Геохимическая история преобразования ОВ

В геохимической истории преобразования ОВ осадочных пород можно выделить два основных этапа: биохимическое превращение ОВ, начинающееся при седиментоге- незе и заканчивающееся на стадии диагенеза; термокаталитическое преобразование ОВ (стадия катагенеза), происходящее при погружении осадочных пород на глубину.

Стадия седиментогенеза. Биомасса отмерших организмов и продуктов их прижизненных выделений до поступления в свежеотложенный осадок многократно перерабатывается гетеротрофными организмами в субаэральных и субаквальных условиях, окисляется кислородом воздуха, разрушается механически.

Подавляющая часть (до 99 %) ежегодной биопродукции Земли полностью разрушается и минерализуется до CO2, H2O, NH3 и различных минеральных солей на путях транспортировки к конечным водоемам стока и зонам седиментации. Средний коэффициент фоссилизации в условиях болот - 8,6 %, для озер - 3-5 %, для шельфовых областей моря около 1 %, на континентальном склоне - 0,37 %, в абиссальных зонах - 0,06 %.

Наиболее высокая фоссилизация ОВ характерна для озерно-болотной обстановки осадконакопления, а также для некоторых полуизолированных заливов и морей типа Черного моря, в придонной водной толще которых наблюдается бескислородная анаэробная обстановка, часто с сероводородным заражением, препятствующая полной деградации ОВ до его захоронения в осадке.

Количество и компонентный состав захороняемого ОВ зависят от динамики изменения и особенностей таких седиментогенных факторов, как ландшафтноклиматическая и геологическая обстановка в областях сноса, транзита (преимущественно на суше) и осадконакопления, характер биоценозов, гидрогеологические условия и др. взаимодействие этих факторов приводит к накоплению в осадках водоемов суши и в морских условиях ОВ с различным сочетанием компонентов гумусовой и сапропелевой природы.

Первичные факторы седиментогенеза - режим тектонических движений и палеогеографические условия в областях размыва и накопления - предопределяя фациальную обстановку, в конечном итоге контролируют литолого-петрографический состав осадочных образований, состав и содержание в них ОВ и общий характер минералогических ассоциаций (соотношение форм железа, серы и др.)

В соответствии с климатическими особенностями на континентах выделяют гу- мидный, аридный и гляциальный типы литогенеза.

Гумидный тип литогенеза объединяет осадконакопление в морях и озерах гумид- ных зон, а так же на водосборных пространствах аллювиально-болотных равнин, в предгорьях и межгорных долинах рек и конусов выноса временных потоков. Породы гумидных обстановок осадконакопления окрашены в различные оттенки бурых, зеленых, желтых и особенно серых и черных цветов, что связано с низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала и повышенным содержанием остаточного органического углерода более 0,2 %.

Первыми при микробиальном преобразовании ОВ отмерших организмов разлагаются белки и углеводы, с образованием аминокислот, сахаров, фенолов и их производных. В ОВ взвеси уже идет процесс гумификации ОВ. Большая часть углеводов и белков переходит в воднорастворимые соединения и гидролизуется. С глубиной растет доля таких соединений как жирные кислоты, стерины, жирные спирты, УВ. Также, с увеличением глубины бассейна битумоиды приобретают менее восстановительный характер.

Взвесь, поставляемая водами рек, особенно обогащена металлами: Ni, Fe, Pb и др. после отмирания клетки эти элементы снова попадают в воду, постоянно гидролизуются и осаждаются.

Состав ОВ на стадии седиментогенеза. В осадках, помимо кислорода и азота, связанных с атмосферой, установлены биохимические газы, образовавшиеся в результате микробиальных процессов в осадках: углекислый газ, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан, бутилен, изобутан. Как правило, метана во много раз больше, чем его гомологов, концентрация которых столь мала, что не может представлять интерес для газообразования и обычно зависит от содержания ОВ в осадках: чем его больше, тем выше их концентрация.

В битумоидах из осадков преобладают смолисто-асфальтеновые компоненты, доля УВ составляет 10-15 %. Последние представлены в основном метанонафтеновыми структурами. Отличительный признак УВ в современных осадках - преобладание высокомолекулярных соединений (выше С15), отсутствие низкомолекулярных соединений, составляющих бензиновую фракцию в нефтях [49].

На стадии диагенеза наблюдаются интенсивные структурные преобразования рыхлых осадков, выражающиеся в ранней физико-химической трансформации ОВ, протекающей в начале под влиянием биогеохимических процессов, а затем возрастающих температуры и давления.

В поверхностном слое осадка присутствует четыре компонента: минеральная часть, костное органическое вещество, поровые воды и живые организмы бентоса. Наиболее активной группой являются микроорганизмы, пользующиеся широким распространением.

Деятельность микроорганизмов определяет практически все протекающие в раннем диагенезе процессы, поэтому его называют микробиальной стадией. В позднем диагенезе ОВ также испытывает преобразования, связанные с микробиальной деятельностью, поэтому в целом диагенез - это биогенная стадия преобразования осадка. Выделяют несколько стадий диагенеза.

Ранний диагенез, протекает в верхнем слое осадка в окислительной или нейтральной обстановке. В бассейнах с нормальным кислородным режимом толщина этого слоя составляет 10-15 см, но может достигать и 0,5 м. В бассейнах с дефицитом кислорода этот слой не превышает несколько сантиметров или вообще отсутствует. Продолжительность его от нескольких дней до нескольких тысячелетий, в течение которых происходит биохимическое разложение ОВ. Белки и углеводы подвергаются расщеплению в водной толще. В результате в осадках присутствуют аминокислоты и сахара, содержание их редко превышает 10 % и быстро сокращается с глубиной.

Характерной особенностью распределения микроорганизмов в осадках является резкое уменьшение их общего количества на глубине в несколько дециметров. Это обусловлено истощением части ОВ, доступного для питания, накоплением вредных для жизнедеятельности бактерий веществ, физико-химическими превращениями в осадке.

Второй этап (фреатическая часть метеорной области) раннего диагенеза протекает в современных осадках до глубин 10 м, находящихся ниже уровня наземных вод и характеризуется восстановлением сульфатов, железа и марганца. Существует также фреатическая зона приповерхностной морской области. Поровое пространство в зоне постоянно заполнено водой, здесь наблюдается отрицательный окислительновосстановительный потенциал. Величины давления и температуры в зоне незначительно отличаются от соответствующих величин на поверхности Земли. Движение поровых вод происходит в соответствии с градиентом давления. Это давление образует цикл, включающий выпадение дождя, стекание и просачивание вод, течение вод в пористых породах, их ход и испарение.

Для третьего этапа (морская область) характерно прекращением бактериальной стадии. Происходит перераспределение новообразованных минералов, формирование конкреций, локальная цементация и перекристаллизация ранее образовавшихся минералов. Давления и температуры здесь незначительно отличаются от давлений и температур на поверхности Земли. В поровых водах имеет место восстановительная обстановка. На химический состав поровых растворов сильное влияние оказывают процессы бактериального окисления и реакции восстановления.

На четвертом этапе (область захоронения и погружения) рыхлый осадок превращается в крепкую компактную породу. Отжим поровых вод идет до глубин 300 м, происходит дегидратация водных минералов и частичная перекристаллизация глин. Состав вод, присутствующих в этой области диагенеза, существенно отличается от состава пресных или морских вод, что обусловлено при уплотнении продавливанием исходной погребенной воды через своего род фильтр, необратимо изменяющий ее состав.

В процессе диагенеза формируются различные новообразования (конкреции), отличающиеся друг от друга по составу и форме нахождения. Некоторые из них бывают рассеяны по всей толще осадка, например глауконит, пирит, сидерит и другие минералы. Но часто новообразования концентрируются вокруг каких-либо центров и образуют конкреции шаровидной, почковидной, лапчатой, вытянутой формы. Размеры их от нескольких миллиметров до больших конкреционных линз, протягивающихся на несколько метров. К главным изменениям осадков при диагенезе могут быть отнесены: Обезвоживание и уплотнение, возникающие под давлением накопившихся новых

слоев осадка. Цементация, происходящая из-за наличия различных химических соединений, заполняющих поры и пустоты и цементирующих частицы осадка. Цементирующими веществами чаще всего являются кремнезем, оксиды железа, карбонаты и другие, что в ряде случаев находит отражение в названиях горных пород, например железистый песчаник, известковистый песчаник и т. п. Кристаллизация и перекристаллизация, особенно проявляющиеся в мелкозернистых и иловых хемогенных и органогенных осадках, состоящих из легкорастворимых минералов. Это может приводить к переходу опала в халцедон.

На стадиях седиментогенеза и диагенеза формируются потенциально нефтематеринские, газоматеринские осадки - породы. На этой стадии органический углерод расходуется на редукцию железа, на образование биохимического метана, диоксида углерода. Выделяющийся газ в основном уходит в атмосферу; некоторая часть его захороняется в форме газовых гидратов или в растворенном в воде виде. Концентрация жидких УВ в рассеянном ОВ пород этих стадий ничтожно мала и не может обеспечить формирование промышленных скоплений нефти.

Катагенез — направленный по действию комплекс постдиагенетических процессов, протекающих в осадочных породах вплоть до их превращения в метаморфические является ведущим процессом в преобразовании ОВ, генерации нефти и газа и изменении свойств самих пород нефтегазоносных отложений, что в совокупности во многом определяет закономерности распределения нефти и газа в земной коре.

Подавляющее большинство явлений катагенеза представляют собой совокупность одновременно или последовательно действующих факторов преобразования вещества (температура, статическое, динамическое и флюидодинамическое давление, сейсмические колебания, радиоактивность, химические реакции, естественные поля Земли).

Главными факторами катагенеза являются температура и давление, создающие в совокупности определенный термобарический режим, который необходим для приобретения ОВ в процессе его изменения присущих данному уровню катагенеза физико-химических свойств. В процессе погружения отложений Т и Р возрастают параллельно и одновременно, меняется только доля влияния каждого из них в суммарном эффекте катагенеза [5].

На стадии катагенеза реализуются потенциальные возможности пород генерировать газ, нефть, конденсат. Процесс начинается с образования газа, которое сопутствует нефтеобразованию и завершает его. Генетический ряд образующихся УВ согласуется с термобарическими условиями разных зон, которые проходят нефтегазоматеринские породы, и находит подтверждение в вертикальной зональности распределения УВ газа, нефти, конденсата, сухого газа.

Процесс катагенного преобразования ОВ развивается сначала медленно (протокатагенез) и сопровождается преимущественно газообразованием с преобладанием углекислого газа. К середине мезокатагенеза (градации МК1-МК3, температура 100200 °С) происходят основная генерация жидких УВ микронефти, в отрыве от матрицы ОВ перемещение в более пористые породы, миграция и эмиграция микронефти. Этап основной реализации нефтематеринских свойств пород определяется как главная фаза нефтеобразования (температура 60-180 °С, R0 0,5-2), а нефтематеринские породы, находящиеся в этих условиях - как главная зона нефтеобразования. В этих условиях породы становятся собственно нефтепроизводящими.

Этот процесс подчиняется законам термодинамики и регионально распространен в широком стратиграфическом диапазоне осадочных образований.

На стадии катагенеза до 30 % ОВ превращаются в микронефть, образуются УВ, входящие в состав бензинокеросиновой фракции. От протокатагенеза к мезокатаге- незу содержание жидких УВ в составе ОВ увеличивается в 10-15 раз. Для условий главной фазы нефтеобразования характерна повышенная концентрация алканов и изоалканов. На ее завершающей стадии (gt;180 °С) в системе развиваются реакции крекинга и деструкции УВ.

В апокатагенезе вследствие разрыва прочных связей под действием высоких температур и давления генерируется сухой газ.

Для определения степени катагенного преобразования ОВ осадочных пород используют шкалу И.И. Амосова, учитывающую элементарный состав нерастворимой фракции ОВ и другие его характеристики. Если в породе присутствуют углистые включения типа витринита, то их отражательную способность используют в качестве «природного термометра». По отражающей способности витринита можно судить о максимальных температурных воздействиях на породы и определять стадии литификации осадочных пород, а следовательно и степень катагенной превращенности, заключенного в них ОВ. Наиболее распространенной шкалой катагенных преобразований является схема Н.Б. Вассоевича (табл. 3.1).

Вертикальная зональность образования УВ. Процесс преобразования рассеянного ОВ идет очень неравномерно. На его различных этапах происходит генерация либо газообразных, либо жидких компонентов. Впервые вертикальная зональность нефтегазообразования была выявлена в 1948 г. В.А. Соколовым, установившим в разрезе осадочного чехла ряд зон с разной интенсивностью и направленностью процессов формирования УВ и представившим процесс графически (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Общая схема вертикальной зональности образования УВ в осадочных породах (по В.А. Соколову, Б. Тиссо, А.Э. Конторовичу)

Верхняя часть разреза (до глубины 50 м) находится во власти биохимических преобразований. УВ органического вещества, накапливающегося в осадке в диффузионнорассеянном состоянии, и сама органическая материя подвергается воздействию бактерий и их ферментов. Происходит образование СН4 и СО2. В интервале глубин от 50 м до 1 км выделяется переходная зона, в которой ОВ претерпевает слабые изменения.

По мере погружения толщи осадочных пород на глубины свыше 1 км биохимические процессы начинают затухать, уступая место процессам термокаталитическим. В начальные фазы термокаталитической зоны наблюдается минимум интенсивности нефтегазообразования.

Термокаталитическая зона охватывает всю часть разреза от 1 км и глубже и подразделяется на верхнюю (нефтегазовую) и нижнюю (метановую) подзоны. При длительном воздействии повышенной температуры происходит полный распад углистых и других ОВ, УВ и гетероциклических соединений нефти. В нижней зоне, при погружении пород на глубину свыше 6000 м накапливаются метан и устойчивые полициклические соединения [67; 90].

Н.Б. Вассоевич предложил несколько отличную схему нефтегазообразования: в зоне катагенеза по мере погружения формируются скопления газа, затем нефти, в позднем катагенезе - газоконденсата [15]. Некоторые химические соединения в составе нефти возникли еще в живых телах организмов и после их смерти были унаследованы нефтью. Следующая порция нефти биогенного происхождения (диагенетическая) формировалась непосредственно в осадках. Основная масса нефти образуется позже накопления нефтематеринских пород в результате термокатализа ОВ. Термолиз и термокатализ ОВ достигают максимальных масштабов в интервале глубин 2-5 км, где температура изменяется от 50-60° до 130-170 °С.

Углеводородные горючие газы генетически связаны либо с гумусовым (угольным), либо с сапропелевым (нефтяным) ОВ. По составу угольный (сухой) и нефтяной (жирный) газы существенно отличаются. При погружении пород на глубины с температурой 50-60 °С и выше значительно усиливаются процессы углефикации и битуминизации, приводящие к изменению ОВ. На определенных глубинах усиливается новообразование УВ, в большом количестве генерируются гомологи метана (С2 - С3) и жидкие легкие УВ, составляющие, являющиеся основой бензиновой и керосиновой фракции нефти. Интервалы усиления процессов преобразования УВ сильно варьируют в разных районах и зависят от темпов опускания, перерывов в осадконакоплении, геотермической истории бассейна седиментации.

По модели Б. Тиссо и Д. Вельте интенсивное физико-химическое преобразование ОВ начинается на стадиях раннего диагенеза и раннего катагенеза под влиянием сначала биохимических, а затем каталитических процессов. Молодые осадки, состоящие из минеральной части остатков органических образований, поровой воды (до 60-80 % по массе) и живых микроорганизмов (бактерий, водорослей, грибов) под действием микробиальной активности начинают разлагаться. Их растворимые биополимеры (жиры, белки, углеводы, лигнин) в результате поликонденсации и полимеризации превращаются в нерастворимые гетерогенные геополимеры.

На стадии диагенеза с ОВ происходят определенные структурные изменения: увеличивается его устойчивость, за счет образования поликонденсатов гуминового типа, нерастворимых в щелочах и появления керогена, нерастворимого в органических растворителях.

Керогеном (kerogen) называют фракции ОВ горючих сланцев и рассеянного ОВ пород, нерастворимые в органических растворителях, неокисляющих кислотах и щелочах. Кероген представляет собой порошок коричневато-черного цвета, получаемого путем последовательного разложения минеральной части дебитуминированной породы соляной и плавиковой кислотами (обогащением).

Различают несколько видов керогена: сапропелевый, гумусовый и смеианнъй. Диагностика генетической принадлежности керогена основана на данных углепетрографического и химического исследований. Для диагностики керогена по химическим данным используют атомные отношения Н/С и О/С, которые вычисляют по данным элементного анализа [91].

Сапропелевый кероген по сравнению с гумусовым характеризуется повышенным содержанием водорода (Н/С - соответственно 1,7-0,3 и 1,0-0,3) и низким содержанием кислорода (О/С - 0,1-0,02 и 0,4-0,02).

Явные различия в составе керогена наблюдаются для РОВ низших стадий катагенеза. По мере повышения степени катагенеза РОВ кероген утрачивает специфические генетические черты и приближается по составу к графиту. Иногда в нефтяной геологии термином кероген обозначается все РОВ в целом.

Рис. 3.2. Схема эволюции ОВ, (по Б. Тиссо и Д. Вельте)

При катагенезе вследствие повышения температуры до 150 °С кероген начинает интенсивно генерировать нефть, конденсат и жирный газ. Генерация жидких УВ сопровождается значительным выделением газа. По мере увеличения температуры в результате крекинга усиливается образование легких УВ, и их количество резко возрастает как в углеводородной фракции материнской породы, так и в нефти (рис. 3.2).

3.3. Нефтегазоматеринские толщи

Одним из важнейших вопросов в нефтяной геологии при прогнозировании изучаемых территорий является выделение и прослеживание в разрезе отложений нефтепродуцирующих УВ, регионально-нефтегазоносных комплексов и пород-флюидоупоров. К числу основных понятий относятся: нефтематеринская, нефтепроизводящая свиты и микронефть.

Свита нефтематеринская — относительно однородный в литологическом составе комплекс осадочных пород, содержащих биогенное рассеянное ОВ и образовавшиеся в его составе УВ, которые могут дать начало скоплениям нефти и газа [98].

В разной степени, нефтематеринскими можно считать все субаквальные отложения самого разнообразного состава, содержащие определенное количество РОВ, в составе которого присутствуют нефтегазовые УВ. Но далеко не все они могут стать источником формирования промышленных скоплений нефти и газа.

В случае преобразования гумусового ОВ, захороненного в рассеянной форме, генерируются, главным образом, газообразные УВ и углистое вещество. Все стадии преобразования сапропелевого ОВ сопровождаются газообразованием, но главным продуктом этого процесса является нефть. Диагностическими признаками нефтематеринской свиты являются: Накопление осадков в нормально морских, реже в пресноводных условиях; Распространение восстановительных геохимических фаций в осадках; Повышенная концентрация в породах РОВ при заметном количестве сапропелевых микрокомпонентов; Повышенная концентрация рассеянных нефтяных УВ в породах; Массовое распространение в ее составе паравтохтонных битумоидов, свидетельствующих о начале этапа интенсивной генерации УВ РОВ данной свиты.

Нефтематеринские свиты дифференцируются по литологическому составу, по соотношению материнских пород и коллекторов, по типу и концентрации материнского для нефти РОВ, по величине нефтематеринского потенциала РОВ (количество микронефти, которое может образовываться единицей массы РОВ или содержащих его пород за все время существования нефтематеринской свиты при достижении РОВ максимальной степени превращенности).

Нефтематеринские свиты одновременно могут являться и потенциально нефтепроизводящими, т. к. в главной зоне нефтегазообразования они могут реализовать свой нефтематеринский потенциал, а в главной зоне газообразования - газоматеринский потенциал.

Нефтематеринские свиты широко распространены во всех осадочных бассейнах различного тектонического строения, испытывавших погружение на протяжении длительного геологического времени. Условия длительного и устойчивого прогибания благоприятны для возникновения нескольких толщ, обогащенных РОВ и обладающих задатками нефтематеринских. Эти толщи можно подразделить на несколько типов (табл. 3.2).

Возраст нефтематеринских свит имеет широкий диапазон - от протерозоя (ред- кинская битуминозная свита Русской платформы) до неогена (нефтематеринские толщи Предкавказья в эоцене, миоцене). С увеличением глубины по стратиграфическому разрезу частота встречаемости обогащенных ОВ нефтематеринских толщ значительно уменьшается.

Свита нефтепроизводящая - нефтематеринская свита, погрузившаяся в процессе геологической истории в главную зону нефтеобразования и частично реализовавшая свой нефтематеринский потенциал [98].

Нефтепроизводящей свитой называют нефтематеринскую свиту, которая при погружении прошла всю главную зону нефтеобразования и полностью реализовала свой нефтематеринский потенциал. Все процессы образования и эмиграции микронефти в ней практически завершены. Диагностическими признаками нефтепроизводящих свит являются: достаточно большая глубина (не менее 1,5-2 км) погружения; достижение РОВ пород МК1 - МК2 градаций катагенеза;

заметно повышенное (по сравнению с этапом протокатагенеза) содержание автохтонного битумоида и нефтяных УВ в породах, свидетельствующее о начале активного протекания первичных миграционных процессов; появление остаточных сингенетичных битумоидов в результате частично прошедших процессов эмиграции микронефти из РОВ материнских пород; снижение нефтематеринского потенциала; наличие признаков свершившейся активной генерации и первичной миграции микронефти; наличие показателей частично произошедшей эмиграции микронефти из материнских пород в пласты-коллекторы;

Классификация нефтематеринских отложений по содержанию ОВ, в %

(по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу, с добавлениями Б.А. Соколова)

Таблица 3.2

Алиновое ОВ - вещество богатое водородом, характерно для липоидов и полимерлипоидинов.; формируется в глинистых, карбонатно-глинистых, глинисто-карбонатных осадках с высокой биопродуктивностью, преимущественно в восстановительных и слабовосстановительных условиях.

Нефтепроизводящие свиты, полностью исчерпавшие свой нефтематеринский потенциал, обладают еще и значительным потенциалом газообразования, который начинает реализовываться при погружении толщ на большую глубину. Диагностические признаки газопроизводящих толщ: большая глубина (не менее 4 км); достижение РОВ пород градаций катагенеза МК4 - АК1; значительно более низкое (по сравнению с зоной ГФН) содержание битумоида в РОВ пород; повышенное содержание в нем УВ вследствие перехода части асфальтовосмолистых компонентов в нерастворимое состояние; повышенное содержание метана в газовой фазе РОВ;

значительное снижение (по сравнению с зоной ГФН) содержания водорода

в нерастворимой части РОВ.

Все типично нефтематеринские свиты (бажениты, доманикиты) образовались в трансгрессивные фазы циклов и характеризуют максимум трансгрессий. Газоматеринские толщи формировались в начальные фазы трансгрессий [5; 6].

Между процессами нефтегазообразования и циклично построенными осадочными толщами существует тесная связь, обусловленная закономерной повторяемостью эпох интенсивного накопления ОВ в осадках. При сапропелевом типе органики формировались преимущественно нефтематеринские толщи; при гумусовом - преимущественно газоматеринские свиты.

Нефтегазоматеринские толщи распространены в осадочных бассейнах разных типов, приуроченных: - к геоструктурным впадинам; - к платформам; - к предгорным и межгорным прогибам. Характерные признаки нефтегазоматеринских толщ отражены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Признаки нефтегазоматеринских толщ (по М.К. Калинко, 1967)

В каждом регионе есть хотя бы одна НГМ толща, характеризующаяся максимальной генерацией УВ (жидких или газообразных), обеспечивающая основную часть его ресурсов. Основные различия НГМТ разных геоструктурных зон заключаются в величинах их мощности и площади распространения [5].