Вертикальная зональность процесса нефте- и газообразования
Д. Уайт [Уайт, 1915] впервые связал зависимость распределения нефти и углеводородных газов от величины углеродного коэффициента или степени метаморфизма углей и смену фазового состояния УВ с глубиной, тем самым создал представления о стадийности и глубинной зональности процессов нефтегазообразования.
В.А. Соколов [Соколов, 1948] выделил четыре геохимические зоны: 1) биохимическая, 2) переходная, 3) термокаталитическая и 4) газовая, и показал, что интенсивность и направленность процессов образования УВ в разрезе осадочного чехла подчиняется геохимической зональности в связи с изменением давления и температуры (рисунок ):
1. В биохимической зоне (глубина до 150 м) – зона диагенеза производится в основном углекислый газ и метан, а также Н2, Н2S, NН3, N2 и некоторое количество битумоидов. Главным фактором преобразования ОВ является геохимическая деятельность микроорганизмов.
2. Переходная зона (глубина от 150 до 1000–1500 м) – зона протокатагенеза характеризуется минимумом интенсивности образования УВ. Преобразование под воздействием микроорганизмов биогенного ОВ завершается и начинается переход в новую, нерастворимую форму. Температура в переходной зоне недостаточно высока для дальнейшего его преобразования.
3) Термокаталитическая зона (глубин от 1000–1500 до 6000 м) – зона мезокатагенеза характеризуется образованием жидких УВ и жирных газов. Установлено, что в мезокатагенезепроявляется этап резкого образования жидких УВ.
4) Газовая зона (глубина свыше 6000 м) – образуется только метан.
Рисунок . Принципиальная схема вертикальной геохимической зональности образования углеводородов в стратисфере
Вертикальная зональность, или стадийность процесса нефте- и газообразования – закономерное изменение интенсивности и фазового состояния УВ в процессе их генерации, в зависимости от изменения геохимических и термобарических условий в нефтегазопроизводящих породах на разных глубинах разреза стратисферы.
Главная фаза нефтеобразования (ГФН)
Таким образом, в катагенезе происходит постепенное упорядочение молекулярной структуры керогена вплоть до образования в конце катагенеза – начале метаморфизма гексагонально-слоистой структуры графита. В результате масса ОВ значительно уменьшается и ОВ полностью реализует свой генерационный потенциал. Процесс катагенеза ОВ представляет собой термическую деструкцию, при которой происходит выделение летучих веществ, то есть твердая фаза начинает выделять жидкие и газообразные продукты. При этом общий объём ОВ в породе сильно увеличивается.
Н. Б. Вассоевич доказал неравномерность катагенетического преобразования РОВ и выделил главную фазу нефтеобразования (ГФН)(за рубежом – «нефтяное окно»).ГФН – этап в едином цикле процессов нефтеобразования, когда скорость их максимальна и соотвественно в геохимической истории погружающейся осадочной толщи, находящейся на глубинах примерно 2–4 км и при температуре от 80 до 150°С, на котором потенциально нефтематеринские породы реализуют свой нефтепроизводящий потенциал. Отсюда следует, что процесс нефтеобразования в меньших масштабах протекает как до ее начала, так и после. Интервал разреза осадочных пород, в котором проявляется главная фаза нефтеобразования, Н.Б. Вассоевич назвалглавной зоной нефтеобразования (ГЗН). Главная зона нефтегазообразованиялежит пределах градацийМК1 (Д) – МК2 (Г), которым соответствует температура от 80–90 до 150–160°С, ОСВ (Ro) изменяется от 0,5 до 0,85 %. Глубины ГЗН в разрезах осадочных толщ зависят от геотектонических условий, скорости погружения потенциально нефтепроизводящих пород, и лежат в платформенных условиях на отметках от 1,5 до 3,5 км, а в глубоких впадинах платформ и в альпийских прогибах на отметках от 3,5 до 7,5 км.
В соответствии с интенсивностью процесса генерации нефти в едином цикле нефтеобразования в осадочной породе выделены следующие фазы: 1) созревания потенциально нефтепроизводящих отложений; 2) начала и прогрессивного развития нефтеобразования; 3) главная фаза нефтеобразования; 4) затухания нефтеобразования; 5) существования нефтепроизводивших отложений [Конторович, Неручев, 1971].
В ГФН формируются нефти, в составе которых наиболее полно наследуются фрагменты химической структуры исходного ОВ. В фазу начала и прогрессирующего развития нефтеобразования первичная миграция битумоидов настолько затруднена, что состав возникающих в небольших количествах нефтей определяется в основном миграционной способностью отдельных фракций битумоидов, а не особенностью битумоидов нефтематеринских толщ. В фазу затухания катагенетическое преобразование ОВ приводит к тому, что связь состава формирующихся и эмигрирующих жидких углеводородов с составом исходного ОВ проявляется также слабо.
В настоящее время эти положения являются практически общепризнанными, хотя многие вопросы преобразования РОВ, оценка количества формирующихся углеводородов остаются дискуссионными. Разноречивы и данные различных исследователей о градациях катагенеза, соответствующих проявлению ГФН: МК1, МК2, МК3. По мнению С. Г. Неручева и др., все варианты справедливы, «но в конкретных условиях (тип бассейна, тип исходного ОВ, геотермический режим, строение материнской толщи, ее литологические особенности и т. д.) ГФН занимает обычно более узкий интервал катагенеза, который следует устанавливать по конкретным материалам» [(Парпарова и др., 1981, с. 207)].
Генерация нефти и газа создает в нефтепроизводящей породе аномально высокое поровое давление, превышающее на 10–20 МПа нормальное гидростатическое давление. Это аномально высокое давление является источником энергии для эмиграции нефти и газа. В конце градации МК2при температуре около 150–160°С происходит исчерпание полимерлипидных молекулярных структур ОВ. Это приводит к достаточно резкому прекращению процесса нефтеобразования.
Преобразование рассеянного ОВ начинается и завершается метанообразованием. Второй, после биохимического, и более значительный этап газообразования происходит на больших глубинах на границе мезо- и апокатагенеза (см. рис. ).
Главная фаза газообразования (ГФГ) – процесс газообразования протекает на всех этапах трансформации РОВ – от седиментогенеза до глубокого метагенеза. Экспериментально доказано, что гумусово-гумоидная составляющая ОВ генерирует преимущественно метан, а за счет полимерлипидных составляющих РОВ на определенных градациях катагенеза формируются его гомологи.
Углекислый газ образуется в широком диапазоне обстановок и градаций преобразования РОВ – от начальных стадий изменения ОВ до зон глубокого апокатагенеза и метагенеза. Максимум генерации сероводорода и азота (аммиака), приходится на период диагенеза.
Понятие о ГФГ введено при анализе закономерностей генерации углеводородных газов в процессе изменения сапропелевого РОВ [(Неручев и др., 1973)]. ГФГ приурочена к градациям преобразования РОВ МК4. и размещена под ГФН. Выделяется два пика усиленного газообразования в процессе изменения РОВ: верхний, соответствующий градациям ПК3-МК1, и нижний – на уровне МК4-МК5[Конторович, 1983].Этот этап превращения ОВ был назван С.Г. Неручевым (1973) главной фазой газообразования (ГФГ), а интервал разреза осадочных пород, в котором она проявляется, определена как главная зона газообразования (ГЗГ). В пределах главной зоны газообразования температура изменяется от 160-170 до 250-260°С. Показатель ОСВ (Ro) растёт от 0,85 до 3,5 %. В ГЗГ образуется метана больше, чем на всехпредыдущих подстадиях катагенеза, и он становится основным газовым компонентом. ГЗГ развивается в породах, содержащих любые генетические типы ОВ не постепенно, а импульсивно. При этом в интервалеградаций от МК3 до АК2включительно проявляется два максимума газообразования.
На шкале показаны главные зоны нефтеобразования (ГЗН) и газообразования (ГЗГ). Они выделяются по интенсивности генерации жидких и газообразных УВ.
Основные этапы в процессе термокаталитического превращения ОВ пород [по С.Г. Неручеву, Справочник по геохимии…, 1998]:
1. Генерация преимущественно диоксида углерода и незначительного количества метана на этапе протокатагенеза (ПК1-ПК3). Образование залежей углеводородов в зоне протокатагенеза за счет аккумуляции генерирующихся летучих продуктов маловероятно.
2. Генерация основной массы нефти в отложениях с сапропелевым и гумусо-сапропелевым ОВ на этапе начального мезокатагенеза (МК1-МК2, проявление ГФН). Генерация и одновременная эмиграция нефтяных углеводородов из материнских пород в пласты-коллекторы приводит на этом этапе к формированию основной массы нефтяных залежей.
3. Интенсивная генерация углеводородного газа и первичных газоконденсатных систем на градации МК3, в начале проявления ГФГ. На фоне проявившегосяся перед этим интенсивного нефтеобразования приводит к формированию первичных газоконденсатных скоплений и газоконденсатно-нефтяных залежей.
4. Генерация основной массы метана на градациях катагенеза МК5-АК2 во времени проявления второго максимума газообразования ГФГ, что создает условия для образования на этом этапе залежей сухого метана.
5. Генерация газов с высоким содержанием кислых компонентов (СО2, Н2S) на градациях АК3-4 после завершения ГФГ и прекращения интенсивной генерации метана.
Первыймаксимум газообразования проявляетсяв пределах градации МК3и представляет собой зону генерации жирных газов или первичных газоконденсатных систем. Интенсивность генерации УВ выше у сапропелевого ОВ по сравнению с гумусовым. Помимо метана в составе газов присутствует большое количество его гомологов и низкокипящих нефтяных УВ.Второй максимум газообразования проявляетсяв пределах градаций МК5–АК2и представляет собой зону генерации сухих газов (метана). Интенсивность генерации метана выше у гумусового ОВ по сравнению с сапропелевым ОВ.
В зависимости от геотектонических условий и скорости погружения газопроизводящих пород, ГЗГ фиксируется на глубинах от 3,5 до 7,5 км на платформах и от 7 до 17 км в глубоких впадинах платформ, в альпийских краевых и межгорных прогибах. Глубинам проявления ГФГ соответствуют более жёсткие термобарические условия.
Таким образом, ГФН и ГФГ подчёркивают временную составляющую, а ГЗН и ГЗГ пространственную. ГЗН и ГЗГ соответствуют зонам наибольшей эмиграции нефти и газа из производящих пород, а не зонам образования нефти и газа, поскольку интервалы температур выше 100°С являются наиболее благоприятными для десорбции УВ от производящего ОВ и минеральной части породы. В настоящее время известно, что особенности проявления вертикальной геохимической зональности нефте- и газообразования зависят от следующих факторов: геотектонических условий и проявления тектоно-и флюидодинамики, генетического типа ОВ, геотермического градиента и времени воздействия различных температур и давлений на нефтегазопроизводящие породы и других.
Осадочно-миграционная теория происхождения нефти из ОВ
В процессе преобразования органического вещества при погружении его на глубину выделяют три основные фазы (стадии и зоны):
Первая фаза – подготовительная стадия нефтеобразования – газогенерирующая зона, соответствующая диагенезу и раннему катагенезу (протокатагенезу) – градации Дг-ПК, степени преобразования ОВ от торфов до мягких, матовых и блестящих углей. Трансформация ОВ в диагенезе происходит с большой потерей первоначальной массы и сопровождается генерацией газов биохимического происхождения:CH4,CO2,N2, микрокомпонентами являютсяH2,CO2,NH3,H2O,N2O, органические вещества. В морских субаквальных обстановках – еще и Н3иH2S. Из УВ образуется преимущественно метан (гомологи метана либо отсутствуют, либо фиксируются в незначительных концентрациях) в количестве до 5 % от общей массы ОВ. Он имеет характерный легкий изотопный состав:δ13С от -50 до -90 ‰. Из УВ образуется преимущественно метан (гомологи метана либо отсутствуют, либо фиксируются в незначительных концентрациях) в количестве до 5 % от общей массы ОВ. Он имеет характерный легкий изотопный состав:δ13С от -50 до -90 ‰. Для нефтеобразования эта фаза является подготовительной, фазой еще не созревшей микронефти.
Вторая фаза – главная стадия нефтеобразования – нефтегазогенерирующая зона, отвечающая начальному этапу среднего катагенеза; главная фаза нефтегазогенерирующая – главная фаза нефтеобразования (зона среднего катагенеза, отвечает этапам длиннопламенных, газовых и жирных углей градации МК1-МК3). Происходит существенное преобразование молекулярной структуры ОВ с образованием значительного количества продуктов:
а) газообразных (CO2, CH4, NH3, N2, H2S);
б) жидких (H2O, нефтяные углеводороды)
Содержание микронефти в породах возрастает в несколько раз за счет обогащения ранее почти отсутствующими легкими углеводородами и резко усиливается ее эмиграция. Рождается, отрываясь от материнской породы, собственно нефть. Этому сопутствует широкое развитие процесса газообразования с характерным высоким содержанием тяжелых газообразных УВ с изотопно относительно тяжелым метаном – δ13С от -37 до -45 ‰.
Третья фаза – затухающая стадия нефтеобразования - нижняя газогенерирующая зона,соответствующая позднему катагенезу (МК4-АК2). Главная фаза газообразования (развивается в жестких термобарических условиях, характерных для среднего и позднего катагенеза - градации МК4-АК2- коксовые, отощенно-спекающиеся, тощие угли и полуантрациты). Отличается тем, что ОВ генерирует газоконденсат и газ. В конце этой фазы образуется главным образом метан, но в отличие от ГФН он имеет еще более тяжелый изотопный состав –δ13С от -30 до -36 ‰. Для нефтеобразования эта фаза являетсязатухающей