В последние годы обнаружены углеводородные скопления, в газах которых наблюдается повышенное содержание кислых компонентов (в том числе СО₂).

Как известно, СО₂ успешно применяется для увеличения нефтеотдачи коллекторов, представленных карбонатными породами, поэтому наличие скоплений газов преимущественно углекислого состава вблизи нефтяных месторождений может благоприятствовать интенсификации добычи нефти.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость прогнозирования состава газа, в частности в отношении содержания в нем углекислоты.

Изучение генезиса СО₂ с применением изотопной геохимии позволяет надежно и правильно осуществлять такой прогноз на разных стадиях геологоразведочных работ.

Одной из нефтегазоносных территорий, в породах которых наблюдаются повышенные концентрации СО₂, достигающие десятков процентов, является южная часть Западной Сибири.

Здесь [3] проводилось комплексное изучение изотопного состава углерода (и.с.у.), углеводородной составляющей газов, СО₂, нефтей, карбонатных пород и бикарбонатов вод. Результаты этих исследований, существенно дополненные новыми данными, использованы для выяснения генезиса СО₂ и разработки критериев прогноза его содержания в газах.

Установлены две генетические группы СО₂ в газах мезозойских и палеозойских пород юга Западной Сибири. СО₂ первой группы обогащен легким изотопом углерода - значения d¹³С изменяются от -15 до -28 %₀. Углекислый газ второй группы характеризуется более тяжелым изотопным составом углерода - значения d¹³С изменяются от -0,6 до 10 %₀ ( табл. 1 ).

Существенных различий в изотопном составе углерода СО₂ в зависимости от того, в каких газах он содержится (свободных, попутных или водорастворенных), не наблюдается.

Концентрации в газах СО₂ по группам весьма различны. Содержание СО₂ первой группы, как правило, не превышает 1-2 и лишь в отдельных случаях достигает 5 %; второй - достигает десятков процентов, а на отдельных площадях (Межовская, Веселовская) СО₂ является основным компонентом газов. СО₂ первой группы встречается во всех продуктивных комплексах пород мезозоя и палеозоя, второй - в палеозойских отложениях и нижних базальных горизонтах мезозоя.

На некоторых площадях из палеозойских пород и базальных горизонтов мезозоя получены газы, занимающие промежуточное положение как по содержанию, так и по изотопному составу углерода СО₂.

Данные об изотопном составе углерода СО₂ сопоставлены со значениями d¹³С ОВ, нефтей газов, бикарбоната вод и карбонатных пород.

Анализ этих данных с учетом литературных и экспериментальных материалов об изотопном составе углерода СО₂, образующегося при окислении жидких и газообразных УВ, катагенезе РОВ и гидролизе карбонатов [1, 2, 5], позволили прийти к выводу, что источником первой группы СО₂ могут быть ОВ и нефти (или углеводородные газы), подвергшиеся катагенному преобразованию или бактериальному окислению.

Особенно ярко катагенетические процессы проявляются в нижних частях разреза. В менее погруженных отложениях, напротив, ведущую роль приобретают процессы бактериального окисления, о чем свидетельствует состав нефтей, а также обнаруженная В.Л. Мехтиевой в пластовых водах ряда площадей активная микрофлора.

Углерод СО₂ второй группы по изотопному составу тяготеет к карбонатному либо к углероду ювенильной или атмосферной углекислоты [2].

Полностью исключить участие глубинного источника в образовании второй группы газов нельзя. Однако закономерности изменения изотопного состава углерода СО₂ в палеозойских и базальных горизонтах мезозойских отложений (к которым приурочены газы с повышенным содержанием СО₂, характеризующегося утяжеленным изотопным составом углерода) свидетельствуют о том, что основным ее генератором являются карбонатные доюрские образования. Эти закономерности рассмотрены на примере юго-восточной части Западно-Сибирской плиты, где наиболее детально изучен доюрский комплекс пород.

Проведенный анализ показал, что зона распространения газов второй группы совпадает с зоной развития карбонатных доюрских образований ( рис. 1 ).

СО₂ этой группы встречается в самих карбонатных породах палеозоя и в базальных горизонтах мезозойских отложений в тех районах, где они непосредственно подстилаются карбонатными породами палеозоя (Нюрольская впадина).

В зонах развития некарбонатных доюрских образований изотопный состав углерода СО₂ заметно облегчен, а содержание его в газах не превышает 5 % .

Максимальные концентрации СО₂, характеризующегося наибольшим обогащением ¹³С, в юго-восточной части Западно-Сибирской плиты установлены на Межовской и Веселовской площадях Межовского свода в базальных горизонтах мезозойского платформенного чехла, залегающих непосредственно на гранитах ( рис. 2 ). Вокруг Межовского гранитного массива развита карбонатная палеозойская толща. На востоке и северо-востоке карбонатные палеозойские образования непосредственно подстилают отложения мезозоя. На западе между отложениями мезозойского платформенного чехла и карбонатными породами палеозоя выделяется вулканогенно-осадочная толща пород пермо-триасового возраста (см. рис. 1 ).

Если бы СО₂ в рассматриваемом районе имел ювенильное происхождение, изотопный состав углерода был бы одинаков на всех площадях. Однако значения d¹³С СО₂ на Межовской и Веселовской площадях различаются, причем на последней, расположенной в восточной части Межовского свода (вблизи зоны непосредственного залегания карбонатных пород палеозоя под мезозойскими отложениями), СО₂ обогащен ¹³С по сравнению с ювенильной и близок по изотопному составу к морским карбонатам.

В палеозойской карбонатной толще содержание ¹³С (и содержание СО₂ в газах) увеличивается с глубиной погружения пород независимо от положения исследованных объектов относительно кровли складчатого фундамента или зон разломов, проникающих из фундамента ( рис. 3 ).

Поэтому наиболее вероятной причиной отмеченных изменений представляется увеличение с глубиной интенсивности генерации СО₂ карбонатами при гидролизе ввиду роста температур.

Предположение о том, что источником СО₂, обогащенного ¹³С, в рассматриваемом районе являются карбонатные породы, подтверждается наличием связи между их минералогическим составом и и.с.у. СО₂.

В пределах Малоичской площади на одинаковых глубинах и соответственно в близких температурных условиях в зоне развития доломитов количество СО₂ значительно выше, и он обогащен ¹³С по сравнению с СО₂ в зоне развития известняков [6]. Эти различия находятся в соответствии с результатами экспериментального изучения процесса гидролиза разных по составу карбонатных пород [4], показавшего, что при взаимодействии карбонатов с водой при температурах 100-150°С (что соответствует температурным условиям рассматриваемого района) из доломитизированных известняков выделяется в несколько раз больше СО₂, чем из чистых известняков.

Исследования и.с.у. карбонатного цемента в терригенных отложениях базальных горизонтов мезозоя позволили выявить различия между этим показателем в тех районах, где рассматриваемые отложения подстилаются или Heкарбонатными, или карбонатными образованиями палеозоя ( табл. 2 ). В первом случае (Ракитинская площадь) изученные образцы карбонатного цемента имеют близкий и.с.у., характерный для морских карбонатов. По данным литолого-петрографических исследований это сингенетичный цемент. На тех площадях, в пределах которых мезозойские отложения непосредственно перекрывают карбонатные образования палеозоя (или где благоприятны условия для миграции флюидов из карбонатной палеозойской толщи - Веселовская площадь), значения d¹³С карбонатного цемента изменяются в широких пределах. Вверх по разрезу наблюдается сначала обогащение, а затем обеднение карбонатного цемента изотопом ¹²С. На этих площадях в тех интервалах разреза, где отмечаются указанные изменения, литолого-петрографическими исследованиями установлено присутствие вторичного кальцита. Его появление, по-видимому, обусловлено поступлением СО₂ из палеозойской карбонатной толщи. Наблюдаемая направленность изменения величин d¹³С карбонатного цемента может объясняться тем, что и.с.у. образующегося вторичного кальцита зависит от соотношения карбонатной и биогенной составляющих исходного СО₂. Вверх по разрезу роль первой должна уменьшаться и, как следствие этого, и.с.у. образующегося кальцита должен облегчаться. Последовательное обогащение цемента легким изотопом углерода прослеживается на расстоянии 200-300 м от подошвы мезозойских отложений. Наблюдаемое затем в некоторых разрезах (Верх-Тарские скв. 12, 15) обогащение карбонатного цемента изотопом ¹³С, вероятно, объясняется уменьшением доли вторичного кальцита (или отсутствием его вообще), образовавшегося предполагаемым путем. Таким образом, по характеру изменения значений d¹³С карбонатного цемента можно судить о вертикальном диапазоне миграции СО₂ из карбонатной палеозойской толщи в перекрывающие отложения.

Установление на исследуемой территории двух генетических групп углекислого газа (первой, обогащенной ¹²С и встречающейся в виде незначительной примеси к углеводородным газам и второй, обедненной ¹²С, достигающей в газах десятков процентов) позволяет использовать данные по и.с.у. СО₂ в качестве критерия для прогноза ее содержания в газах. Поскольку и.с.у. СО₂ не зависит от того, содержится ли он в свободных, попутных или водорастворенных газах, то по этому показателю можно судить о его концентрации в углеводородных скоплениях уже по первым скважинам.

Если основной причиной появления высоких концентраций СО₂ служит гидролитическое разложение карбонатов, то обнаружение углеводородных скоплений, обогащенных СО₂, наиболее вероятно в палеозойских и базальных горизонтах мезозойских отложений в тех районах, где в составе доюрских образований присутствуют карбонатные породы и температуры достаточны для осуществления гидролиза (>75°С).

На схематической карте прогноза содержания СО₂ в газах (см. рис. 1 ) выделены следующие зоны с разной предполагаемой концентрацией его в газах:

1) менее 5 % по всему разрезу отложений палеозоя и мезозоя в тех зонах, где доюрские образования представлены некарбонатными породами. Наличие газов с таким содержанием СО₂ вероятно в пределах Старосолдатской гряды, восточной части Ивановской гряды, большей части территории Колтогорской зоны разломов и Камышинской ступени и других районов, где доюрские образования представлены вулканогенно-осадочной толщей;

2) 5-25 % - там, где в составе доюрских образований присутствуют карбонатные породы. В эту зону входят: Нюрольская впадина, Камбарская ступень, западная часть Парабельского массива и другие районы, в пределах которых доюрские образования представлены терригенно-карбонатной толщей пород. В западной части Нюрольской впадины, где отложения мезозойского осадочного чехла залегают непосредственно на карбонатных палеозойских образованиях, обнаружение газов с повышенным содержанием СО₂ (>5%) возможно и в палеозойских, и в базальных горизонтах мезозойских отложений. В пределах остальной части указанной территории, где в верхах доюрских образований выделяется пачка пород преимущественно терригенного состава, обнаружение обогащенных СО₂ газов вероятно только в палеозойских отложениях.

Кроме перечисленных, наличие газов с повышенным содержанием СО₂ в палеозойских отложениях следует ожидать в пределах тех районов, где в нижней части разреза доюрских образований предполагается наличие карбонатных пород (Завьяловская ступень, Тарско-Муромцевский мегапрогиб и другие районы с аналогичным строением доюрского комплекса пород);

3) свыше 25 % СО₂ предполагается по аналогии с Межовским сводом в базальных горизонтах мезозойских отложений, в районах прорыва карбонатных толщ гранитными интрузиями (Тибинакский и Черемшанский выступы), где возможны благоприятные условия миграции и накопления СО₂, генерируемого карбонатами.

1. Алексеев Ф.А., Лебедев В.С., Овсянников В.М. Изотопный состав углерода газов биохимического происхождения. М., Недра,1973.
2. Галимов Э.М. Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. М., Недра, 1973.
3. Изотопный состав углерода СО₂ газов Западной Сибири в связи с его генезисом / С.П. Максимов, Р.Г. Панкина, С.М. Гуриева, Н.П. Запивалов. - Геохимия, 1980, № 7, с. 992-998.
4. Киссин И.Г., Пахомов С.Н. О возможности генерации углекислоты в недрах при умеренно высоких температурах. - Докл. АНСССР, 1967, т. 174, № 2, с. 451-454.
5. Мехтиева В.Л. Изотопные эффекты по водороду, углероду и сере в процессах аэробного и анаэробного окисления нефтей. - Докл. АН СССР, 1977, т. 236, № 5, с. 1218-1221.
6. Связь изотопного состава углерода СО₂ и карбонатов с коллекторскими свойствами карбонатных пород /С.М. Гуриева, М.В. Дахнова, Р.Г. Панкина и др. - Докл. АН СССР, 1982, т. 262, № 2, с. 396-399.

Таблица 1

Изотопный состав углерода СО₂ газов Западной Сибири

Таблица 2

Изменение изотопного состава углерода карбонатного цемента в терригенных породах базальных горизонтов мезозойского платформенного чехла

Рис. 1. Схематическая карта прогноза содержания СО₂ в газах палеозойских и мезозойских отложений юго-востока Западно-Сибирской плиты.

Структуры I порядка: 1 - гряды, массивы, 2- ступени, 3 - впадины, мегапрогибы; отдельные структуры II порядка: 4 - выступы и валы (Кч - Коченевский, Ч - Черемшанский, Т - Тибинакский выступы, Н - Нарымский вал), 5 - прогибы (Б - Бродниковский); 6 - межблоковые зоны разломов; типы разреза доюрских образований: 7 - терригенно-карбонатная толща, 8 - вулканогенно-осадочная толща в верхней и терригенно-карбонатная - в нижней части разреза, 9 - вулканогенно-осадочная толща; 10- зоны отсутствия доюрских платформенных образований; 11 - площади, по которым имеется информация о содержании и изотопном составе СО₂; зоны с разным содержанием СО₂ в газах (а - установленные, б - предполагаемые): 12 - менее 5 %, 13 - 5-25 %, 14 - более 25 %

Рис. 2. Изотопный состав углерода СО₂ Межовского района.

1 - d¹³С СО₂, %_°; 2 - предполагаемое направление миграции СО₂; 3 - карбонатные доюрские образования; 4 - граниты; 5 - тектонические нарушения; 6 - фундамент; 7 - залежи (а - нефтяные, б - газоконденсатные)

Рис. 3. Изменение изотопного состава углерода CO₂ с увеличением глубины залегания палеозойских отложений.

1 - d¹³С CO₂, %o; 2 - терригенно-карбонатные доюрские образования; 3- тектонические нарушения; 4-- фундамент; 5 - залежи нефти