К оглавлению

УДК 552.278.2.061.33:553.55

О первичной миграции нефти в карбонатных отложениях

H. Г. ЖУЗЕ (ВНИГРИ)

Первичная миграция нефти - один из наиболее сложных вопросов геохимии ОВ. В данной статье рассматриваются результаты изучения автором процесса первичной миграции нефти в карбонатных отложениях с помощью комплексных геолого-геохимических методов.

Исследования автора (1974, 1979 гг.) показали, что состав и концентрации миграционных битумоидов в карбонатных толщах, прежде всего, зависят от состава и концентраций синбитумоидов материнских отложений, состава и степени «метаморфизма» РОВ материнских отложений, коллекторских свойств вышележащих пород.

Материалом исследований послужили карбонатные отложения позднего девона - раннего карбона Волго-Уральской области. Автором собрана и обработана большая коллекция образцов пород различного литолого-фациального типа, преимущественно из районов Башкирской АССР и Куйбышевской области. Коллекция петрографических и люминесцентных шлифов составила несколько тысяч образцов. Кроме того, было выполнено несколько сотен битуминологических анализов, примерно такое же количество определений физических свойств пород и несколько десятков определений динамики извлечения порфиринов из карбонатных пород.

В карбонатных отложениях с первым типом синбитумоида при градациях катагенеза ОВ ПК₃-МК₃ содержание С в породах составляет сотые доли процента и ниже, ХБ - тысячные доли процента и ниже, битумоидный коэффициент () - 0,2-5%.

Эти отложения накапливались на заключительных этапах морских трансгрессий, в условиях окислительной геохимической обстановки в осадках, повышенного содержания кислорода в наддонной воде и низких исходных концентраций ОВ. На стадии седиментогенеза и раннего диагенеза ОВ претерпело значительное окисление и разрушение, что было обусловлено его спорадическим распределением и большой площадью контакта с окислителями в поровом растворе и на мине ральных компонентах.

Согласно микроскопическому и люминесцентно-микроскопическому изучению пород, выполненному автором, в карбонатных отложениях этого типа основная часть рассеянных битумоидов заключена в труднодоступных для миграции участках породы (замкнутых порах, раннедиагенетических микротрещинках, мелких кристаллах кальцита). Большая часть открытых пор и трещин остается пустыми. Миграционные процессы ограничиваются пределами слоя.

При микроскопическом изучении в петрографических шлифах видна нерастворимая часть ОВ в виде редких комков, сгустков и коротких извилистых микрослойков в тонко-мелкозернистой массе породы. Битумоиды в обычном свете неразличимы.

Под люминесцентным микроскопом нерастворимая часть ОВ (кероген) не имеет свечения. Наименее подвижная часть битумоида находится в непосредственной близости от включений ОВ в виде окаемок желтовато-серого свечения. Тонко-мелкозернистая масса карбонатов насыщена легким маслянистым битумоидом светло-голубого свечения, распределенным в кристаллах карбонатов, диагенетических микропорах и микротрещинах ранних генераций. В остатках фауны аналогичный битумоид распределен по стенкам скелетных образований, в кристаллах кальцита, выполняющих фауну, и межзерновых пространствах карбонатов. На перекристаллизованных участках породы легкий маслянистый битумоид присутствует в кристаллах кальцита и во вторично образовавшихся порах. Трещины поздней генерации, открытые и минерализованные, секущие основную массу породы и остатки фауны, чистые, не люминесцируют. Эпигенетические пустоты выщелачивания (0,1-0,5 мм) в редких случаях по стенкам содержат кайму легкого маслянистого битумоида, вытесненного в поры из окружающей массы породы. Часть таких пор заполнена среднезернистым кальцитом, ангидритом и доломитом - несветящимися минералами.

Согласно исследованиям физики пласта, проведенным во ВНИГРИ (измерения открытой пористости до и после извлечения хлороформом битумоида из пород), насыщенность открытых пор синбитумоидом 1 типа в карбонатных отложениях при градациях Катагенеза ПК₃-МК₂ очень низкая - 0,2-4,8 %, в единичном случае - 9 % (табл. 1). Практически этих количеств «рассеянной нефти» не хватает даже на заполнение «мертвой» нефтенасыщенности пласта. Миграционные процессы ограничиваются пределами слоя.

Главная фаза нефтеобразования в этих отложениях не проявляется. Коэффициент отдачи битумоида(Коэффициент эмиграции битумоида рассчитан по формуле С.Г. Неручева [3] К_эм =(С_исх -С_ОСт)/(С_эм-С_ост), где С_эм, С_исх, С_ост - содержание углерода в эмиграционном, сингенетичном и остаточном битумоидах.) при градациях катагенеза ОВ MK₁-МК₃ 0,3- 0,5 %, количество миграционных потерь 0,003-0,005 г/кг породы. В составе миграционных потерь содержатся только УВ.

Во вторую группу входят мелководно-морские и лагунно-морские отложения в которых концентрации ОВ и битумоидов близки к кларковым. Накапливались они в условиях окислительной и слабовосстановительной обстановки в осадках при нормальном кислородном режиме наддонной воды, различных исходных концентрациях ОВ, в значительной степени усредненных за счет расходов на редукцию форм Fe, Mn, V, S. В породах при градациях катагенеза ПК₃-МК₃ концентрации Cорп<0,5 %, ХБ<0,045 %,=5,5-10%.

В карбонатных отложениях с синбитумоидом II типа основная часть его по-прежнему тесно взаимосвязана с тонко-мелкозернистой массой породы, но в целом из-за большего количества сингенетического битумоида в открытые поры и секущие трещины мигрирует часть подвижного битумоида и в ряде случаев отмечается почти полное заполнение вторичных пор битумоидом.

В петрографических шлифах видно, что нерастворимое ОВ темно-коричневого цвета распределено в виде спорадических включений в межзерновых пространствах карбонатов, коротких микрослойков, примазок по стилолитовым швам. Легкий битумоид желтоватого цвета в редких случаях обнаружен в кристаллах кальцита, в микротрещинках ранней генерации и в крупных эпигенетических порах выщелачивания.

Под люминесцентным микроскопом тонко-мелкозернистая масса карбонатов флюоресцирует в светло-желтых тонах из-за присутствия легкого маслянисто-смолистого битумоида в кристаллах карбонатов и в диагенетических микропорах (угловатой и изометричной формы, размером до 0,05 мм). По краям эпигенетических пор выщелачивания (размером до 0,5 мм и выше) в ряде случаев отмечается кайма маслянистосмолистого битумоида светло-желтого свечения, в центре - легкий маслянистый битумоид голубого свечения. Аналогичная картина наблюдается в извилистых микротрещинках, секущих породу, открытых и минерализованных. Часть эпигенетических пустот выщелачивания заполнена новообразованным кальцитом с голубым цветом флюоресценции. Остатки фауны, обычно перекристаллизованные, люминесциру- ют в тусклых голубовато-желтых тонах.

В этих породах при градации катагенеза ПК₃-МК₃ насыщенность открытых пор битумоидом составляет 0,99-12,16 %. Практически таких количеств «размазанной» нефти не хватает для заполнения «мертвой» нефтенасыщенности пласта. Миграционные процессы ограничиваются пределами слоя.

Данные наблюдения подтверждаются исследованиями Г.М. Боровой [2], выполнившей для серии образцов экстракцию хлороформом подвижной части битумоида из дробленой и недробленой породы.

Так, для известняка с синбитумоидом II типа при градации катагенеза МК₂ основная масса битумоида была извлечена после дробления предварительно проэкстрагированной породы. Отношение ХБ_нд/ХБ_д=0,5, т.е. оно одного порядка с распределением пор в породе. В открытых порах присутствует меньшее количество битумоида и УВ, чем в закрытых порах (отношение П_о/П₃ = 0,4, ХБ_нд/ХБ_д=0,46, УВ_нд/УВ_Д=0,7). В обоих случаях в составе УВ доминируют Me-Na -отношение (Me-Na) /Аr в ХБ_нд 1,4, а в ХБ_д 2,2. Пониженное отношение (Me-Na)/Ar в открытых порах (1,4) по сравнению с закрытыми (2,2) свидетельствует о том, что часть Me-Na УВ была отдана за пределы слоя, остаточная часть фиксируется по открытым порам.

Главная фаза нефтеобразования в этих породах проявляется очень слабо при градациях катагенеза МК₂-МК₃. Коэффициент отдачи битумоида в этой зоне 0,5-0,8 %, количество миграционных потерь 0,005-0,02 г/кг породы. В составе миграционных потерь только УВ, причем преимущественно Me-Na. Практически потеря таких количеств УВ не имеет значения, так как их явно недостаточно для процесса первичной аккумуляции УВ.

К третьей группе относятся карбонатные отложения, накапливающиеся в периоды расширения морских трансгрессий, преимущественно в зоне погруженного шельфа, в условиях восстановительной геохимической обстановки в осадках, определенного недостатка кислорода в наддонном слое воды, при концентрациях ОВ в осадках выше кларковых. В составе битумоида отмечается более широкий круг компонентов, чем в первых двух типах. При градации катагенеза ПК₃-МК₂ содержание в породах Сорг 0,55-0,98 %, ХБ 0,045-0,09 %,9-15 %. При градации МК₃ концентрации С_орг и ХБ в однотипных литологических разностях снижаются в 2-3 раза.

По данным микроскопических исследований в карбонатных отложениях этого типа битумоиды более активно распределены в пределах слоя, причем в трещинах и пустотах поздних генераций присутствует наиболее подвижная часть битумоида - масла и часть легких смол.

Под люминесцентным микроскопом основной фон породы желтый и желтовато-коричневый из-за насыщения осмоленным битумоидом, более тяжелым и высокомолекулярным, чем в первых двух типах. Тонкозернистая масса карбонатов насыщена осмоленным битумоидом и имеет ровное желтовато-коричневое свечение. Перекристаллизованные участки породы (кристаллы кальцита и остатки фауны) люминесцируют в желтовато-голубых тонах из-за присутствия маслянисто-смолистого битумоида. Короткие прерывистые трещинки, секущие породу, выполненные кальцитом, в контакте с породой - желтые, в центре - голубые, что связано с миграцией более легких маслянистых и маслянисто-смолистых фракций битумоида из породы в трещины и дальнейшим захватом их растворами, циркулирующими по трещинам. В мелких кавернах эпигенетического выщелачивания, заполненных кальцитом, легкий маслянисто-смолистый битумоид голубовато-желтого свечения присутствует в кристаллах кальцита и в межзерновых пространствах карбонатов. По краю открытых пор отмечается тонкая кайма маслянисто-смолистого битумоида голубовато-желтого свечения, центральная часть пор выполнена маслянистым битумоидом голубого свечения. Следует отметить, что тона свечения битумоида более яркие и сочные, чем в первых двух типах, что связано, по-видимому, с увеличением в их составе ароматических структур и смолистых компонентов.

Согласно исследованиям физики пласта в этих породах при градациях катагенеза MK₁-МК₂ 14-20 % открытых пор заняты рассеянным синбитумоидом.

В карбонатных отложениях с синбитумоидом III типа ГФН протекает при градациях катагенеза MK₁-МК₃. Коэффициент отдачи битумоида в этой зоне 1,5-15 %, количество миграционных потерь - 0,04-0,13 г на 1 кг породы. В составе миграционных потерь содержатся в основном масла (80- 90 %) с примесью легких смол.

В карбонатных отложениях этого типа наблюдается более активное перераспределение битумоида в пределах слоя, но количество миграционного битумоида сравнительно небольшое и расходуется он в основном на заполнение «мертвой» нефтенасыщенности в пределах пласта.

К четвертой группе относятся карбонатные отложения, накапливающиеся в конце первой половины каждого геотектонического цикла, в периоды максимального расширения морских трансгрессий и углубления дна морского бассейна при резко восстановительной геохимической обстановке в осадках, дефиците кислорода в наддонном слое воды, высоких исходных концентрациях ОВ в осадках.

При градации катагенеза ПК₃-МК₂ содержание в породах С_орг 1,2-14,5,%, ХБ 0,5-3 %,17-30 %. При градациях МК₃ и МК₄ концентрации Сорг и ХБ в породах резко снижаются.

В карбонатных породах с синбитумоидом IV типа последний очень активно перераспределен в пределах слоя, причем продуктом миграции из материнских пород могут быть масла и часть смол с примесью асфальтенов. В петрографических шлифах видно, что ОВ темно-коричневого почти черного цвета равномерно пропитывает межзерновые пространства карбонатов, образует субпараллельные извилистые микрослойки, проникает внутрь раковин тентакулит, концентрируясь на внутренней стенке и между зернами в полости раковин. Светло-коричневый битумоид пропитывает тонкозернистую массу кальцита. Битумоид желтого свечения заключен в ядрах фауны тентакулит, образует примазки в кальцитовых жилках, секущих породу.

Под люминесцентным микроскопом тонкозернистая цементирующая масса кальцита люминесцирует в коричневых тонах за счет присутствия тяжелого, преимущественно асфальто-смолистого битумоида в кристаллах кальцита и в микропорах, не перекристаллизованные остатки фауны тентакулит люминесцируют в светло-коричневых и желтовато- коричневых тонах, перекристаллизованные - в ярко-желтых и голубоватожелтых. В раковинах тентакулит наиболее тяжелый битумоид непосредственно окаймляет скопления ОВ. Присутствие битумоида в микропрожилках ранней генерации и в ядрах фауны тентакулит свидетельствует о его перераспределении в литифицирующихся осадках на ранних стадиях диагенеза. Нахождение осмоленного и маслянистосмолистого битумоида ярко-желтого и голубовато-желтого свечения на перекристаллизованных участках породы, в секущих трещинках (открытых и минерализованных) свидетельствует о перераспределении подвижных фракций битумоида в пределах слоя на стадии позднего диагенеза и раннего катагенеза. Присутствие битумоида ярко-желтого свечения внутри разорванных микрослойков ОВ говорит о возможности миграции его в наиболее благоприятных условиях, т. е. внутри гидрофобной матрицы керогена.

По данным измерения открытой пористости до и после извлечения битумоида из пород насыщенность открытых пор синбитумоидом при градациях катагенеза ПК₃-МК₂ составляет 85-40 %. Это указывает на явную возможность первичной миграции нефти в свободной фазе в зоне ГФН. Снижение насыщенности открытых пор битумоидом (рассеянной нефтью) с 85 до 40 % по мере увеличения степени метаморфизма ОВ свидетельствует об интенсивной первичной миграции нефти в зоне ГФН.

В доманиковых отложениях при градациях катагенеза MK₁-МК₂ при последовательном извлечении битумоида из недробленых и дробленых пород [2] отмечается близкий состав битумоида из закрытых пор: очень много асфальтенов (78,4-94,3 %), небольшое количество смолистых соединений (3,8- 17,06 %), совсем мало УВ (1,1 -5,2 %), состоящих в основном из полициклических УВ (40-87 % от SАr УВ) и «тяжелых» (>1,47) Me-Na УВ, что свидетельствует об остаточности битумоидов закрытых пор. В битумоидах открытых пор значительно больше УВ (11,2-47,1%), смол (29,5- 54,5%) и меньше асфальтенов (14,8- 25,8%). В УВ основную роль играют Аr УВ, (Me- Na)/Ar=0,3-0,6. В сингенетичных битумоидах в открытых порах наблюдается остаточное накопление полициклических Аr УВ (48 %) и почти полное отсутствие легких Me-Na УВ. В смешанных (эмиаллохтонных) битумоидах в открытых порах ароматические УВ на 90 % состоят из моноциклических и бициклических структур и большая часть Me-Na УВ легкая. В сингенетичных битумоидах определенное обогащение открытых пор УВ является результатом перераспределения подвижных компонентов в поровой системе пород. В смешанных (эмиаллохтонных) битумоидах обогащение открытых пор УВ связано с их перераспределением в поровой системе пород и примесью миграционного битумоида (миграция внутри свиты).

Результаты люминесцентно-микроскопических и химико-битуминологических исследований хорошо согласуются с экспериментальными данными П.Я. Деменковой, Л.А. Захаренковой и Л.Н. Белан [1], проводившими последовательное извлечение подвижного битумоида из доманиковых отложений серией растворителей различной полярности (коллекция Н.Г. Жузе, табл. 2, 3). В табл. 2 приводится групповой состав экстрактов битумоида, извлеченных из доманикового мергеля при градации катагенеза ОВ ПК₃. Несмотря на явно сингенетичный характер битумоида (содержание в породе С_орг 6,03 %, ХБ 0,89 %,12,2 %), именно первым экстрактом извлекается вся гамма компонентов, необходимая и достаточная для образования нефти. Следует отметить, что порфирины, связанные в основном со смолисто-асфальтовыми компонентами, тяготеют преимущественно к тем экстрактам (III-V), где процент этих компонентов более высок. Таким образом, сравнительно небольшие концентрации порфиринов в нефтях, по сравнению с битумоидами, объясняются именно тем фактом, что они связаны с наименее миграционноспособными компонентами битумоида.

Следует отметить, что в аналогичных опытах при послойном распределении ОВ в сланцах и мергелях выход синбитумоида в I экстракте увеличивается от 40 до 65 %, что связано с распределением битумоида преимущественно внутри разорванных субпараллельных микрослойков ОВ и соответственно легкостью его извлечения наиболее слабым растворителем.

Сравнивая состав I экстракта (серия из трех растворителей, табл. 3) в доманиковых мергелях и известяках, видно, что в мергелях при градации катагенеза ПК₃ битумоид сингенетичный, перераспределенный в слое, а при градации МК₂ - сингенетичный остаточный, отдавший часть подвижных компонентов за пределы слоя. В известняке со смешанным типом битумоида состав I экстракта близок к составу нефтей, извлекаемых из доманиковых отложений на этих глубинах.

Динамика извлечения порфиринов из ОВ пород серией растворителей подтвердила активное перераспределение битумоида в слое и свите при концентрациях С_орг более 1,5 %.

ГФН в этой группе отложений протекает при градациях катагенеза с конца ПК₃ до конца МК₃. Коэффициент отдачи битумоида при градации катагенеза ОВ ПК₃ 15-30 %, MK₁-МК₂ 25-40 %, МК₃ до 65 % Количество миграционных потерь на стадии ПК₃ 0,4-3, MK₁-МК₂ 1,3-8, МК₃ до 13 г/кг породы. Судя по составу нефтей и эпигенетичных примесей в смешанных битумоидах в доманиковых отложениях, в состав миграционных потерь при градации катагенеза ПК₃ входят преимущественно масла с примесью смол, MK₁-МК₂ - масла с примесью смол и небольшого количества асфальтенов, МК₃ - преимущественно масла с примесью смол.

Следует отметить, что в карбонатных отложениях с синбитумоидом I и II типов незначительные миграционные потери УВ могут происходить в зонах прото- и мезокатагенеза за счет диффузии невозможно, ограниченного растворения в воде. В карбонатных породах с синбитумоидом III типа возможны потери УВ за счет диффузии, незначительного растворения в воде и при градациях катагенеза МК₄-MK₅ ограниченного растворения в сжатых газах. Только в карбонатных отложениях с синбитумоидом IV типа при концентрациях С_орг> 1,5 % (в среднем 4-5%) вполне возможна активная первичная миграция нефти в свободной фазе в зоне ГФН при градациях катагенеза MK₁-МК₃.

Миграционные потери в первых двух группах не имеют практического значения, в третьей группе за счет миграционных потерь возможно образование непромышленных газоконденсатных скоплений в зоне ГФН, только в четвертой группе за счет миграционных потерь в зоне ГФН возможно образование промышленных скоплений нефти.

Таким образом, учитывая роль различных механизмов в процессе первичной миграции нефти в карбонатных отложениях, следует отметить, что промышленные скопления нефти могли образоваться в основном за счет первичной миграции нефти в свободной фазе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Деменкова П.Я., Захаренкова Л.Н., Белая Л.Н. О распространении порфиринов в битумоидах пород Пермского Прикамья.- Геология нефти и газа, 1971, № 12, с. 41-44.

2. Жузе Н.Г., Боровая Г.М. О характере первичной миграции рассеянных битумоидов в карбонатых породах. PC ВИНИТИ, геология, 1976, № 2.

3. Неручев С.Г. Нефтепроизводящие свиты и миграция нефти. Л., Недра, 1969.

Таблица 1 Сравнительная насыщенность открытых пор сингенетичным битумоидом различных литологических типов карбонатных пород Башкирии

Порода	Концентрация Cорг в породе, %	Градация катагенеза ОВ	Насыщенность открытых пор битумоидом, %
Известняки, доломиты светлосерые	<0,1	ПК3-МК2	0,34-4,8
Известняки, доломиты серые	0,15-0,45	ПК3-МК2	0,99-12,16
Известняки, мергели темносерые	0,55-0,95	мк1-мк2	14-20
Известняки, мергели, сланцы черные	1,5-7,5	ПК3-МК2	85,6-40

Таблица 2 Распределение порфиринов в битумоидах, извлекаемых серией растворителей из ОВ породы (известковый мергель, градация катагенеза ПК₃)

Экстракт	Растворитель	Выходы битумоида на породу, %	Распределение битумоида, % от общего выхода	Порфирины, мг/100 г экстракта		Групповой состав экстракта, %				Смолы/ асфальтены	Масла/(смолы+асфальтены
				V-р	Ni-р	Масла	Смолы, бензол	Смолы, спирто-бензол	Асфальтены
I	Бензол, фракция 70-100 °С	0,6	39,6	294	Не обн.	50,9	26,8	20,0	1,2	39,0	1,2
II	Бензин+бензол, 3:1	0,19	12,8	3100	»	19,0	21,2	43,0	18,6	3,5	0,2
III	Бензин+бензол, 1:1	0,13	8,4	43,4	»	20,9	21,0	8,7	52,0	0,6	0,2
IV	Бензол, 100 %	0,25	16,5	4390	»	17,0	17,8	15,2	52,7	0,6	0,2
V	Спиртобензол, 1:4	0,34	22,6	3742		8,9	18,4	17,7	58,8	0,6	0,1

Таблица 3 Сравнительная характеристика битумоидов, извлекаемых из ОВ пород серией растворителей

Экстракт	Растворитель	Выход битумоида, % на породу	Распределение битумоида, % от общего выхода	Порфирины, мг/100 г экстракта		Групповой состав экстракта, %				Порода	Тип битумоида	Градация катагенеза
				V=p	Ni=p	Масла	Смолы, бензол	Смолы, спиртобензол	Асфальтены
I	Бензин+бензол, 3:1	2,22	64,57	700	-	52,81	26,26	6,53	14,4	Мергель черный	СБ	ПК3
II	Бензол, 100 %	0,38	11,06	3769	-
III J	Спиртобензол, 1:4	0,84	24,37	291	-
	Общий выход	3,44	100
I	Бензин +бензол, 3:1	0,23	33,28	687,3	-	23,43	17,15	42,54	16,88	То же	СОБ	МК2
II	Бензол, 100 %	0,11	16,35	2100	-
III	Спиртобензол, 1:4	0.35	50,37	136,3	-
	Общий выход	0,69	100
I	Бензин+бензол, 3:1	0,81	74,46	644,5	-	54,57	13,32	29,79	2,32	Известняк черный	ЭАБ	ПК3
II	Бензол, 100 %	0,015	5,24	349,4	-
III	Спиртобензол	0,22	20,30	206.4	-
	Общий выход	1,09	100