|
© Ю.И. Галушкин, 2005 |
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ И УСЛОВИЯ ГЕНЕРАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ НА РИФТОВОЙ СТАДИИ РАЗВИТИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ
Ю.И. Галушкин (МГУ)
Оценка глубины зон генерации жидких и газовых УВ по соответствующим значениям отражательной способности витринита (R0, %) широко принята в литературе. При этом считается, что нефть генерируется породами, у которых степень созревания ОВ находится в пределах 0,50 <= R0 <= 1,30 % (Лопатин Н.В., Емец Т.П., 1986; Waples D.W., 1980; 1985; Лопатин Н.В. и др., 1996; [1]). Интервалы 1,30 <= R0 <= 2,00 и R0 >= 2,00 % используются для определения глубины генерации жирного и сухого газа соответственно. В данной статье используется система численного моделирования осадочных бассейнов Гало для рифтового этапа развития бассейнов. Расчёты позволяют заметно скорректировать значения R0, используемые в литературе для оценки указанных глубин.
Высокий тепловой поток на рифтовом этапе развития континентальных осадочных бассейнов способствует относительно быстрой реализации потенциала генерации УВ соответствующими свитами. При этом степень влияния тепловой активизации на созревание ОВ существенно зависит от скорости отложения осадков на рифтовом этапе развития бассейна. Опишем результаты численного анализа с применением системы моделирования осадочных бассейнов Гало [1] на примере модельных вариантов развития бассейнов, формирующихся на стандартной континентальной литосфере, остывающей от начального прогретого состояния с тепловым потоком на поверхности около 105 мВт/м2, типичным для осевых зон континентальных рифтов (Смирнов Я.Б., 1980). Для упрощения анализа предполагается, что осадочный покров бассейна сложен породами однородного литологического состава (50 % глин и 50 % песчаников). Эволюция теплового режима и генерационные свойства осадочной толщи рассмотрены для четырех вариантов формирования бассейна с толщиной осадков 8; 6; 4 и 2 км (в современном разрезе), отложенных за каждые 10 млн. лет. Вся история развития бассейна длительностью 20 млн лет разделена на 20 этапов отложения осадков продолжительностью 0,5 млн лет каждый и заключительный этап с перерывом осадконакопления длительностью 10 млн лет. При моделировании вследствие уплотнения полный объем неуплотненных осадков, накопившихся на поверхности бассейна, превосходил интегральную мощность осадочного покрова в современном разрезе в 2,12; 2,01; 1,84 и 1,54 раз для вариантов с накоплением 8; 6; 4 и 2 км осадков соответственно.
На рис. 1 приведены примеры численных реконструкций истории погружения, эволюции температуры и зрелости ОВ для отложений 4 и 8 км осадочных толщ на рифтогенном этапе развития бассейнов. Температурный режим бассейнов формировался под влиянием трех основных факторов, включавших остывание литосферы бассейна от начального рифтового состояния, отложение "холодных" осадков на поверхности бассейна и теплоизолирующий эффект осадочной толщи. Эти факторы отражались в вариациях теплового потока. Так, остывание первоначально прогретой литосферы бассейна вызывало резкое уменьшение теплового потока от его начального значения 105 мВт/м2, особенно заметное на начальных этапах развития бассейна. Интенсивное осадконакопление приводит к тому, что в варианте с максимальной скоростью погружения (V=0,8 км/млн лет) тепловой поток через поверхность осадков понижается до значений, на 5-10 мВт/м2 меньших потока, чем через поверхность фундамента. После окончания процесса осадконакопления тепловой режим осадочной толщи релаксирует к своему равновесному значению и уже через 2-3 млн лет поверхностный тепловой поток становится на 3-7 мВт/м2 выше потока из фундамента. Последний фактор обусловлен в основном вкладом радиогенного тепла осадков [1]. Заметим, что во всех вариантах реконструкций нижняя граница области счета температур располагалась на глубине 110 км и во все время счета поддерживалась температура 1150 °С. После отложения осадков в течение первых 10 млн лет и последующего перерыва той же продолжительности поверхностный тепловой поток уменьшается от 105 в период зарождения бассейна до 64-68 мВт/м2, а температура пород в основании бассейна, т.е. на глубине 2; 4; 6 и 8 км достигает 95; 154; 205 и 251 °С в вариантах со скоростями отложения осадков 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 км/млн лет соответственно (см. рис. 1).
Рост температуры при быстром погружении пород осадочной толщи рифтогенных бассейнов приводит к интенсивному созреванию ОВ осадочных пород и заметной реализации их потенциала генерации УВ уже на начальных этапах развития бассейнов. Расчеты показывают, что ОВ пород, погрузившихся на глубину 2; 4; 6 и 8 км (т.е. в основании современной осадочной толщи), достигает степени зрелости, отвечающей отражательной способности витринита R0 = 0,634; 1,301; 2,469 и 3,704 % соответственно. В варианте с максимальной скоростью погружения (8 км/ 10 млн лет) температура пород в основании осадочной толщи превосходила 150 °С уже в первые 5 млн лет осадконакопления, а степень катагенеза ОВ превышала R0 = 1,0 % (см. рис. 1).
Вслед за ростом температуры и катагенеза в процессе погружения бассейна менялась также и степень реализации его нефтегазогенерационного потенциала. Для разных времен развития бассейна (5, 10 и 20 млн лет после начала рифтогенеза) приведены изменения с глубиной объемов генерированных газовых и жидких УВ (рис. 2). Результаты представлены для вариантов V= 0,8 и 0,4 км/млн лет и двух распространенных типов ОВ - керогена типов III и II. Принципы расчета выхода УВ описаны в литературе [1]. Параметры кинетических спектров созревания керогенов, использованные в наших расчетах, брались из работы [2].
Как следует из рис. 2, повышение скорости осадконакопления приводит к росту температур одновозрастных пород бассейнов и способствует более раннему созреванию ОВ, а следовательно, и более ранней генерации УВ. Так, при скорости осадконакопления 0,8 км/млн лет породы в основании осадочного покрова реализуют заметную часть своего потенциала генерации жидких УВ уже в первые 5 млн лет погружения. В варианте с V= 0,8 км/млн лет при дальнейшем погружении бассейна генерированные жидкие УВ этих пород начинают разрушаться в процессе вторичного крекинга и полностью переходят в газ и кокс еще в первые 10 млн лет развития бассейна (конечно, при условии, что генерированные УВ не имели возможности мигрировать в верхние горизонты осадочного покрова с более умеренными температурами). Породы нижних 2,5-3,0 км современного разреза таких бассейнов являются газогенерирующими (см. рис. 2, А). Зона генерации жидких УВ, которая 10 млн лет назад для этого варианта бассейна располагалась на глубине выше 6 км, к настоящему времени (t= 0) поднимается до глубины выше 4,0-4,5 км (см. рис. 2, А). В то же время в варианте с умеренной скоростью отложения осадков (V = 0,4 км/10 млн лет) породы в основании толщи осадочного покрова заметно реализуют свой потенциал генерации жидких УВ лишь после формирования всей мощности осадочного покрова (см. рис. 2, Б). Даже в современном разрезе (t= 0) таких бассейнов породы в его основании затронуты процессами вторичного крекинга жидких УВ лишь в незначительной степени и для керогена II типа остаются преимущественно нефтегенерирующими.
Тесная связь между скоростью осадконакопления и степенью катагенеза ОВ пород на рифтовом этапе развития бассейна имела место в геологической истории многих нефтегазоносных бассейнов мира. Например, в Днепровско-Донецком авлакогене, где скорость осадконакопления в первые 5 млн лет формирования осадочной толщи на Калайдинцевской площади на порядок превышала ее значения на Западно-Крестищевской площади. Как следствие, на первой площади уровень зрелости ОВ, отвечавший началу генерации жидких УВ, достигался за первые 5 млн лет развития бассейна, тогда как для пород второй площади при тех же начальных термических условиях этот уровень зрелости достигался только через 60 млн лет [1]. Аналогичную ситуацию можно проследить и на примере осадочных разрезов Западно-Сибирского, Северо-Германского бассейнов (Галушкин Ю.И. и др., 1985) и ряда других. Во всех случаях, когда мощность осадочного покрова, отложившегося в условиях повышенного теплового потока, превосходила 3-4 км, достигался высокий уровень катагенеза ОВ, и значительная часть исходного нефтегазогенерационного потенциала пород в основании осадочной толщи оказывалась реализованной уже на рифтовом этапе развития бассейна. Конечно, моделирование, представленное на рис. 1, 2, предполагает упрощенную термическую историю бассейна с остыванием его литосферы от начального рифтового нагретого состояния. В конкретных бассейнах существенным фактором, способствующим раннему созреванию ОВ осадочных пород, может оказаться также заметная продолжительность процесса рифтогенеза и сопровождающей его тепловой активизации литосферы. Такая ситуация требует детального анализа геологической истории конкретного бассейна с рассмотрением вариаций амплитуд его тектонического погружения [1].
Результаты, представленные на рис. 2, дают возможность обсудить еще одну важную проблему моделирования бассейнов, касающуюся оценки глубины зон генерации нефти и газа в бассейнах. Как отмечалось, при оценке этих глубин используют интервал 0,50 <=R0 <= 1,30 % для фиксации "окна" генерации нефти; 1,30 <= R0 <= 2,0 % для "окна" генерации жирного газа и R0 >= 2,0 % для генерации сухого газа. При этом значение R0 = 0,75 % считают соответствующим интенсивной генерации нефти. С целью сравнения общепринятых значений R0 с вычисленными в моделях на рис. 2, А, Б слева показаны глубины залегания пород и отражательная способность витринита, отмечающие последовательные зоны генерации УВ в наших моделях. Моделирование показывает, что значения R0 = 0,60 % для керогена типа II и R0 = 0,70 % для керогена типа III лучше подходят для фиксации начала генерации жидких УВ, чем принятое в литературе универсальное значение R0 = 0,50 %. Максимальная генерация жидких УВ лучше отвечает значениям R0 = 1,00 % для керогена типа II и R0 = 1,30 % для керогена типа III. Заметим, что даже для керогена типа II значение R0 = 1,30 % соответствует интенсивной генерации нефти и одновременно начальной стадии вторичного крекинга жидких УВ. Нижняя граница "окна" генерации нефти соответствует R0 ~ 1,50 % для керогена типа II и R0 = 1,80-2,00% для керогена типа III.
Таким образом, глубина зон генерации жидких и газовых УВ может заметно расти в периоды интенсивного осадконакопления и уменьшаться при тепловой релаксации в периоды минимальных (или нулевых) скоростей отложения осадков. Эта глубина зависит от скорости отложения осадков и типа их ОВ. Результаты моделирования предполагают, что ошибки в определении глубин зон генерации нефти и газа в бассейнах с использованием универсальной шкалы R0 могут достигать 1 км и более.
Литература
1. Makhous М. Basin analysis and modeling of the burial, thermal and maturation histories in sedimentary basins / M. Makhous, Y. Galushkin. - Paris, Editions TECHNIP, 2005.
2. Espitalie J. Primary cracking of kerogens. Experimenting and modelling C1, C2-C5, С6-С15 classes of hydrocarbons formed / J. Espitalie, P. Ungerer, I. Irvin, E. Marquis // Org.Geochemistry. - 1988. - Vol.13.
On the basis of a system of numerical modelling of the Galo sedimentary basins at their rift development stage it is shown that the depth of liquid and gaseous HC generation zones may be noticeably increased during periods of intensive sedimentation and decreased under thermal relaxation during periods of mineral (or zero) sedimentation rates. This depth markedly depends on sedimentation rate and organic matter type. The modelling results suggest that errors in the determining depths of oil and gas generation zones in basins using the universal scale Ro (%) may attain 1 km and more.
Рис. 1. ЧИСЛЕННАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ГЛУБИН СЛОЕВ, ТЕМПЕРАТУРЫ ПОРОД И СТЕПЕНИ СОЗРЕВАНИЯ ОВ В ИСТОРИИ ПОГРУЖЕНИЯ РИФТОГЕННЫХ БАССЕЙНОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ГЛИНИСТО-ПЕСЧАНОЙ ТОЛЩЕЙ ОСАДКОВ СО СКОРОСТЬЮ V = 0,4 (А) и 0,8 (Б) км/млн лет
1 - основания 1, 5, 9, 13 и 17-го осадочных слоев; 2-изотермы, °С; 3-изолинии отражательной способности витринита, R0, %
Рис. 2 А. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ С ГЛУБИНОЙ ОБЪЕМОВ ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ УВ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ ПОРОДАМИ С РАЗНЫМ ТИПОМ ОВ И В РАЗНЫЕ МОМЕНТЫ ВРЕМЕНИ РАЗВИТИЯ БАССЕЙНА ПРИ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ 0,8 км/млн лет
Рис. 2 Б. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ С ГЛУБИНОЙ ОБЪЕМОВ ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ УВ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ ПОРОДАМИ С РАЗНЫМ ТИПОМ ОВ И В РАЗНЫЕ МОМЕНТЫ ВРЕМЕНИ РАЗВИТИЯ БАССЕЙНА ПРИ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ 0,4 км/млн лет
1 - нефть; 2 - газ