Главная › Новости

КОЛИЧЕСТВО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И УГЛЕВОДОРОДОВ

Опубликовано: 15.10.2018

Изомерия и номенклатура предельных углеводородов

КОЛИЧЕСТВО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И УГЛЕВОДОРОДОВ

В нефтегазоносных бассейнах количество органического вещества, превращенного в нефть в материнских пластах, составляет от нескольких процентов до ~15%. Количество генерируемой нефти, которая в конце концов образует промышленные скопления [301], также находится в этих пределах. Малая эффективность материнских пластов при генерации и высвобождении нефти была установлена Траском [617], который подсчитал, что нефтяное месторождение Санта-Фе-Спрингс в Калифорнии обязано своим происхождением ~4 % органического* вещества осадочных пород, давшим нефть этому месторождению.

Данные о выходе углеводородов из органического вещества представлены в табл. 7-2. Во всех осадочных породах около 3 %, органического вещества извлекается в форме углеводородов С 15 +; таково же количество соединений, содержащих N, S и О. Генерация углеводородов более эффективна в карбонатах, так как их органическое вещество почти полностью представлено-аморфным материалом, образованным из планктона. Глинистые породы содержат большее количество древесного и углистого материала, образующего меньше углеводородов. Однако карбонатные породы содержат меньше органического вещества, чем глинистые. Среднее содержание органического углерода в глинистых породах составляет около 1 %, а и карбонатных породах — около 0 , 2 % •

Доля углеводородов в органическом веществе современных, осадков очень низка, так как в нем присутствуют лишь биогенные углеводороды. Общее количество углеводородов и асфальтовых компонентов увеличивается в процессе катагенеза, что видно по данным изучения древних отложений. Каждое из значений, приведенных в табл. 7-2, характеризует только один образец; информация о стадии зрелости для каждой породы отсутствует. Однако большинство образцов было отобрано в районе нефтяных скоплений, так что в общем плане они представляют нефтеобразующую стадию катагенеза. Если бы отбор образцов производился сверху вниз по непрерывному разрезу в нефтеносном районе, то до достижения порога интенсивной нефтегенерации эти образцы характеризовались бы низкими значениями выхода углеводородов Ci5+. За порогом интенсивной нефтегенерации выход этих углеводородов может достигать 10 % от общего содержания органического вещества.

Цвет породы является грубым и не всегда надежным индикатором, характеризующим органическое вещество. На рис. 7-1 представлены данные о содержании органического углерода и экстрагируемых углеводородов в породах различных осадочных бассейнов. Практически все тонкозернистые породы попадают в более затененную часть диаграммы (более затененная часть диаграммы соответствует наиболее высокому содержанию органического углерода и углеводородов). Коллекторы отличаются от тонкозернистых пород значительно более высоким содержанием углеводородов по отношению к содержанию органического углерода в них. Угли характеризуются низким содержанием углеводородов по отношению к органическому углероду. Низкое содержание углеводородов отмечается также в незрелых и метаморфизованных породах.

Органическое вещество красноцветных отложений обычно разрушается в результате окисления. Эти отложения попадают в левый нижний угол рис. 7-1. Такие глинистые породы представляют обстановки, в которых накапливалось незначительное количество органического вещества в осадках. Например, некоторые образцы глин Айртон и Дюверне в Альберте идентичны по минеральному составу, но отличаются по содержанию органического углерода: зеленые породы Айртон содержат около 0,1 % Сорг, тогда как черные породы Дюверне — более5%. Большинство материнских пород идентично серым глинам, содержащим от 1 до 2 % Сорг и несколько сот частей на миллион углеводородов. Черные известковистые глины очень богаты органическим веществом и углеводородами. Некоторые из них, например Нордегг в Альберте, частично пропитаны нефтыо. Бурые и темно-коричневые известняки и доломиты но содержанию углеводородов часто соответствуют хорошим материнским

породам. Чистые белые перекристаллизованные карбонатные породы обычно характеризуются весьма незначительным содержанием автохтонных углеводородов или полным их отсутствием.

Применение цвета породы в качестве индикатора ее углеводородного потенциала должно подтверждаться некоторыми аналитическими данными. С наибольшей пользой определение цвета может быть применено в районе, где были проведены предварительные анализы изучаемой формации, т. е. когда имеется подтверждение полученным оценкам углеводородов. Образцы из разведочных скважин могут вводить в заблуждение. Черный цвет может быть следствием высокого содержания окиси марганца. Известно, что некоторые светло-коричневые карбонаты обладают относительно высоким содержанием автохтонных углеводородов.

Породы, представленные на рис. 7-1, будут содержать органическое вещество и после того, как они подвергнутся метаморфизму, так как в нефть преобразуется лишь его незначительное количество. При метаморфизме органическое вещество в основном преобразуется в графит. Низкое содержание углеводородов в образцах 30 и 31 типично для пород стадии метаморфизма. Метаморфизованные породы, зеленоватые глины и красноцветные отложения (нижний левый угол рис. 7-1), обладают слишком низким содержанием углерода и углеводородов, чтобы их можно было рассматривать в качестве материнских пород.

Неметаморфизованные кембрийские и докембрийские породы (образцы 29, 32 и 34—37) содержат углерод и углеводороды в количестве, сопоставимом с таковым во многих известных хороших материнских породах. Древние породы в районах с низким геотермическим градиентом и благоприятными условиями осадконакопления заслуживают изучения, так как с ними могут быть связаны скопления нафтидов. Особенно интересны породы куонамской свиты на южном склоне Анабарского щита в СССР [57]. Они представлены (образцы 34—37) известко-вистыми и доломитовыми глинами, местами кремнистыми. Вполне вероятно, что они сопоставимы с известковистыми глинами, которые на рис. 7-1 располагаются выше их, однако с течением геологического времени они потеряли значительную часть своих .углеводородов. По сравнению с большинством образцов, пред-

31 — аргиллит Анимики, Миннесота; 32 — глины Ноунсач, Мичиган; 33 — сланец Томсон, Миннесота; 34—37 — куонамская свита, СССР. Коллекторы : 38 — песчаник Чероки, Канзас, Оклахома; 39 — песчаник Кардиум, Альберта; 40 — известняк Коголло, Romvy win. Неогеновые отложения Японии : 41 — бесперспективные формации Канто н Мнн/илки; 42 — частично нефтеносная формация Хоккайдо; 43 — нефтеносная форм.щми Ниигата. Горючие сланцы : 44 — Ирати. Современные осадки : 45 — озеро Маракайбо, Пепесуэла; 46 — Средиземное море.

Использованы данные Бейкера [33], Биккениной и Шапиро [57|, Хпнгл     Фплиппи [464],

Пауэлла и др. [477] и Ягиситы [668].

ставленных на рис. 7-1, они еще богаты углеводородами — гораздо богаче метаморфизованных пород (левый нижний угол рисунка). Детальные анализы показали, что они содержат все низкокипящие углеводороды (относящиеся к фракции бензинов) в количествах, позволяющих считать эти породы обладающими хорошими материнскими свойствами. В СССР перспективы на нефть и газ, связанные с отложениями кембрийского и более древнего возраста, значительно выше, чем в США.

Точки 41, 42 и 43, соединенные линией на рис. 7-1, представляют интересное исследование [ 668 ] содержания органического углерода и углеводородов в нескольких сотнях образцов неколлекторских пород, связанных с продуктивными и пустыми коллекторами. Точка 41 характеризует средние значения этих величин по 126 образцам из непродуктивных формаций Саут-Канто и Миядзаки, точка 42 — средние значения по 153 образцам из частично продуктивной формации Хоккайдо и точка 43 представляет средние значения по 415 образцам наиболее продуктивной формации Ниигата. Содержание органического углерода в этих формациях почти одинаково, однако тонкозернистые породы наиболее продуктивной формации содержат более чем в пять раз больше углеводородов по сравнению с породами непродуктивных формаций. Вполне вероятно, что органическое вещество в точке 43 содержит больше аморфного материала, который легко выделяет углеводороды, тогда как в точке 41 оно содержит больше либо углистого, либо окисленного материала. В горючем сланце Ирати (точка 44) преобладает аморфный материал.

Сколько органического углерода содержится в хорошей материнской породе? Ронов [499] проанализировал несколько сотен образцов верхнедевонских глин Русской платформы от Киева на западе до Уфы на востоке. Результаты его работы представлены на рис. 7-2. Несмотря на то что на всей рассматриваемой площади Русской платформы имеются благоприятные структуры и слои песков с хорошей пористостью и проницаемостью, все нефтяные месторождения концентрируются в районе Куйбышева и Уфы, где содержание органического углерода составляет от 0,5 до 5 вес. %• Южнее, в районах Саратова и Киева, содержание органического углерода около 0,5%; там найден газ. В девонских отложениях северной части Русской платформы, от нефтяных месторождений на востоке до западной границы СССР, нефть и газ отсутствуют: содержания органического углерода здесь в основном меньше 0,25%. Роновым было установлено, что среднее содержание органического углерода в тонкозернистых глинах нефтеносных районов составляет 1,37%, а в тонкозернистых карбонатных породах — 0,5%.

Рис. 7-2. Содержание органического углерода в верхнедевонских отложениях Русской платформы (по Ронову [449]).

Изолинии проведены по обобщенным данным 1000 анализов тонкозернистых пород.

В не нефтеносных районах эти значения соответственно равны 0,4 и 0,16 %.

Ронов [499] построил литолого-геохимические карты, на которых распределение органического углерода связывается с обстановками осадконакопления и степенью его окисленности. Он обнаружил, что северо-западные и западные районы Русской платформы характеризовались континентальными и лагунными обстановками; здесь отложения были более окислены, чем в районах распространения морских отложений на востоке. Ронов определил отношение трехвалентного железа к двувалентному в отложениях, являющееся мерой их окисленности или восстановленности. Он установил, что отношения Fe 203 /Fe 0 на западе равны 10 там, где содержания органического углерода составляют менее 0,25 %. К востоку отмечается постепенное уменьшение этого отношения от 10 до 5 в центральной части платформы и затем от 5 до 1 на востоке и юго-востоке. В Волго-Уральской нефтегазоносной провинции на востоке отношение Fe 2 0 3 /Fe0 падает ниже 1, указывая на наиболее восстановительную обстановку на Русской платформе. В пределах нефтегазоносных провинций на востоке Русской платформы иаиныс-шие содержания органического углерода отмечались и глинах прибрежно-морских осадочных фаций. На псионе статистической оценки всех этих данных Ронов [499] пришел к следующему выводу: «Эти цифры говорят о существовании какого-нибудь минимального уровня среднего содержания органического вещества в крупных осадочных комплексах, ниже которого рассеянная форма нахождения органического углерода не может привести, в результате качественных превращений битумов к образованию промышленных скоплений нефти. Этот уровень для глин, как главных носителей рассеянной органики, заключен в пределах между средними значениями, полученными для нефтеносных и не нефтеносных областей, т. е. между 1,4 и 0,4 % Сорг- По-видимому, он тяготеет ближе к первой цифре».

Отношение трехвалентного железа к двухвалентному является одним из наиболее чувствительных индикаторов окислительно-восстановительных условий, которые существовали в осадках при их отложении и в течение раннего диагенеза. Железо столь повсеместно распространено в осадках, что наряду с органическим веществом его трех- или двухвалентное состояние определяет главным образом цвет породы. Мак-Карти [396] опубликовал таблицу, показывающую взаимосвязь между цветом и отношением двухвалентного железа к трехвалентному в осадочных породах. Это отношение (обратное отношению, использованному Роновым) составляет ~0,2 для глин красного цвета, до 0,5 — для глин желтого и желто-бурого цвета, до 5 — для глин зеленого и голубого цвета и до 12 — для глин черного цвета. Уже 2 %-ное содержание трехвалентного железа маскирует все другие цвета при отсутствии органического вещества. Голубые глины в высушенном виде обычно выглядят серыми. Пестрая окраска осадочных пород объясняется небольшими изменениями отношения двухвалентного железа к трехвалентному, приводящими к появлению нескольких цветов. Образцы осадков со дна Красного моря характеризуются разнообразием красных, желтых, оранжевых и коричневых прослоев в интервале нескольких сантиметров по глубине. Пестрые глины образуются также, когда красные осадки попадают в восстановительные условия. Некоторые черные или темно-коричневые глины или известняки обязаны своим цветом сульфидам железа, сульфидам или окислам других тяжелых металлов, а не органическому веществу.

Шрайер и Зарелла [527] провели детальное исследование содержания органического углерода в глинах формации Моури в Вайоминге па площади 90 650 км2. Глины Моури считаются материнскими породами большей части нижнемеловой нефти Вайоминга. Данные Шра йера и Зареллы, представленные на рис. 7-3, указывают на общее увеличение концентрации органического углерода в юго-восточном направлении, т. е. в сторону распространения более глубоководных фаций. Оно составляет около 1 % на северо-западе и достигает 3 % на юго-восточном

Рис. 7-3. Связь содержания органического углерода в глинах Моури с добычей нефти из нижнемеловых отложений Вайоминга (по Шрайеру и Зарелле [527]).

окончании района основной нефтедобычи. Более поздние исследования [528] показали, что общий выход битумоидов также увеличивается с 400 млн -1 на северо-западе до 2100 млн -1 на юго-востоке. Дейвис [136] отметил, что наивысшее содержание органического углерода в формации Моури приурочено к фациям тонкозернистых кремнистых глин.

Эти и аналогичные исследования убедили многих геохимиков в том, что содержание органического углерода 0,4—1 % является минимальным для генерации тонкозернистыми глинами такого количества нефти, которое было бы достаточным для образования промышленных скоплений. Хант [293] указывал, что тонкозернистые карбонатные породы генерируют больше углеводородов из того же количества органического вещества, так что даже 0,3 % органического углерода может быть достаточным для некоторых карбонатных материнских пород.

Некоторые геохимики утверждают, что минимальное содержание органического углерода в материнских породах должно составлять 1—1,5 %, так как большинство пород содержит значительное количество переотложенного органического углерода, уже карбонизированного и не' способного продуцировать нафтиды. Все это говорит о том, что необходимое количество органического углерода зависит от качества органического вещества. Если органический углерод в значительной мере связан с карбонизированным материалом, то его не следует приплюсовывать к органическому углероду, образовавшемуся in situ (автохтонному). Глинистые породы наряду с древесным и углистым материалом, дающим очень незначительное количество нафтидов, почти всегда содержат некоторое количество переотложенного органического углерода терригенного происхождения. В то же время карбонатные породы часто содержат только аморфный органический материал, образовавшийся из водорослей, который представляет собой кероген , дающий наивысший выход нафтидов. Это объясняет, почему из пород с одинаковым количеством органического углерода карбонаты часто дают более высокий выход нефти, чем глинистые породы. Хорошим примером этого является формация Чероки, изученная Бейкером [33]. Среднее содержание углеводородов в известняках и серых глинах составляет 100 млн-1, несмотря на то что в известняках в среднем содержалось 0,19% органического углерода, а в глинах—1,5% (см. точки 9 и 22 на рис. 7-1).

Количество нефти в неколлекторских породах значительно превышает количество нефти, содержащейся в коллекторах осадочных бассейнов' мира. В табл. 7-3 приведены расчетные данные об объеме нефти, содержащейся в коллекторских и неколлекторских породах меловых формаций мощностью 1,6 км на площади 62 550 км 2 бассейна Паудер-Ривер, Вайоминг. Количество нефти, содержащейся в глинах, относится к количеству нефти в песках, как 22: 1. В пределах различных формаций это отношение значительно варьирует в зависимости от

Таблица 7-3

Рис. 7-4. Изменение содержания органического вещества в осадках в зависимости от размера карбонатных частиц (по Геману [221]).

степени эмиграции углеводородов из глин. Формация Найобрара имеет среднюю мощность 135 м, но не содержит песчаных коллекторов. Небольшой объем добычи связан с трещиноватыми глинами. Фронтиер—Карлайл и более древние формации содержат прослои песчаников, что приводит к более эффективному выносу углеводородов.

Аналогичные подсчеты по другим осадочным бассейнам дали отношения от ~5:1 до 100:1. Конибир [125] подсчитал, что для юрских отложений бассейна Сурат в Австралии это отношение составляет 20 : 1 .

Количество органического вещества в осадках тесно связано с размером частиц породы. Образец глин формации Вай-кинг из Альберты, Канада, был размельчен, диспергирован в воде, разделен с помощью центрифугирования на фракции и исследован на содержание органического вещества [292]. Содержание органического вещества в алевритовой фракции составило 1,79%, в глинистой фракции 2 —4 мкм — 2,08% и в глинистой фракции мкм — 6,50%. Аналогичное исследование карбонатных пород, проведенное Геманом [221], показало, что наивысшая концентрация органического вещества связана с тонкозернистыми частицами (рис. 7-4). Самые крупные

кружки, характеризующие наибольшее содержание органического вещества, концентрируются вблизи вершины известкового ила. Увеличение содержания органического вещества с уменьшением размера частиц происходило во время осадко-накопления, что уже отмечалось в гл. 4.

Содержание органического вещества и растворимых (извлекаемых) битумоидов в карбонатных породах растет с увеличением количества нерастворимого в НС1 минерального остатка [624]. Такие битумоиды (табл. 7-4) включают углеводороды

Таблица 7-4

плюс асфальтово-смолистые (N, S, О)-соединения. Так как нерастворимый в НС1 остаток карбонатных пород часто представлен глинистым веществом, то отсюда следует, что содержание органического вещества и битумоидов имеет тенденцию к увеличению с повышением содержания глинистых минералов в карбонатах. По данным Ханта [293] , 75 % органического вещества, находящегося в карбонатных илах Флоридского залива, содержащих 15 % глинистого материала, связано с глинистой составляющей осадка и только 25 % — с карбонатной.

Содержание