Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УГЛЕРОДА МЕТАНА ПОВЕРХНОСТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ ПРИРОДЫ ГЕОХИМИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ (по литературным данным)
1.1. Отражение зональности процессов преобразования органического вещества и нефтебаз образования в изотопном составе углерода метана осадочных отложений
1.2. Влияние вторичных изотопных эффектов на изотопный состав углерода метана в отложениях зоны поискового геохимического зондирования J5"
1.2.1. Реакции вторичного изотопного обмена 16
1.2.2. Фракционирование изотопов в процессе миграции
1.3. Использование изотопии углерода при геохимических поисках залежей нефти и газа 27
Глава 2. ГЕОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ. 29
2.1. Геологическое строение района работ 29
2.2. Строение разреза зоны геохимического зондирования 31
2.3. Нефтегазоносность 32
2.4. Газонасыщенность отложений ЗПІВ 35
2.5. диагностика природы геохимических аномалий 35
2.6. Изотопный состав углерода метана газов в разрезе отложений района исследований 36
Глава 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗОТОПНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 39
3.1. Возможности и ограничения метода выделения эпигенетичных газов по изотопному составу углерода метана 59
3.1.1. Диагностика природы газометрических аномалий по изотопному составу углерода метана в условиях высокой сингенетичной газонасыщенности. зэ
3.1.2. Выявление "ложных" изотопных аномалий по изотопному составу углерода СН^ и СО^ 45
3.2. Методика измерения малых объемов метана 44
3.2.1. Технология проведения газо-метрических работ. 44
3.2.2. Аппаратурное обеспечение исследований 46
3.2.3. Электромеханический маностат малого объема (автоматический уравниватель газового потока)
3.2.4. Подготовка образцов к изотопным измерениям . 55"
3.3. Применяемые стандарт и расчетные формулы S9
3.4. Погрешности метода измерения изотопного состава углерода Go
3.5. Погрешности, вносимые в изотопные измерения технологией отбора проб 67
Глава 4. ПРИРОДА ГАЗОМЕТРИЗЕСКИХ АНОМАЛИЙ В НЕОГЕНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ БОРТОВОЙ ЗОНЫ ПРИКАСПИЙСКОЙ СИНЕШЗЫ ПО ДАННЫМ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УГЛЕРОДА МЕТАНА (на примере Лободинской площади) 71
4.1. Генезис рассеянных газов в породах апшеронских отложений 71
4.2. Факторы, контролирующие пространственное распределение значений 81ЪС в картируемом горизонте уд
4.3. Компонентный состав эпигенетических газов в породах апшеронского горизонта ^g
4.4. Поля аномально высоких концентраций метана и их природа &7
4.5. Поисковая значимость изотопного состава углерода метана рассеянных в неогеновых отложениях газов. 92
Глава 5. ВЬЩЕЛЕНИЕ ПО ИЗОТОПНЫМ ДАННЫМ ИНФОРМАТИВНЫХ ОПОРНЫХ ГОРИЗОНТОВ В РАЗРЕЗЕ ЗПГЗ 93
5.1. Распределение величины 13С метана по площади и по разрезу ЗПГЗ 99
5.2. Распределение величины SaC метана по разрезу ЗПГЗ в зоне максимального миграционного потока
5.3. Связь величины &'3С метана с геохимическими критериями эпигенетичности УВГ в рассеянных газах.
5.4. Изменение содержания эпигенетичного метана в породах разреза ЗПГЗ над Южно-Кисловской залежью \2.2.
Глава 6. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОТОПНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ ГА300ТДАЮШЕГ0 ИСТСЯНИКА
6.1. Периоды колебаний концентраций СН^ в наблюдательных скважинах
6.2. Генезис метана, поступающего в объемы наблюдательных скважин /2&
6.3. Сопоставление геохимических характеристик свободных газов из объемов наблюдательных скважин и газов, десорбированных из пород зон тектонических нарушений /35"
ЗАКЛЮЧЕНИЕ /44
ЛИТЕРАТУРА /46
- Отражение зональности процессов преобразования органического вещества и нефтебаз образования в изотопном составе углерода метана осадочных отложений
- Геологическое строение района работ
- Возможности и ограничения метода выделения эпигенетичных газов по изотопному составу углерода метана
- Генезис рассеянных газов в породах апшеронских отложений
- Распределение величины 13С метана по площади и по разрезу ЗПГЗ
Отражение зональности процессов преобразования органического вещества и нефтебаз образования в изотопном составе углерода метана осадочных отложений
Существование определенной стадийности и глубинной зональности в развитии процессов преобразования рассеянного органического вещества (РОВ) и генерации их углеводородов впервые, около 30 лет назад, было выявлено В.А.Соколовым /90/ и Н.Б.Вассоевичем /16/. По современным представлениям нефть генерируется абиогенным путем в результате термолиза и термокатализа РОВ преимущественно сапропелевого типа в главной фазе нефтеобразования (ГФН), проявление которой связывают с началом мезокатагенеза //?/. Углеводородные газы могут образовываться как из сапропелевого, так и из гумусового ОВ, причем газообразование отмечается уже в седи-ментогенезе и продолжается при высоких стадиях метаморфизма.
Зона наиболее интенсивной генерации газов, содержащих углеводороды от С2 До Сб, совпадает с ГФН /37,S5,&k/. Ниже ГФН,в диапазоне градаций катагенеза AKj - Ai большинством исследователей выделяется мощная зона образования метановых газов /73/. Метан является наиболее распространенным углеводородным газом осадочной оболочки Земли; его генерация сопровождает все стадии образования и изменения осадочных пород. В осадочных отложениях метан образуется двумя путями:
а) биохимическое образование практически чистого метана в процессах жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов на ранних стадиях преобразования осадочных отложений;
б) генерация метана совместно с его гомологами при катаге-нетических процессах преобразования ОБ.
В.А.Соколов, впервые обосновавший существование биохимической зоны газообразования, не придавал, большого значения метану ранней генерации, так как считал, что основная масса биохимических газов генерируется лишь до глубин 50 м, откуда метан рас-свивается в атмосферу Земли немедленно после своего образования.
В настоящее время доказана бактериальная генерация метана на глубинах до 1000 м и более /5 ,"59/, что отодвигает нижнюю гра-ницу биохимической зоны значительно глубже того уровня, на котором ее условно проводил В.А.Соколов. Генерирующийся биохимическим путем метан рассеивается в атмосферу не полностью, а при благоприятных геологических условиях из него формируются и промышленные залежи. Способность метана образовывать кристаллогидраты в донных осадках морей и океанов также препятствует его рассеиванию /66/.
Широкое развитие исследований изотопного состава углерода метана в природных г&чах вызвано стремлением получить достоверные выводы о происхождении углеводородов, а также о характере и масштабах их миграции.
Геологическое строение района работ
Район исследований расположен на левом берегу р.Волги, северо-восточнее г.Волгограда, в пределах западного борта Прикаспийской впадины (рис.2).
Его геологическое строение, тектоника, стратиграфия освещены в работах А.А.Аксенова, Г.М.Аванисьяна, Г.А.Бражникова, Г.П.Золотухиной, О.Б.Кетат, В.М.Котельникова, В.Н.Михалъковой, О.Г.Одолеева, В.Я.Табояковой, Д.И.Цимберга, А.В.Цыганкова и др.
В геологическом строении района участвуют отложения палеозоя, мезозоя и кайнозоя. В тектоническом плане район претерпел сложное геологическое развитие. По данным различных геофизических методов глубокого и структурного бурения в его пределах выделяются два основных структурных элемента - зона бортового уступа и внутренняя часть Прикаспийской впадины. В современном структурном плане зона бортового уступа прослеживается по поверхности кристаллического фундамента, по горизонтам нижнепермской галогенной формации и в надсолевом комплексе. Бортовой уступ осложнен сбросами и положительными тектоническими формами. Во внутренней части Прикаспийской впадины широко развита соляно-купольная тектоника.
В подсолевых отложениях верхнего палеозоя прослеживается ряд структурных этажей, разделенных поверхностями региональных перерывов в осадконакоплении. В зоне бортового уступа отчетливо обособляются каменноугольный (включающий и фаменские отложения), ассельско-нижнеартинский (карбонатная формация) и верхнеартинско - З! кунгурский (галогенная формация) этажи.
В подсолевых отложениях бортовой зоны выделяются погребенные структуры, сформировавшиеся в каменноугольное и предасель-ское время (Новоникольская, Лободинская), в позднеартинское и кунгурское время (Наримановская, Солдатско-Степновская).
Во внутренней части Прикаспийской впадины основными структурными формами являются соляные купола и разделяющие их прогибы, сформировавшиеся в посдекунгурское время. По специфике структурных планов надсолевого комплекса выделяются верхнепермско-палеогеновый и неогеновый этажи. В первом выделяются верхнеперм-ско-триасовый и юрско-палеогеновый структурные ярусы.
Главное отличие второго от первого отложения заключается в весьма резком снижении амплитуд структур. Неоген плащеобразно перекрывают породы от палеогенового до пермского возраста.
Возможности и ограничения метода выделения эпигенетичных газов по изотопному составу углерода метана
В качестве носителя газо-метрической информации при ГПНГ используется керн, либо промывочная жидкость. В промывочную жидкость при бурении геохимических скважин по применяемой в Волго-градНИПИнефть технологии, добавляется угольно-щелочной реагент (УШР), что разрешено инструктивными материалами ВНИИЯГГ. В ряде работ /33,7&/ указывается на принципиальную возможность термолиза органических веществ - реагентов бурового раствора в высокотемпературной призабойной зоне бурящейся скважины с образованием углеводородных газов. Соотношение изотопов в метане - продукте термолиза бурошго угля близко к таковому в исходном утле и значительно отличается от соотношения изотопов в биогенном метане /27 /. Если техногенные газы образуются в процессе бурения в заметных количествах, они могут исказить результаты изотопных исследований. С этой точки зрения промывочная жидкость подвержена загрязнению техногенным метаном в большей степени, чем керн.
Отмечалось /61 »93/, что хранение образцов керна или промывочной жидкости сопровождается значительным изменением химического состава извлекаемого газа. Содержание метана со временем может увеличиваться или уменьшаться, что связывается с процессами жизнедеятельности непосредственно в хранящемся образце двух различных групп бактерий - метангенерирующих и метанокисляющих //з, 93/. В результате хранения проб могут возникать значительные изменения изотопного состава углерода метана в извлекаемом газе. В.Шталь //25/ наблюдал разницу в 25%о между S,3C метана, дегазированного из параллельных образцов керна, хранившихся различное время.
Для проверки возможного влияния У1ШР на изотопным состав углерода метана, извлекаемого из промывочной жидкости, была проведена соответствующая экспериментальная работа. Ее сущность за- ключалась в следующем: пробы керна и промывочной жидкости отбирались из четырех скважин, расположенных в плане в вершинах квадрата со стороной 100 м. Пара скважин, расположенных на одной из диагоналей квадрата, бурилась с глинистым раствором на воде, пара другой диагонали - с использованием такого же глинистого раствора, но с добавкой УШР в принятых для данного типа разреза количествах. Пробы промывочной жидкости отбирались через 10 м про-ходки и объединялись в интервале 50-150 м; они характеризовали газонасыщенность пачки неогеновых отложений. В интервале 50-90 м (JVzap ) отбирались также пробы керна.
С целью проверки влияния времени хранения образцов на результаты изотопных исследований осуществлялся отбор трех параллельных проб бурового раствора и керна.
Генезис рассеянных газов в породах апшеронских отложений
Метод установления природы газометрических аномалий по изотопному составу углерода метана рассеянных газов отложений зоны геохимического зондирования опробован на Лободинской площади. Объектом изучения являлись рассеянные газы, десорбированные из керна глинистых пород апшеронского возраста, залегающих в интервале 50-100 м (I опорный горизонт).
Геохимические характеристики газов представлены в табл.8.
Доминирующими компонентами газо-воздушной смеси являются не углеводородные газы Na и (\ , пределы колебаний суммы которых составляют 92 97$.
Во всех образцах в заметных количествах зафиксирована двуокись углерода. Ее концентрации в пробах обычно в 100 и более раз превышают соответствующую величину для атмосферного воздуха.
Вся углеводородная часть газов практически нацело состоит из метана; содержания тяжелых углеводородов не превышают 0,1$ его концентраций, а для большинства проб эта величина составляет сотые доли процента. Гомологи метана представлены в основном этаном. Соотношение С2/С5 для большинства проб лежит в пределах 4 Ш . Бутан был обнаружен в единичных образцах в концентрациях, близких к предельным для измерения на хроматографе.
Распределение значений 8 С СН имеет следующие характеристики: п = 118; пределы вариаций - от -39,0$» до -82,8& ; среднеарифметическое —69,5 ю$о; мода —76,8$о . Углерод метана по - 7T давляющего количества образцов обогащен легким изотопом. Более чем в 80$ случаев обнаружен метан с S 3C -60fc(рис.7).
По химическому составу и значениям SI3C метана газы, рассеянные в неогеновых отложениях Лободинской площади, не отличаются от исследованных во ВНИИЯГГ газов отложений ЗГПЗ Липченков-ского и Демидовского участков.
Критерии, примененные Ф.А.Алексеевым и др. для доказательства биохимического происхождения метана в неоген-палеогеновых отложениях Волгоградского Заволжья / J /, полностью распространяются на газы в поверхностных отложениях Лободинской площади.
В некоторых изученных нами образцах был измерен изотопный состав углерода как метана, так и углекислого газа. Значения 3 3С С( 2 варьируют в пределах -10,8 -21,6$о (табл.8) при сред-нем изотопном составе 8ПС С02 = -15,8 ±2,0$ (рис.7). Распределение значений 8,ЭС в СО симметрично и близко к нормальному. Средний изотопный состав углерода С0 в общем соответствует значениям 8аС для углекислоты, выделяющейся совместно с метаном в результате процессовбиохимического образования в анаэробных условиях. В этом случае, если углекислый газ и метан связаны метаболическим циклом бактерий, изотопическое смещение ( д8,3С = SnCcu -S CcJ между ними лежит в диапазоне -50 -70%о со средним значением ВаС = -60$» /г,г?,usju/. Разница между &ПС СН и
8 С С0 в изученных образцах в среднем составляет -53,Ь% " и попадает в этот диапазон. Результаты анализа изотопного состава углерода COg и СН , совместно присутствующих в породах неогеновых отложений, дают дополнительные доказательства биохимического происхождения основного количества этих газов.
Распределение величины 13С метана по площади и по разрезу ЗПГЗ
Выше показано, что Лободинская залежь отражается изотопно-тяжелым углеродом метана в апшеронском горизонте лишь в некоторых точках опробования, расположенных, по-видимому, в зонах разуплотнения осадочных отложений. Метан над залежью обогащен легким изотопом углерода. Поток метана, рассеивающийся из залежи сквозь ненарушенную осадочную толщу, увеличивает газонасыщенность неогеновых отложений незначительно. Приуроченность к продуктивной ловушке участков с аномально высокими содержаниями в апшеронских глинах биогенного метана, обусловлено, видимо, совпадением структурных планов картируемых отложений и подсолевого нижнєбашкирского горизонта, в котором залегает залежь.
Доля эпигенетичного метана резко возрастает, проявляясь в ярко выраженном увеличении значении 8ПС там, где в результате особых геологических условий содержания биогенного метана в апшеронских глинах аномально низки и сопоставимы с содержаниями метана в породах из более глубоких интервалов разреза, отвечающих палеогеновым отложениям. Можно предположить, что подток миграционных газов от залежи сквозь ненарушенную осадочную толщу может оказаться достаточным для образования газометрических аномалий с изотопно-тяжелым метаном в палеогеновых горизонтах.
Южно-Кисловское месторождение нефти и газа приурочено.к атектонической ловушке / 3 /; поэтому перекрывающие отложения образуют спокойную моноклиналь, породы равномерно уплотнены, в разрезе развиты пластовые соли, дизъюнктивные дислокации отсутствуют. Отложения неогена над Южно-Кисловской залежью характеризуются повыше иными значениями /3/.
В пределах рассматриваемой площади изучен изотопный состав углерода СН в газах, десорбированных из промывочной жидкости, которая отбиралась в процессе бурения геохимических скважин по всему вскрытому интервалу. Методом электрокаротажа выделено пять интервалов разреза, приуроченных к различным стратиграфическим уровням, с близким литологическим составом пород, характеризующихся различной насыщенностью метаном с различными содержаниями его гомологов (рис.15). Пробы газовоздушной смеси объединялись в границах выделенных интервалов, после чего определялась величина С метана по методике, изложенной выше.
Структурно-геохимические скважины расположены по профилям вкрест простирания погребенной Южно-Кисловской залежи (рис.16). Расстояние между профилями и скважинами выбрано с учетом размера ловушки; они составляют 1,5-2,0 и 0,5 км, соответственно.
