентному составу имеют значительно более нефтяной характер. Очевидно, в казанское время процесс превращения органического вещества происходил в условиях восстановительной среды в направлении нефтеобразования.
Большой запас исходного органического вещества обусловил возможность образования битумов в значительных количествах, что привело к миграции их в пористые песчаные прослои.
Таким образом, по обилию битума, носящего нефтяной характер, а также по наличию большого количества других форм органического вещества Калиновскую свиту казанского яруса можно считать потенциально нефтепроизводящей, т. е. можно предполагать, что при наличии коллекторов она может образовать залежи нефти. Наличие кислых компонентов в битумах можно рассматривать как недовосстановленное органическое вещество.
Выводы, которые были нами сделаны на основании изучения образцов пород при помощи люминесцентного микроскопа и люминесцентного анализа, были сопоставлены с результатами химических исследований [8]. Закономерности качественного и количественного распределения битумов по разрезу совпали полностью, также согласуются и выводы относительно двух самостоятельных циклов битумообразования в неогеновое и казанское время. Однако изучение образцов пород при помощи люминесцентного микроскопа дало возможность сделать дополнительные выводы, которые нельзя сделать на основании химических анализов. Так, например, метод люминесцентной микроскопии позволил установить в отложениях неогенового возраста одновременное наличие процессов углеобразования и битумообразования. В этих же отложениях отмечена местная миграция битума, приведшая к его частичному перераспределению между свитами. У битума татарских отложений установлены отсутствие тенденции к миграции и законченность процесса углеобразования. В породах Калиновской свиты обнаружены различные формы органического вещества, включая битум нефтяного характера.
Основным преимуществом методики люминесцентной микроскопии являются сравнительная простота и быстрота, с которой можно составить общее представление о характере органического вещества в породе и его подвижности, что дает возможность отобрать наиболее характерные образцы для более подробных химических исследований, если таковые требуются, и предостеречь химика в том случае, если в образце одновременно содержится несколько форм органического вещества, относящихся к различным генетическим типам. Последнее обстоятельство особенно важно, так как метод определения сингенетичности битума по величине. отношения общего органического углерода к углероду битуминозного вещества (К.С. Родионова) может приводить к неправильным заключениям, потому что во многих породах, в том числе и в песчаных коллекторах, часто содержится рассеянное углистое вещество, сингенетичное данной породе, которое при химическом анализе причисляется к общему органическому углероду, чем сильно увеличивается абсолютная величина Собщ/Сбитума и таким образом эпигенетичный битум, находящийся в коллекторе, будет отнесен к битуму сингенетичному. Метод люминесцентной микроскопии битумов является разновидностью петрографического метода и поэтому более доступен для петрографов. С целью увеличения доступности этого метода для широкого практического использования в настоящее время ведутся работы по конструктивному сочетанию обычного поляризационного микроскопа с люминесцентным. Можно надеяться, что методика люминесцентной микроскопии найдет широкое применение, так как при изучении битуминозности пород она дает возможность в сочетании с несложными люминесцентно-битуминологическими исследованиями установить направление преобразования и характер распределения органического вещества, сингенетичность битумов, приблизительный компонентный состав битумов, а также во многих случаях направление их миграции.
Выяснение этих вопросов может быть весьма полезно для уточнения диагностики нефтепроизводящих пород и изучения процессов первичной миграции из них нефти. Можно надеяться также, что методика люминесцентной микроскопии найдет применение при изучении процессов битумообразования в современных осадках.
В заключение следует отметить, что выводы, сделанные нами относительно нефтепроизводящей способности Калиновской свиты, нельзя считать вполне убедительными, так как они относятся к отложениям, непосредственно покрывающим нефтяную залежь. Автору также пришлось отказаться от выводов по сопоставлению результатов исследований по скважинам, расположенным в контуре нефтеносности и за его пределами, так как «законтурная» скважина находилась на расстоянии меньше 1 км, т. е. она была не свободна от влияния залежи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вебер В.В., Савич В. Г., Фокина Н. И. Отчет по теме 24 «Условия накопления и преобразования органического материала в возможно нефтематеринских свитах по данным сопоставления с современными фациями». Фонды ВНИГНИ. М., 1955.
2. Галактионова Н.М. и Ильинская В.В. Изучение битуминозности палеозойских отложений центральных областей Русской Платформы по материалам опорного бурения. Фонды ВНИГНИ. М., 1950-1951.
3. Задов Л.И., Калинин В.М. и др. Геологический отчет по промышленной разведке Восточно-Черновского месторождения. Фонды треста Куйбышевнефтеразведка. Куйбышев, 1950.
4. Ильина А.А. и Колпенский Г.П. Изучение рассеянных и концентрированных форм битума спектральными и химическими методами. Отчет по теме 450. Фонды ВНИГНИ. М„ 1953-1954.
5. Рыбаков Ф.Ф. Геология и нефтеносность нижнепермских отложений Куйбышевской и Чкаловской областей. Фонды Гипровостокнефть. Куйбышев, 1950.
6. Страхов Н.М. Общая схема осадкообразования в современных морях и озерах малой минерализации. Образования осадков современных водоемов, ч. III. Изд. АН СССР. 1954.
7. Флоровская В.Н. Краткое руководство по люминесцентно-битуминологическому анализу. Гостоптехиздат, 1949.
8. Ясенев Б.П., Лобов В.А., Геллер Е.М. Геологическая эффективность геохимических методов поисков нефтяных и газовых месторождений на территории Краснодарского края, Башкирской АССР, Сталинградской, Саратовской, Куйбышевской областей, Татарской АССР, Азербайджанской ССР, ч. II. Отчет по теме 79. Фонды ВНИГНИ. М„ 1954-1956.
ВНИГНИ
Рисунок Схематическая карта.
Структуры: 1 - Восточно-Черновская; 2 - Ново-Ключевская; 3 - Черновская; 4 - Мухановская, 5 - крелиусные скважины.