СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗРЕЛОСТИ САПРОПЕЛЕВОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НЕФТЕГАЗОМАТЕРИНСКИХ ТОЛЩ ПО ДАННЫМ ОПТИКО-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD OF DETERMINING MATURITY SAPROPEL ORGANIC MATTER OF OIL AND GAS BEARING STRATA FROM OPTICAL-SPECTROMETRIC MEASUREMENT DATA

Изобретение относится к оптическим методам изучения органического вещества (OB) осадочных пород, а именно  его нерастворимой части (НОВ), и может быть использовано при оценке нефтегазогенерационного потенциала осадочных толщ для определения уровня зрелости OB пород, осуществляемого на основе анализа значений оптической плотности различных участков ИК-спектра образца исследуемого НОВ с учетом его микрокомпонентного состава.
Известен способ определения зрелости OB нефтематеринских пород по результатам пиролиза их образцов в инертной атмосфере [1]. Данный метод может дать лишь приближенную оценку термической зрелости OB пород. Кроме того, зависимость значений получаемых пиролитических показателей от ряда не вполне контролируемых факторов, таких как состав минерального компонента исследуемого образца породы, приводит в ряде случаев к существенным ошибкам при определении термической зрелости OB пород этим способом.
Известны способы оценки уровня катагенеза рассеянного OB пород на основе определения показателя отражательной способности (ОС) одного из компонентов исследуемого OB-витринита. Отражательная способность витринита (ОСВ), являющаяся в настоящее время одним из основных критериев оценки степени преобразованности OB пород - свойство органического вещества, формирующееся под влиянием генетических и геологических факторов, а показатель его отражения - количественный параметр, отражающий суммарный эффект происходивших процессов преобразования [2]. Недостатком данного способа является то, что в составе рассеянного OB (РОВ) нефтегазоматеринских толщ морского генезиса редко отмечается витринит - вещество, образующееся из наземной растительности. Поэтому катагенез OB отложений морского происхождения, формировавшихся в глубоководных и удаленных от берега обстановках, обычно определяется путем реконструкции по замерам ОС витринита в выше- и нижележащих отложениях изучаемого разреза или по другим показателям. Кроме того, отложения додевонского возраста совсем не содержат содержащих витринит углистых включений и к ним этот метод вообще не может быть применим.
Попытка частичного решения этой проблемы нашла воплощение в способе определения петрографического состава органического вещества [3], в соответствии с которым под микроскопом анализируют различные микрокомпоненты РОВ пород и углей и получают максимально возможный набор параметров, отражающих состав и характер исследуемого органического вещества. Данным способом определяют микрокомпоненты группы витринита, применяя двусторонне полированный непокрытый шлиф на не люминесцирующей основе. Каждый микрокомпонент в любой интересующей точке образца изучают последовательно в проходящем и отраженном свете, в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, и по совокупности полученных данных, в том числе по отражательной способности, судят о характере и составе органического вещества. Данный способ также не учитывает особенностей изучения органического вещества нефтематеринских толщ морского генезиса.
Указанные особенности более полно учтены в способе определения катагенеза органического вещества нефтегазоматеринских толщ [4], где о катагенезе органического вещества судят по замерам отражательной способности сорбомикстинита - основного компонента OB древних нефтематеринских толщ морского генезиса, представляющего тонкодисперсную смесь продуктов разложения и преобразования планктоногенного органического вещества, выделенного из глинистых и глинисто-карбонатных пород.
Общим недостатком методов оценки уровня зрелости OB, основанных на исследовании отражательной способности компонентов НОВ (витринита или сорбомикстинита), является то, что отражательная способность - это количественный параметр, суммирующий результаты различных процессов преобразования, происходивших с породой и ее органическим веществом в ходе ее геологической эволюции. При этом различные процессы вносят различный вклад в генерацию углеводородов (УВ), часто не соответствующий их вкладу в суммарный показатель отражательной способности исследуемого OB. Кроме того, есть процессы, такие как переотложение пород, никак не связанные с генерацией УВ органическим веществом, но оказывающие существенное влияние на суммарную отражательную способность и результат оценки общего УВ - генерационного потенциала.
Одним из негативных следствий указанных недостатков этих методов исследования зрелости OB пород является то, что они не дают возможности учета значимых для оценки нефтегенерационного потенциала особенностей, связанных с наличием в исследуемом образце органического вещества смешанного состава, состоящего из микрокомпонентов различной природы и уровня зрелости.
Например, если исследуемый образец на ¾ состоит из высоко обуглероженного OB и на ¼ из OB, находящегося на уровне зрелости, соответствующем нефтегенерации, то результирующая оценка будет соответствовать уровню термической зрелости, характерному для "перезрелого" OB, уже не способного к нефтегенерации. Таким образом, в случае смешанного состава OB использование этих методов может приводить к недостоверным оценкам зрелости нефтематеринских пород и, как следствие, неправильной оценке нефтематеринского потенциала изучаемой осадочной толщи.
С учетом вышеизложенного авторами был сделан вывод, что для более корректной оценки термической зрелости OB осадочных пород, и, в особенности, древних нефтематеринских пород морского генезиса, необходимо получить более детальную информацию об изменениях химического состава OB в ходе его термического созревания в сочетании с информацией о его микрокомпонентном составе.
Одним из наиболее эффективных методов исследования OB, позволяющих получать детальную и достоверную информацию о его микрокомпонентном составе, является флуоресцентная микроскопия, впервые использованная А.С. Хаттоном для изучения органического вещества горючих сланцев и его классификации [5, 6]. Преимуществом этого метода является возможность визуального выявления фрагментов образца, отличающихся различным микрокомпонентным составом, в сочетании с возможностью количественной оценки относительного содержания выявленных фрагментов.
Среди физико-химических методов исследования OB, позволяющих получать более детальную информацию об особенностях химического состава на разных этапах термического созревания, следует выделить ИК-спектроскопию OB, поскольку в ИК-спектрах содержится информация об относительном содержании различных функциональных групп, определяющих его химический состав, который, в свою очередь, связан как с исходным микрокомпонентным составом, так и с уровнем его зрелости.
Из базирующихся на ИК-спектроскопии методов оценки зрелости OB наиболее близким к заявляемому является описанный в работе [7] способ оценки типа органического вещества и его зрелости, использующий количественные показатели ИК-спектров исследуемых образцов НОВ (керогена).
Согласно этому способу в исходных спектрах исследуемых образцов измеряют интенсивности отдельных пиков при:
-1
2
3
- 2860 и 2930 см (С-Н - колебания в СН- и СН- группах);
-1
- 1710 см (С=O - колебания в карбоксильных и карбонильных группах);
-1
- 1630 см (С=С - колебания в ароматических кольцах).
Измеренные значения интенсивностей используют для расчета коэффициентов А и С.
-1
-1
-1
-1
-1
Коэффициент А представляет отношение суммы интенсивностей пиков при 2930 см и 2860 см к сумме интенсивностей пиков при 2930 см, 2860 см и 1630 см:
-1
-1
Коэффициент С представляет отношение интенсивности пика при 1710 см к сумме интенсивностей пиков при 1710 и 1630 см:
Вычисленные таким образом значения коэффициентов А и С могут быть отображены на двумерной диаграмме - аналоге диаграммы Ван-Кревелена [7] в виде точки, значение абсциссы которой равно коэффициенту С, а ординаты - коэффициенту А. Пример такой диаграммы, взятый из работы [7], представлен на рис.1. Диаграмма позволяет наглядно определять типы керогена и оценивать уровни его зрелости на основе соотношения между коэффициентами А и С.
Как это видно из рисунка, пространство диаграммы разделено линиями на три области, соответствующие трем типам керогена. Стрелками на этих линиях обозначено направление, в котором увеличивается уровень зрелости керогена. Таким образом, о типе исследуемого керогена и уровне его зрелости судят по положению точки на данной диаграмме, координатами которой служат полученные вышеописанным способом коэффициенты А и С.
Основным недостатком данного метода является то, что он позволяет получить лишь качественную оценку зрелости OB, на основе которой невозможно надежно установить, соответствует ли зрелость исследуемого OB зоне нефте- или газогенерации.
Кроме того, приведенные в работе [7] примеры корреляции показателя А с показателями, отражающими зрелость OB, полученными на основе метода пиролитической хроматографии (Rock-Eval), на наш взгляд, не являются корректными, так как корреляция проводится на основе сопоставления по оси абсцисс и ординат значений показателей, получаемых одним методом Rock-Eval, один из которых по оси абсцисс умножен на показатель А.
Задачей данного изобретения является повышение достоверности и детальности определения зрелости органического вещества как базового показателя для оценки нефтегазоматеринского потенциала древних нефтегазоматеринских толщ морского генезиса, где основная масса ОВ представлена продуктами преобразования водорослевой (планктоногенной) органики и остатками зоогенного характера.
-1
2930
2850
1710
1630
Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе определения зрелости сапропелевого органического вещества нефтегазоматеринских толщ по данным оптико-спектроскопических измерений, включающем отбор образцов осадочных пород, выделение из них нерастворимого органического вещества, измерение интенсивностей ИК-спектральных полос при 2930, 2850, 1710 и 630 см, его инфракрасного спектра (I, I, I, I), иначе осуществляют анализ полученных результатов.
Полученные величины используют для вычисления показателей:
H
2930
2850
1630
1710
1630
I=(I+I)/I и Io=I/I,
H
H=(I max-Iн)/Iн max;
O=(Io max-Io)/Io max.
При значениях H=0-0,4 и O=0,1-0,4 определяют подстадию протокатагенеза (ПК), что соответствует буроугольной стадии термической зрелости,
при значениях Н=0,1-0,85 и O=0,1-0,85 определяют подстадию мезокатагенеза (МК),
при значениях Н=0,875-1,0 и O=0,1-0,825 определяют подстадию апокатагенеза (АК), что соответствует маркам углей от тощих до антрацитовых.
В подстадии мезокатагенеза (МК) различают 5 различных стадий, которые характеризуются величинами:
Н=0,1-0,5 и O=0,5-0,65, что соответствует длиннопламенной - Д-марке углей,
Н=0,3-0,625 и O=0,55-0,7, что соответствует газовой - Г-марке углей,
Н=0,65-0,675 и O=0,55-0,7, что соответствует жирноугольной - Ж-марке углей,
Н=0,7-0,75 и O=0,6-0,75, что соответствует коксовой марке углей - К-марке углей,
Н=0,75-0,85 и O=0,775-0,85, что соответствует отощенно-спекающейся - ОС-марке углей.
H
O
Расчеты показателей О и Н для OB фито- и зоопланктонного происхождения определяют в соответствии со значениями I max и I max:
H
O
для OB фитопланктонного происхождения - Imax=3,8, Imax=1,6;
H
O
для OB, зоогенного состава I max=2,0, I max=1,2.
Для OB смешанного состава значения показателей Н и О вычисляют с учетом долей OB фито- и зоопланктонного происхождения, содержащихся в образце.
Доли OB фито- и зоопланктонного происхождения, содержащегося в образце, определяют в ходе его флуоресцентно-микроскопического исследования.
-1
Для получения ИК-спектров используют данные, полученные на инфракрасном спектрометре в спектральном диапазоне 4000-400 см.
Сущность изобретения заключается в том, что для определения зрелости сапропелевого органического вещества нефтегазоматеринских толщ используется анализ ИК-спектров концентратов нерастворимого органического вещества (керогена), выделенного из исследуемых пород, поскольку характеристики ИК-спектров керогена закономерно меняются с ростом зрелости OB. Закономерный характер этих изменений иллюстрируется представленными на рис.2 ИК-спектрами образцов НОВ сходного микрокомпонентного состава, но различной зрелости.
-1
В результате анализа ИК-спектров коллекции "эталонных" образцов керогена с известными значениями зрелости, полученными на основе использования других (как правило, более трудоемких) аналитических методов, подбирают наборы количественных показателей, связанных с характеристиками измеряемых спектров, которые обусловлены различиями в термической зрелости исследуемых образцов, а также определяют области значений этих показателей. Одним из таких наборов спектральных показателей являются вышеупомянутые показатели А и С, приведенные в работе [7] и вычисляемые с использованием значений амплитуд спектральных полос с максимумами при 2930, 2860, 1710 и 1630 см.
Патентуемый способ основан на том, что катагенетическая зрелость сапропелевого ОВ древних толщ, основными микрокомпонентами которого являются остатки фито- и зоопланктона, как это видно из рис.2, отчетливо проявляется в особенностях ИК- спектров этого вещества. При этом диапазоны изменений спектральных характеристик для незрелого и полностью преобразованного OB существенно различаются в зависимости от его фито- или зоопланктонной природы.
С целью нахождения соответствия существующих градаций катагенеза сапропелевого OB с особенностями характеристик его ИК-спектров, была подобрана и исследована коллекция (более 150 образцов) концентратов нерастворимого OB допалеозойского и раннепалеозойского возраста, где основная масса сингенетичного OB имеет аквагенную природу. При этом уровень зрелости (катагенеза) этих образцов был заранее надежно определен на основе методов его оценки, учитывающих особенности исходного состава исследуемого OB (например, метода, описанного в [4]).
-1
2930
2850
1710
1630
Для сопоставления градаций катагенеза OB с характеристиками его ИК-спектров были выбраны интенсивности полос поглощения с максимумами около 2930, 2850, 1710 и 1630 см (I, I, I, I).
Эти величины были использованы для вычисления следующих показателей:
и
H
O
В ходе исследования указанной коллекции образцов НОВ были определены максимальные значения показателей I и I:
H
O
Для OB фитопланктонного происхождения - I max=3,8; I max=1,6.
H
O
Для OB зоопланктонного происхождения - I max=2,0; I max=1,2.
H
H
На основе полученных показателей I, I max, Io, Io max были введены два новых (нормированных) показателя:
Численные значения показателей Н и О, полученные в ходе исследования коллекции образцов НОВ, были сопоставлены со значениями градаций катагенеза этих образцов [8].
В результате была получена следующая таблица соответствия характеристик ИК-спектров образцов НОВ значениям градаций катагенеза, в которой приведены значения показателей Н и О, полученных из ИК-спектров коллекции образцов НОВ, соответствующие их значениям градаций катагенеза (таблица 1).
В этой таблице крайний левый столбец содержит численные значения показателя Н; верхняя строка - численные значения показателя О. Буквами в таблице обозначены следующие подстадии и градации катагенеза:
0
- ПК - подстадия протокатагенез, соответствует буроугольной стадии термической зрелости гумусового вещества (отражательная способность витринита - R=0-0,5%);
1
2
3
4
5
0
0
0
0
0
- МК - подстадия мезокатагенез, включает градации MK (соответствует длиннопламенной - Д марке углей, R=0,5-0,65%), МК (соответствует газовой - Г марке углей, R=0,65-0,85%), МК (соответствует жирноугольной - Ж марке углей, R=0,85-1,15%), МК (соответствует коксовой марке углей - К, R=1,15-1,55%) и МК (соответствует отощенно-спекающейся - ОС марке углей, R=1,55-2,0%);
0
- АК - подстадия апокатагенез (термическая зрелость гумусового вещества соответствует маркам углей от тощих до антрацитовых, R=2,0-11,0%).
-1
О катагенезе органического вещества судят по количественным показателям, получаемым из значений интенсивностей ИК-спектральных полос при 2930, 2850,1710 и 630 см;
Вычисление количественных показателей осуществляют с учетом относительного содержания в исследуемом образце органического вещества фито- и зоопланктонного происхождения.
Способ реализуется следующей последовательностью операций.
2930
2850
1710
1630
-1
В отобранных образцах осадочных пород выделяют нерастворимое органическое вещество путем удаления породной матрицы соляной и плавиковой кислотами. В ходе флуоресцентно-микроскопического исследования определяют значения доли OB фито - зоопланктонного происхождения, содержащиеся в образце. Затем измеряют ИК-спектры выделенного вещества, получают значения интенсивности полос (I, I, I, I см.
H
O
H
O
H
O
Определяют значения величин О и Н с учетом содержащегося в образце вещества фито- или зоопланктонного происхождения с учетом значений I max и I max : для OB фитопланктонного происхождения - I max=3,8, I max=1,6; для OB зоогенного состава I max=2,0, I max=1,2.
H
O
При этом значения величин I max и I max смешанного состава OB вычисляют с учетом доли содержащегося в образце вещества фито- и зоопланктонного происхождения.
По формулам 5 и 6 вычисляют показатели содержания водорода (Н) и кислорода (О).
По вычисленным показателям Н и О с помощью таблицы 1 определяют значение градации катагенеза исследуемого образца.
При значениях Н=0-0,4 и 0=0,1-0,4 определяют подстадию протокатагенеза (ПК), что соответствует буроугольной стадии термической зрелости,
при значениях Н=0,1-0,85 и 0=0,1-0,85 определяют подстадию мезокатагенеза (МК),
при значениях Н=0,875-1,0 и 0=0,1-0,825 определяют подстадию апокатагенеза (АК), что соответствует маркам углей от тощих до антрацитовых.
В подстадии мезокатагенеза (МК) различают 5 различных градаций, которые характеризуются величинами:
Н=0,1-0,5 и O=0,5-0,65, что соответствует длиннопламенной - Д-марке углей,
Н=0,3-0,625 и O=0,55-0,7, что соответствует газовой - Г-марке углей,
Н=0,65-0,675 и O=0,55-0,7, что соответствует жирноугольной - Ж-марке углей,
Н=0,7-0,75 и O=0,6-0,75, что соответствует коксовой марке углей, К-марке углей,
Н=0,75-0,85 и O=0,775-0,85, что соответствует отощенно-спекающейся - ОС - марке углей.
Доли OB фито- и зоопланктонного происхождения, содержащегося в образце, определяют в ходе его флуоресцентно-микроскопического исследования.
-1
Для получения ИК-спектров используют данные, полученные на инфракрасном спектрометре в спектральном диапазоне 4000-400 см.
Флуоресцентно-микроскопические исследования проводят на конфокальном флюоресцентном микроскопе Leica SPE.
Для получения ИК-спектров используют инфракрасный спектрометр Specord M 80.
Литература
1. Тиссо Б., Вельте Д. Образование и распространение нефти и газа. - M.: Мир. 1981. - 501 с.
2. Парпарова Г.М., Жукова А.В. Углепетрографические методы в изучении осадочных пород и полезных ископаемых. - Л.: Недра, 1990. - С.29-34.
3. Авторское свидетельство СССР N 473142, от 10.01.74 г.
4. Патент РФ №2085974 от 11.01.1995 г.
5. Hutton, A.C. / Petrographic classification of oil shales // International Journal of Coal Geology, 1987, v.8, p.203-231.
6. Hutton, A.C. / Classification, organic petrography and geochemistry of oil shale // in Proceedings 1990 Eastern Oil Shale Symposium: Lexington, University of Kentucky Institute for Mining and Minerals Research, p.163-172.
7. Ganz, H. and Kalkreuth, W. / Application of Infrared Spectroscopy to the classification of kerogen types and the evaluation of source rock and oil shale potentials. // Fuel, 1987, Vol.66, No.5, pp.708-711.
8. Неручев С.Г., Вассоевич Н.Б, Лопатин Н.В. / О шкале катагенеза в связи с нефтегазообразованием. // в кн.: Труды XV сессии Международного геологического конгресса. Доклады советских геологов. Горючие ископаемые. - М., Наука, 1976, с.47-62.