|
© Коллектив авторов, 2004 |
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАТАГЕНЕЗА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОРОД БАЖЕНОВСКОЙ СВИТЫ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
И.В. Гончаров, В.В. Самойленко, Н.В. Обласов, С.В. Носова (ОАО “Томский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа Восточной нефтяной компании”)
Оценка уровня зрелости ОВ нефтематеринских пород является одним из центральных вопросов в нефтяной геологии, поскольку она непосредственно влияет на многие практические решения. Основные среди них - определение масштабов генерации УВ и вопросы корреляции нефть-нефтематеринские отложения, т.е. установление источника генерации и его местонахождения. Однако решение второй задачи возможно лишь в случае оценки катагенеза нефтей и ОВ набором одних и тех же параметров.
К общепринятому параметру оценки катагенеза ОВ относится отражательная способность витринита. Однако применительно к классическим нефтематеринским породам, к которым относится баженовская свита, его прямое измерение невозможно, поскольку в составе органического материала отсутствует витреновая составляющая. Потому подавляющее число определений катагенеза баженовской свиты выполнено путем измерения отражающей способности витринита углей (R0) из пород близкой по возрасту верхневасюганской подсвиты.
Естественно, что также невозможно прямое определение отражательной способности витринита в нефтях. Поэтому количественную оценку катагенеза нефтей, как правило, проводят лишь на уровне “больше-меньше”, используя различные молекулярные параметры состава. Кроме того, технология измерения отражательной способности витринита - сложный и многостадийный процесс, включающий отбор керна, содержащего углистые включения, приготовление аншлифов и микроскопические измерения. При этом конечный результат в значительной степени зависит от качества приготовления аншлифов и типа витреновой составляющей углистого включения. Поэтому результаты определений, выполненных в разных лабораториях и разными операторами, существенно отличаются. В связи с этим заманчиво выглядит идея проводить определение степени катагенеза ОВ с использованием других параметров.
В работах [2, 4] проведена калибровка молекулярных параметров катагенеза экстрактов из пород и отражательной способности витринита. При этом выяснилось, что абсолютную калибровку провести невозможно. Взаимосвязь отражательной способности витринита и того или иного молекулярного параметра зависит от множества факторов: типа исходных биопродуцентов и условий их фоссилизации, минерального и литологического составов минеральной матрицы, а также характера термической эволюции бассейна осадконакопления. Поэтому для каждого бассейна (в крупных бассейнах для его отдельных частей) должна быть своя калибровка.
Для проведения калибровки молекулярных параметров катагенеза экстрактов из пород баженовской свиты Томской области по отражательной способности витринита авторы статьи подобрали коллекцию керна баженовской свиты с шагом 0,5-1,0 м по разрезу с различных площадей изучаемой территории. Образцы были исследованы по технологии Rock-Eval. Затем методом экстракции хлороформом в аппарате Сокслета из них были получены экстракты, которые были исследованы методом хроматомасс-спектрометрии. Параллельно для измерения отражательной способности витринита были отобраны угли из нижезалегающего пласта Ю1 того же возраста. Детальное исследование полученных экстрактов из баженовской свиты методом хроматомасс-спектрометрии позволило опробовать в качестве критериев катагенеза множество различных параметров. При этом выяснилось, что многие “хорошо работающие” в других регионах параметры (Виноградова Т.Л., Чахмахчев В.А., Агафонова З.Г. и др., 2001; [5]) для баженовской свиты оказались неэффективными, например параметры, основанные на составе нафталинов и фенантренов. Кроме того, очень неплохо проявляет себя их отношение (ТАр/БАр).
Из результатов анализов видно, что многие молекулярные параметры состава экстрактов изменяются при переходе от одной площади к другой (таблица). Поскольку при этом происходит изменение отражательной способности витринита, то можно предположить, что это обусловлено разной стадией катагенеза ОВ пород. Важно отметить, что как R0, так и молекулярные параметры не всегда изменяются в соответствии с глубиной залегания, как правило, предопределяющей пластовую температуру и уровень термической зрелости.
Увеличение их значений наблюдается с ростом катагенеза (рис. 1). Однако связи эти размыты и выражены не очень четко за счет того, что при минимальных значениях молекулярных параметров наблюдается широкий разброс значений R0 (0,51-0,76 %). Это может быть вызвано двумя основными причинами - либо R0, либо молекулярные параметры на начальных градациях катагенеза неадекватно отражают происходящие изменения в ОВ.
Изменение отражательной способности витреновой составляющей углей происходит в результате сложного комплекса процессов, среди которых основные - элиминирование низкомолекулярных фрагментов, перегруппировка и упорядочивание ее структуры. Основными факторами, их контролирующими, являются температура и время. Именно эта особенность витринита заложена при оценке катагенетической преобразованности ОВ, но она справедлива для термической эволюции конкретного образца угля, а измерение R0 осуществляется для различных образцов. При этом огромное влияние оказывает “предыстория” образца (тип биопродуцента, условия его фоссилизации, степень окисленности и т.д.). На поздних градациях катагенеза эти различия нивелируются, а на низких стадиях их влияние очень заметно.
С этих позиций понятно, почему при одних и тех же низких значениях молекулярных параметров (см. рис. 1) наблюдается широкий разброс значений R0. На молекулярные параметры эти факторы оказывают наименьшее влияние. Так, изомеризационный процесс перехода менее термодинамически стабильного 1-метилдибензтиофена в более стабильный 4-метилизомер не зависит от происхождения образца, а отражает только равновесное состояние, которое обусловлено временем и температурой. Примечательно, что взаимосвязи молекулярных параметров со значениями R0 и Tmax совершенно идентичны (см. рис 1, А, Г). В области низких градаций катагенеза (Tmax ниже 430 °С) наблюдается широкий разброс значений Ттах, обусловленный любыми причинами [3], кроме катагенеза ОВ. Кроме того, нельзя исключать, что используемые молекулярные параметры (кроме Кi) “не работают” в области слабого катагенеза (R0 = 0,5-0,7 %).
Наименее четкая связь наблюдается между R0 и 1 /Кi (см. рис. 1, Д). Вероятно, основная причина заключается в том, что рассмотренные параметры прежде всего характеризуют изомеризационные и термокаталитические превращения, а Кi отражает стадийность высвобождения жидких УВ из керогена. При этом значение параметра в первых и последних порциях генерации может отличаться в 10-15 раз, что легко подтверждается экспериментально. На рис. 2 показано изменение значения Кi в ходе прогрева (330 °С) в среде бензола в режиме протока растворителя предварительно проэкстрагированных образцов породы Лугинецкой и Арчинской площадей. Исходные экстракты из этих пород характеризуются высокими значениями Кi (очень слабый катагенез), а уже первые порции пиролизатов имеют очень низкие значения этого параметра.
В случае нефтематеринских пород, имеющих хорошую связь с коллектором, происходит быстрый отток генерированных УВ в поровое пространство коллектора, и экстракт, полученный из такой породы, отражает состав УВ последней фазы генерации. Однако в подавляющем большинстве нефтематеринское ОВ оказывается заблокированным карбонатными, кремнистыми или глинистыми составляющими минеральной матрицы пород или асфальтосмолистыми пробками. Поэтому генерированные порции нефти часто оказываются запечатанными в системе закрытых пор. В этом случае экстракты, полученные из породы, которая подвергалась достаточно жестким термическим воздействиям, могут иметь широкий разброс значений Кi, поскольку в поровое пространство не успели покинуть УВ первой фазы генерации с высокими значениями Кi (Гончаров И.В., 2000). В пользу этого свидетельствует характер поведения величины Кi по разрезу Глуховской и Двуреченской скважин, имеющих существенно разный катагенез. Так, размах варьирования значительно шире для скважины с низким катагенезом (Двуреченская) (рис. 3).
Важно, что для обеих площадей сохраняется одинаковый характер зависимости Кi от значения Сорг - с ростом последнего изопреноидный коэффициент Кi, отражающий стадийность выделения УВ из матрицы керогена, уменьшается. Очевидно, при большом содержании углерода генерируется много УВ, что приводит к повышению внутрипорового давления, раскрытию пор и их промывке свежими порциями. В итоге в порах остаются только УВ последней фазы генерации с низким значением Кi. При низком содержании Сорг генерированных соединений, напротив, мало, что недостаточно для создания давления раскрытия пор. В таких порах происходит “застаивание” жидких УВ, что приводит к смешению первых (высокие Кi) и последних (низкие Ki;) порций генерации. Справедливость такого объяснения подтверждается тем, что значение Кi нефти, полученной при испытании баженовской свиты Глуховской площади, оказалось ниже, чем в большинстве экстрактов (см. рис. 3, Б). Это понятно - при испытании на поверхность была поднята нефть, находившаяся в межпоровом пространстве и представляющая собой последнюю фазу генерации.
Любопытно, что для Двуреченской площади прослеживается не один, а два тренда Сорг - Кi (для верха и низа баженовской свиты), что, вероятно, обусловлено различным минеральным составом пород. Наличие двух пачек в разрезе баженовской свиты юго-восточной части Западной Сибири хорошо известно [1]. Точно так же литологические особенности состава пород площадей, расположенных южнее и севернее Лугинецкого месторождения, обусловили различный характер поведения Кi (см. рис. 1, Д), поскольку именно здесь происходит замещение “классической” баженовской свиты ее аналогом - марьяновской свитой. Таким образом, явная зависимость Кi от литологии и содержания Сорг требует осторожности и нуждается для своей корректной интерпретации в достаточно солидной выборке образцов, характеризующих весь разрез. При этом уровень зрелости должен оцениваться не по среднему, а по минимальным значениям Кi.
Из таблицы видно, что параллельно с молекулярными параметрами происходит изменение S1, отнесенной к Сорг. Очевидно, эта величина наряду с Tmax может служить дополнительной мерой катагенетической превращенности ОВ по результатам пиролиза.
Между молекулярными параметрами катагенеза наблюдается значительно более тесная связь, чем с R0 и Tmax (рис. 4). Это обусловлено тем, что выбранные молекулярные параметры мало зависят от предыстории образца и измеряются с большой точностью. Сопоставление рис. 1 и 4 однозначно указывает на необходимость перехода в нефтяной геологии от общепринятых параметров, основанных на результатах углепетрографических и пиролитических измерений, характеризующих состояние твердой углеродсодержащей части осадочных толщ, к молекулярным параметрам, отражающим уровень термической эволюции непосредственно с ОВ нефтематеринской породы.
Анализ материала по Западной Сибири и другим регионам показывает, что залежи нефти с Кi > 1 (за исключением биодеградированных нефтей) практически неизвестны, следовательно, Ki > 1 характеризует “донефтяной” катагенез, т.е. ту стадию зрелости ОВ пород, когда количества генерированных УВ еще недостаточно для формирования залежей нефти.
Однако из этого не следует, что полученные зависимости для экстрактов можно непосредственно использовать для оценки катагенеза нефтей. Состав соединений, получаемых путем экстракции их из порового пространства нефтематеринской породы, существенно отличается от состава тех веществ, которые оказались аккумулированными в ловушке, а также были подняты на поверхность при испытании скважины.
В процессе первичной и вторичной миграции первоначальный состав генерированных соединений значительно изменяется в соответствии с их полярностью, компланарностью, размерами и т.д., т.е. теми особенностями строения, которые определяют их сорбционную активность и растворимость в воде. Поэтому наибольшего внимания заслуживают те параметры, которые измеряются при анализе с минимальной погрешностью.
К ним прежде всего относятся параметры, основанные на содержании насыщенных УВ. Однако в области высоких значений R0 низкое содержание стеранов и гопанов существенно влияет на погрешность измерения. В связи с этим старый и легко определяемый параметр Ki, вероятно, остается одним из самых надежных критериев. Из других параметров самого пристального внимания заслуживает отношение 4МДБТ/1МДБТ.
Проведенный комплекс исследований пород Баженовской свиты и полученных из них экстрактов позволил сделать следующие основные выводы:
· сопоставление результатов детальных исследований экстрактов с данными пиролиза и измерением отражательной способности витринита показало, что широко описанные в литературе молекулярные параметры катагенеза, основанные на составе нафталинов и фенантренов в интервале зрелости R0 = 0,5-0,9, “не работают”;
· из всех рассмотренных параметров катагенеза наиболее информативными в пределах исследованного диапазона R0 оказались Кi, 4МДБТ/1МДБТ, ТАр/БАр, ТА(I)/ТА(I+II) и Ts/(Ts+Tm). Они изменяются достаточно широко и в соответствии со значениями отражательной способности витринита и с результатами пиролитических исследований;
· отмечается существенная зависимость многих молекулярных параметров катагенеза от литологии и минерального состава пород, при этом наименьшую зависимость показывает отношение 4МДБТ/1МДБТ;
· наблюдаются высокие корреляционные связи между молекулярными параметрами катагенеза и обнаружен большой разброс значений в данных пиролиза и отражательной способности витринита в области низких градаций катагенеза. Отсюда можно предположить, что в этой области (R0 = 0,50-0,75) молекулярные параметры лучше отражают степень термического воздействия на нефтематеринскую породу, а на результаты углепетрографических и пиролитических исследований существенно влияют иные факторы. В связи с этим поставлен вопрос о необходимости перехода от общепринятых параметров катагенеза к молекулярным параметрам, более точно отражающим термическую эволюцию ОВ.
Литература
1. Брадучан Ю.В. Баженовский горизонт Западной Сибири (стратиграфия, палеогеография, экосистема, нефтеносность) / Ю.В. Брадучан, Ф.Г. Гурари, В.А. Захаров и др. - Новосибирск: Наука, 1986. - 386 с.
2. Molecular measurements of maturity for d Lias shales in N.W. Germany / Andrew S. Mackenzie, Detlev Leythaeuser, Franz-Josef Altebaumer, Ulrich Disko, Jurgen Rullkotter // Ceochimica et Cosmochimica Acta. - 1988. - Vol. 52. - P. 1145-1154.
3. Peters K.E. Guidelines for Evaluating Petroleum Source Rock Using Programmed Pyrolysis // AAPG Bulletin. - 1986. - Vol. 70. - P. 318-329.
4. Petroleum geology and geochemistry of middle proterozoic McArthur basin, northern Australia II: Assessment of source rock potential / I.H. Crick, C.J. Boreham, A.C. Cook, T.G. Powell // AAPG Bulletin. - 1988. - Vol. 72, № 12. - P. 1495-1514.
5. Radke M. Application of aromatic compounds as maturity indicators in source rock and crude oil // Marine and Petroleum Geology. - 1988. - Vol. 5, August. - P. 224-236.
The carried out complex of studies concerning Bazhenov suite rocks and extracts obtained from them make it possible to draw the following principal conclusions: correlation of results of detailed studies and extracts with pyrolysis data and measurements of vitrinite reflective ability showed that molecular parameters of catagenesis based on naphthalene and phenanthrene composition within maturity range Ro 0.5-0.9 don’t “work”; within the studied range Ro the most informative parameters of catagenesis were Ki, 4MDBT/1MDBT, TAr/BAr, TA(1)TA(I+II) and Ts/Ts+Tm;the least dependence of many molecular parameters of catagenesis upon lithology and mineralogical composition of rocks demonstrated the ratio 4MDBT/1MDBT; high correlation relationships between molecular parameters of catagenesis are observed, and a large spread of values in pyrolysis data and vitrinite reflective ability as regards low gradations of catagenesis was found out.
Таблица Взаимосвязь некоторых молекулярных параметров катагенеза, данных Rock-Eval и отражательной способности витринита
|
Глубина, м |
Кi |
ТАр/БАр |
4МДБТ/1МДБТ |
MPI-3 |
Ts/(Ts+Tm), % |
ТА(I)/ТА(I+II), % |
Tmax, °C |
10*S1/Copr, кг/1 т породы |
Сорг, % |
|
Лугинецкая площадь, скв. 189; R0 = 0,60 % |
|||||||||
|
2321,0 |
0,82 |
0,39 |
0,55 |
0,69 |
29,2 |
12,5 |
422 |
0,51 |
15,44 |
|
2325,1 |
0,85 |
0,35 |
0,65 |
0,71 |
Не опр. |
12,6 |
423 |
0,58 |
11,36 |
|
2326,1 |
1,22 |
0,45 |
0,57 |
0,69 |
28,6 |
11,7 |
420 |
0,53 |
12,93 |
|
2328,0 |
1,15 |
0,36 |
0,61 |
0,70 |
27,4 |
12,6 |
425 |
0,60 |
13,01 |
|
2330,2 |
0,87 |
0,32 |
0,66 |
0,68 |
28,4 |
Не опр. |
419 |
0,68 |
11,34 |
|
Верхнесалатская площадь, скв. 21; R0 - 0,69 % |
|||||||||
|
2417,1 |
1,25 |
0,28 |
0,71 |
0,71 |
Не опр. |
11,9 |
416 |
0,89 |
8,42 |
|
2421,6 |
0,91 |
0,41 |
0,70 |
0,70 |
“ |
14,1 |
421 |
0,92 |
8,35 |
|
2423,5 |
1,13 |
0,26 |
0,69 |
0,71 |
" |
11,3 |
418 |
0,69 |
8,21 |
|
2425,5 |
0,87 |
0,35 |
0,53 |
0,74 |
" |
Не опр. |
419 |
0,80 |
8,62 |
|
2427,5 |
0,86 |
0,29 |
0,70 |
0,69 |
" |
" |
419 |
0,78 |
6,79 |
|
Торцовая площадь, скв. 140; R0 = 0,83 % |
|||||||||
|
2431,4 |
0,61 |
0,65 |
2,26 |
0,60 |
47,4 |
Не опр. |
432 |
0,98 |
5,55 |
|
2437,4 |
0,69 |
0,55 |
2,31 |
0,59 |
51,5 |
41,1 |
432 |
1,07 |
8,53 |
|
2443,1 |
0,68 |
0,54 |
2,07 |
0,59 |
49,5 |
39,7 |
433 |
0,87 |
10,42 |
|
2446,2 |
0,53 |
0,45 |
2,29 |
0,60 |
50,4 |
Не опр. |
429 |
1,33 |
6,23 |
|
2449,1 |
0,55 |
0,60 |
1,94 |
0,62 |
46,1 |
39,1 |
430 |
2,08 |
4,78 |
|
Кулгинская площадь, скв. 145; Ra = 0,50-0,67 % |
|||||||||
|
2622,8 |
1,62 |
0,24 |
0,60 |
0,61 |
30,2 |
6,0 |
427 |
0,45 |
8,71 |
|
2623,8 |
1,57 |
0,30 |
0,47 |
0,62 |
35,7 |
6,2 |
427 |
0,49 |
8,10 |
|
2624,7 |
1,64 |
0,25 |
0,50 |
0,62 |
34,6 |
7,7 |
428 |
0,49 |
5,39 |
|
2625,7 |
1,34 |
0,28 |
0,46 |
0,69 |
32,5 |
5,5 |
428 |
0,51 |
8,70 |
|
2626,7 |
1,15 |
0,23 |
0,47 |
0,67 |
32,1 |
7,0 |
422 |
0,52 |
9,15 |
|
Двуреченская площадь, скв. 15; R0 = 0,67 % |
|||||||||
|
2662,0 |
1,01 |
0,36 |
0,71 |
0,67 |
Не опр. |
18,2 |
417 |
0,64 |
9,07 |
|
2663,5 |
0,96 |
0,34 |
0,75 |
0,63 |
“ |
27,0 |
421 |
0,67 |
9,91 |
|
2666,5 |
1,01 |
0,30 |
0,54 |
0,62 |
" |
25,0 |
428 |
0,64 |
25,23 |
|
2670,5 |
1,46 |
0,27 |
0,59 |
0,66 |
" |
21,7 |
430 |
0,71 |
10,18 |
|
2672,0 |
1,29 |
0,30 |
0,64 |
0,68 |
" |
Не опр. |
426 |
0,40 |
17,01 |
|
Глуховская площадь, скв. 4; R0 - 0,93 % |
|||||||||
|
2976,2 |
0,70 |
0,66 |
2,89 |
0,51 |
63,7 |
49,8 |
440 |
1,16 |
10,80 |
|
2981,2 |
0,70 |
0,63 |
3,00 |
0,52 |
63,3 |
44,4 |
437 |
2,15 |
5,76 |
|
2985,2 |
0,68 |
0,55 |
2,94 |
0,52 |
Не опр. |
Не опр. |
441 |
1,64 |
9,10 |
|
2989,5 |
0,79 |
0,63 |
2,41 |
0,51 |
" |
" |
441 |
1,72 |
5,97 |
|
Кузырская площадь, скв. 320; R0 - 0,96 % |
|||||||||
|
3039,6 |
0,56 |
0,94 |
4,08 |
0,49 |
Не опр. |
93,3 |
441 |
0,99 |
14,66 |
Примечание. Кi= (i-С19 + i-С20) / (n-C17+n-C18); TAp - сумма фенантрена и метилфенантренов; БАр - сумма нафталина, метил- и диметилнафталинов; 4МДБТ,1МДБТ - 4-метил- и 1-метилдибензтиофены соответственно; MPI-3 = (2-метилфенантрен + 3-метилфенантрен)/(9-метилфенантрен + 1-метилфенантрен); Ts - 18α(Η) - 22,29,30-трисноргопан; Tm - 17a(Н) - 22,29,30-трисноргопан; TA(I) - сумма триароматических стеранов состава С20 и С21; ТА(II) - сумма триароматических стеранов состава С26,С27 и С28; Tmax - температура максимального выхода УВ в пике S2 метода Rock-Eval; - количество УВ, находящихся в поровом пространстве породы.
Рис.1. ВЗАИМОСВЯЗЬ НЕКОТОРЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОСТАВА ЭКСТРАКТОВ, ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВИТРИНИТА И ДАННЫХ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
1 - Нюрольская впадина и прилегающие территории; 2 - территория, расположенная северо-восточнее Нюрольской впадины, включая Лугинецкое и Мыльджинское куполовидные поднятия
Рис. 2. ИЗМЕНЕНИЕ Кi В ПРОЦЕССЕ ПРОТОЧНОГО ПИРОЛИЗА ОБРАЗЦОВ ПОРОДЫ
Площадь: 1 - Лугинецкая, 2 - Арчинская
Рис. 3. ИЗМЕНЕНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПО РАЗРЕЗУ БАЖЕНОВСКОЙ СВИТЫ ДВУРЕЧЕНСКОЙ (А) и ГЛУХОВСКОЙ (Б) ПЛОЩАДЕЙ
Скважина: а - 15 Двуреченская, б-4 Глуховская; 1 - верх баженовской свиты; 2- низ баженовской свиты
Рис. 4. ВЗАИМОСВЯЗЬ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАТАГЕНЕЗА
