СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО КИНЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА РЕАКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НЕФТЕГАЗОМАТЕРИНСКИХ ПОРОД
METHOD OF DETERMINATION OF MULTICOMPONENT KINETIC SPECTRUM OF REACTIONS OF SOURCE ROCK ORGANIC MATERIAL TRANSFORMATION

Техническое решение относится к технологии прогнозирования нефтегазоносности геологических структур путем определения компонентного состава и динамики генерации углеводородов (УВ) в катагенезе нефтегазоматеринских пород и может быть использовано при бассейновом моделировании УВ-систем для поисков нефтяных и газовых месторождений.
Заявителем выявлены патентные документы [1-8], определяющие общий уровень техники в этой области:
- способ моделирования образования и удержания УВ в нефтегазоматеринской породе [1];
- способ определения генезиса УВ-аномалий при поисках нефти и газа [2];
- способ определения характеристик нефти в осадочных породах [3];
- способ прогнозирования оборудования нефти [4];
- способ прогнозирования компонентного состава флюидов, сгенерированных нефтегазоматеринской породой в осадочном бассейне [5];
- способ определения катагенеза органического вещества нефтегазоматеринских толщ [6];
- способ определения зрелых нефтегазоматеринских пород [7];
- способ определения в горных породах содержания керогена и его параметров [8].
Определяющие общий уровень техники источники [1-8] следует отнести к категории документов, касающихся предмета поиска, но не считающихся особо релевантными. Относящиеся к предмету поиска патенты [1-8] имеют схожие к предложенному техническому решению родовые понятия названий, однако их смысловое содержание и объем притязаний не адекватны и принципиально отличаются, при этом заявленный способ отличается совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.
Эти известные технические решения, представляя отдельные аспекты катагенеза органического вещества осадочных пород, не касаются конкретных процессов геохимического лабораторного анализа образцов породы и специфики моделирования нефтегазоносных зон, в том числе бассейнового моделирования и пространственного распределения УВ. В ряде случаев такие патенты являются недостаточно информативными и достоверными, поскольку не обеспечивают потенциальных функциональных возможностей геохимического поиска залежей УВ. При этом известные технологии геохимических исследований [1-8] не предусматривают исследований многокомпонентных кинетических спектров реакций преобразования органических веществ (керогена) и получения детерминированных данных о нефтяных или газовых месторождений УВ.
Общим признаком известных способов [1-8] геохимических исследований является наличие последовательных этапов выполнения операций, включающих отбор проб (образцов) осадочных горных пород, измерение их структуры и параметров, обработку данных измерений, анализ и интерпретацию данных.
Представляется, что из известных технологий [1-3] ближайшим может быть выбран способ по US 20080059140 А1, 06.03.2008 [1], который дает концептуальное изложение проблемы образования УВ в нефтегазоматеринской породе, детализируя и систематизируя рассмотренные ранее общие положения [9-11, 13].
Способ [1] содержит последовательные этапы, на которых выполняют следующие операции: 1) отбирают пробы осадочных горных пород по заданной геологической структуре, 2) производят измерения параметров компонентов структурных элементов совокупности проб, 3) обрабатывают данные этих измерений и 4) выполняют анализ и интерпретацию данных с целью вынесения суждения о нефтегазоносности заданной геологической структуры, причем этапы 1) - 4) производят в несколько подэтапов.
Способ [1] делает акцент на общей схеме моделирования механизма молекулярной динамики и кинетики преобразования керогена в зависимости от времени и температуры процесса катагенеза. Такая формальная трактовка технического решения близка к научной теории и ограничивает конкретную промышленную применимость [1].
Все перечисленные выше и относящиеся к другим объектам [2-8] недостатки можно отнести и к недостаткам способа [1], основным из которых является отсутствие возможности определения многокомпонентного кинетического спектра реакций нефтегазообразования и, как следствие, - ограничение функциональных возможностей и промышленной применимости.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании способа определения многокомпонентного кинетического спектра реакций преобразования органического вещества нефтегазоматеринских пород, реализуемого в технологии прогнозирования нефтегазоносности геологических структур путем проведения геохимических исследований, включающих методы пиролитической хроматографии (пиролиз проб осадочных пород и последующую хроматографию выделяемых компонентов при теоретически обоснованных и апробированных на практике режимах процесса нагревания).
Основной технический результат предлагаемого способа - расширение функциональных возможностей, повышение информативности, достоверности и детальности прогнозирования нефтегазоносности геологических структур путем определения многокомпонентного кинетического спектра реакций преобразования органического вещества (керогена) нефтегазоматеринских пород, углей и горючих сланцев. Способ, как один из эффективных критериев поиска и разведки УВ, позволяет детерминировать залежи по преимущественному составу нефти или газа и может дать синергетический эффект при комплексной обработке данных геофизических и геохимических полей для определения пространственного распределения УВ. Кроме того, предложенный способ необходим при бассейновом моделировании [10-13] процессов генерирования нефти и газа органическими веществами (керогеном) природного нефтегазообразования в горных породах и эффективного ранжирования поисковых объектов на нефть и газ [12].
Технический результат достигается следующим образом.
Заявляемый объект имеет следующие общие с прототипом и аналогами существенными признаки.
Способ определения компонентного состава и динамики генерации углеводородов (УВ) в катагенезе нефтегазоматеринских пород содержит последовательные этапы, на которых выполняют следующие операции: 1) отбирают пробы осадочных горных пород в исследуемых геологических структурах, 2) производят измерения параметров генерации компонентов углеводородов совокупности проб, 3) обрабатывают данные этих измерений и 4) выполняют анализ и интерпретацию данных с целью вынесения суждения о нефтегазоносности исследуемых геологических структур, причем этапы 1) - 4) производят в несколько подэтапов.
Отличительными существенными признаками заявляемого объекта, обеспечивающими получение указанного технического результата являются следующие.
На этапе 1):
1.1) отбирают пробы пород нефтегазоматеринских свит осадочно-породных бассейнов заданной географической зоны в поисковых маршрутах, из керна поисковых скважин и коллекций;
1.2) для этапа 2) используют навески массой 10-20 мг дробленой породы с фракцией 0,25-0,40 мм.
На этапе 2) используют технологию пиролитической газовой хроматографии, включающую подэтапы:
2.1) проводят предварительную дебитуминизацию проб посредством нагрева при температуре 300°С в течение 15 мин;
2.2) нагревают пробу, помещенную в открытую проточную газом-носителем кварцевую капсулу, находящуюся в пиролитической ячейке, при этом прогрев пробы в течении 180-420 с повторяют при 25-50 значениях температуры, которую ступенчато повышают в интервале от 300°С до 800°С;
к
2.3) в хроматографической колонке газового хроматографа, соединенной с открытой кварцевой капсулой, разделяют компоненты С углеводородных (УВ) продуктов пиролиза и путем абсолютной градулировки определяют их количественный состав в пламени детектора ионизации в зависимости от температуры и длительности процесса пиролиза.
На этапе 3) обработки данных измерений реализуют следующие операции:
i
к
i
i
i
3.1) в процессе пиролиза формируют совокупность измеренных данных о выходе X компонентов С УВ-продуктов (в мг на 1 г пробы) в i-тые моменты времени t, соотнесенные различным значениям температуры T (t) в интервале нагревания от 300°С до 800°С в соответствии с конкатенацией
i
i
i
i
3.2) определяют значения энергии активации E в процессе генерации нефти и газа в зависимости от температуры T (t) и времени t
к
i
3.3) посредством компьютерной программы строят диаграммы многокомпонентного кинетического спектра реакции преобразования керогена пробы в виде распределения интегрального выхода X (%) компонентов С УВ-продуктов от энергии активации E
3.4) кинетические спектры проб породы заданной свиты геологической структуры в графическом и табличном виде, а также индекс трансформации органического вещества (зависимость степени преобразованности органического вещества от температуры) заносят в банк данных для дальнейшего анализа и интерпретации.
На этапе 4) анализа и интерпретации данных геохимических исследований, проведенных на этапах 1) - 3):
4.1) определяют состав УВ-компонентов (соотношения нефть/газ, легкая/тяжелая нефть, жирный/сухой газ) и динамику катагенеза (степень преобразованности);
4.2) проводят оценку генерационного потенциала нефтегазоматеринской породы исследуемого бассейна;
4.3) выполняют бассейновое моделирование УВ-систем;
4.4) оценивают и планируют перспективные геологоразведочные работы и размещение поисковых и разведочных скважин;
4.5) формируют библиотеку восстановленных кинетических спектров по генетическому типу нефтегазоматеринских свит территории и акватории России и других стран.
Способ отличается тем, что на этапе 3) обработки данных измерений расчет параметров и построение кинетических спектров проводят в соответствии с выражениями
i
-1
где K(t) - скорость химической реакции на момент t, с;
14
-1
А - предэкспотенциальный фактор (А=2⋅10с);
i
E - энергия активации, ккал/моль;
-1
-1
R - универсальная газовая постоянная (R=8,314 Дж⋅моль К⋅);
T(t) - температура на момент t, К;
i
i
TR(t) - степень преобразованности органического вещества для данной E на момент t;
oi
X - выход УВ-компонента при пиролизе при температуре T(t) на момент t, мг на г породы (или % от общего выхода УВ-компонента при использовании относительных масс);
dt - длительность реакции, с.
к
Отличием способа также является то, что на этапах 2) и 3) в качестве разделяемых при пиролизе компонентов С УВ-продуктов принимают:
1
2
5
6
14
15
компонент 1: C - сухой газ, метан; компонент 2: С-С - жирный газ, все углеводороды (предельные и непредельные) с количеством атомов углерода в молекуле от 2 до 5; компонент 3: С-С - легкая нефть, все углеводороды (предельные и непредельные, в том числе циклические) с количеством атомов углерода в молекуле от 6 до 14; компонент 4: С+ - тяжелая нефть, все углеводороды (предельные и непредельные, в том числе циклические) с количеством атомов углерода в молекуле больше 15.
к
15
Кроме того, способ отличается тем, что открытую проточную газом-носителем кварцевую капсулу выполняют с элементами закрытой системы пиролиза, перекрывающими нижнее и верхнее отверстия в кварцевой капсуле мембранами из кварцевой термостойкой ваты, задерживающими тяжелые продукты пиролиза (с С выше С), подвергаемые в дальнейшем вторичному крекингу.
При этом в качестве газа-носителя применяют инертный газ азот, который подают непрерывно с постоянной скоростью 60 мл в мин.
На фиг. 1 представлена общая функциональная блок-схема процесса, где цифрами обозначены этапы и подэтапы выполнения способа. Фиг. 2 иллюстрирует технический результат, получаемый при использовании предложенного способа по определению многокомпонентного кинетического спектра реакций преобразования органического вещества нефтегазоматеринских пород (Западно-Сибирский осадочный бассейн, п-ов Ямал). В нижней части фиг. 2 приведен график соответствующего индекса трансформации компонентов УВ-продуктов в зависимости от температуры. На фиг. 3 приведены результаты определения кинетического спектра в табличном виде.
1
2
5
6
14
15+
Экспериментально полученные в 2015-2016 г. г. кинетические спектры (кинетики) в четырехкомпонентном варианте (С, С-С, С-С, С) представлены также на фиг.4 (Восточно-Кубанская впадина, Республика Адыгея, р. Белая), на фиг. 5 (Зайсанский бассейн, Республика Казахстан, р. Аба) и на фиг.6 (Анадырский бассейн, Чукотский АО, г. Анадырь).
Осуществление способа (фиг. 1) заключается в следующем.
Способ основан на методе пиролитической хроматографии проб осадочных пород с определением многокомпонентных кинетических спектров реакций преобразования органического вещества, которые позволяют научно обоснованным и наглядным образом с точки зрения химии полимеров иллюстрировать деструкцию биополимера (геополимера) до компонентов нефти и газа и которые после моделирования УВ-систем служат дополнительным эффективным критерием для суждения о нефтегазоносности геологических структур.
Пробы (образцы) пород нефтегазоматеринских свит осадочно-породных бассейнов отбирают в поисковых маршрутах в местах выхода осадочных пород (водотоки рек и т.п.), из керна поисковых скважин и коллекций. Образцы пород традиционно отбирают визуально по текстурно-структурным особенностям. Навеску дробленной породы (фракция 0,25-0,40 мм) массой 10-20 мг помещают в открытую проточную газом-носителем кварцевую капсулу (пробирку), выполненную с элементами закрытой системы, перекрывающими нижнее и верхнее отверстия капсулы мембранами из кварцевого волокна.
На этапе 2) пиролитической газовой хроматографии проводят предварительную дебитуминизацию проб посредством нагрева при температуре 300°С в течение 15 мин, чтобы удалить сорбированные и уже сгенерированные углеводороды, содержащиеся в матрице породы. И, далее, на подэтапе 2.2 посредством использования пиролитической ячейки (реактора пиролиза с кварцевой капсулой), совмещенной с испарителем газового хроматографа, ступенчато нагревают пробу от 300°С до 800°С в течение 180-420 с при 25-50 значениях температуры.
При ступенчатом нагреве, при достижении температуры разложения органических веществ (керогена) в токе инертного газа-носителя (азота) происходит вынос пиролизуемых компонентов (за исключением самых тяжелых высокомолекулярных, которые пиролизуются при более высоких температурах). Продукты пиролиза, способные пройти через мембраны с током газа-носителя, попадают в испаритель газового хроматографа и, далее разделяются на хроматографической колонке.
к
к
В хроматографической колонке газового хроматографа, соединенной с открытой кварцевой капсулой, разделяют компоненты С углеводородных (УВ) продуктов пиролиза и путем абсолютной градуировки определяют их количественный состав в пламени детектора ионизации в зависимости от температуры и длительности процесса пиролиза, т.е. формируют количественное соотношение выделяемых при пиролизе компонентов С.
к
1
2
5
6
14
15
В качестве разделяемых при пиролизе компонентов С УВ-продуктов принимают: компонент 1: C - сухой газ, метан; компонент 2: С-С - жирный газ, все углеводороды (предельные и непредельные) с количеством атомов углерода в молекуле от 2 до 5; компонент 3: С-С - легкая нефть, все углеводороды (предельные и непредельные, в том числе циклические) с количеством атомов углерода в молекуле от 6 до 14; компонент 4: С+ - тяжелая нефть, все углеводороды (предельные и непредельные, в том числе циклические) с количеством атомов углерода в молекуле больше 15.
В результате этапа 2) измерений получают количественное соотношение этих четырех компонентов в общем объеме продуктов пиролиза на его различных стадиях.
В дальнейшем полученную информацию обрабатывают посредством компьютерной программы, реализуя следующие операции (этап 3):
i
к
i
i
i
3.1) в процессе пиролиза формируют совокупность измеренных данных о выходе X компонентов С УВ-продуктов (в мг на 1 г пробы) в i-тые моменты времени t, соотнесенные различным значениям температуры T (t) в интервале нагревания от 300°С до 800°С в соответствии с конкатенацией (1);
i
i
i
i
3.2) определяют значения энергии активации E в процессе генерации нефти и газа в зависимости от температуры T(t) и времени t(2);
к
i
3.3) строят диаграммы многокомпонентного кинетического спектра реакции преобразования керогена пробы в виде распределения интегрального выхода X (%) компонентов С УВ-продуктов от энергии активации Е (выражение (3), фиг. 2, 4-6);
3.4) кинетические спектры проб породы исследуемой свиты в графическом (фиг. 2) и табличном (фиг. 3) виде, а также индекс трансформации органического вещества (нижняя часть фиг. 2) заносят в банк данных для дальнейшего анализа и интерпретации.
Обработку данных измерений повторяют для всех ступенчато изменяемых температур и различных значений энергии активации.
Расчет параметров и построение кинетических спектров проводят в соответствии с выражениями (4) и (5), которые являются [9, 12] уравнениями Аррениуса первого порядка, описывающими кинетику химических реакций преобразования органического вещества.
На этапе 4) анализа и интерпретации данных геохимических исследований (подэтапы 4.1-4.3):
- определяют состав УВ-компонентов (соотношения нефть/газ, легкая/тяжелая нефть, жирный/сухой газ) и динамику их генерации в катагенезе (преобразовании);
- проводят оценку генерационного потенциала нефтегазоматеринской породы исследуемого бассейна;
- выполняют бассейновое моделирование УВ-систем;
- оценивают и планируют перспективные геологоразведочные работы и размещение поисковых и разведочных скважин;
- формируют библиотеку восстановленных кинетических спектров по генетическому типу нефтегазоматеринских свит территории и акватории России и других стран.
Реализация предложенного способа позволила создать апробированные библиотеки четырехкомпонентных кинетических спектров реакций преобразования органических веществ по ряду материнских нефтегазовых свит, а также по угольным бассейнам России и других районов [12, 14] и тем самым повысить информативность, достоверность и детальность прогнозирования месторождений. При этом способ расширил функциональные возможности бассейнового моделирования [10-13] и эффективного ранжирования поисковых объектов [14].
Таким образом, из описания способа следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом (расширение функциональных возможностей, повышение информативности, достоверности и детальности прогнозирования нефтегазоносности геологических структур), который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков способа.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. US 20080059140 А1, 06.03.2008 (прототип).
2. SU 934425 А1, 07.06.1982 (аналог).
3. FR 2339173 А1, 19.08.1977 (аналог).
(US 7772004 В2, 10.08.2010).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. US 8352228 В2, 08.01.2013.
5. US 20140377872 А1, 25.12.2014.
6. RU 2085974 С1, 27.07.1997.
7. RU 2261438 С1, 27.09.2005.
8. RU 2485495 С2, 20.06.2013.
9. Тиссо Б., Вельте Д. Образование и распространение нефти и газа. - М.: Мир, 1981, 501 с.
10. US 5922974 А, 13.07.1999.
11. Вассоевич Н.Б. Теория осадочно-миграционного происхождения нефти (историчесий обзор и современное состояние). - Изв. АН СССР, сер. геол., 1967, №11, с. 135-156.
12. Галушкин Ю.И. Моделирование осадочных бассейнов и оценка нефтегазоносности. М. - Научный мир, 2007. - 456 с.
13. Астахов С.М. Геореактор. Алгоритмы нефтеобразования. Ростов-на-Дону: Контики, 2015. - 256 с.
14. Behar F. et al. Thermal cracking of kerogen in open and closed systems: determination of kinetic parameters and stoichiometric coefficients for oil and gas generation. - Organic Geochemistry, 1997, v. 26, №5/6, p. 321 - 339.
15. http://www.georeactor.ru.