ПР. Работа — Изучение шкалы катагенеза

ЛИТОГЕНЕЗ И ОБРАЗОВАНИЕ НЕФТИ И ГАЗА, ИЗУЧЕНИЕ ШКАЛЫ
ГРАДАЦИЙ КАТАГЕНЕЗА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Семинарское занятие, практическая и контрольная работа

Цель работы – закрепление знаний по теме «Литогенез и образование нефти и газа».
Исходные данные: Шкала градаций катагенеза осадочных образований и её сопоставление со ступенями углефикации (по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу, Н.В. Лопатину и др., 1976) с упрощением; таблица: «Соотношение палеотемператур и отражательной способности витринита (по И.И. Амосову)».
Порядок выполнения работы:
- изучить теоретическую часть следующих тем: «Катагенез органического вещества»; «Вертикальная геохимическая (термобарическая) зональность нефте- и газообразования»; «Характеристика главных зон нефте- и газообразования».
- ответить на контрольные вопросы;
- используя шкалу градаций катагенеза осадочных образований (рис.) и таблицу «Соотношение палеотемператур и ОСВ», дать геохимическую характеристику градациям диагенеза, катагенеза и их границам, биохимической и переходной зоне, главным зонам нефте- и газообразования.

Общие представления о литогенезе. Катагенез является одной из стадий литогенеза – совокупности процессов образования и изменения осадочных пород. В литогенезе различают четыре стадии: 1) седиментогенез; 2) диагенез; 3) эпигенез, который разделяется на прогрессивный и регрессивный и 4) гипергенез.
Седиментогенез – это мобилизация веществ области сноса, их перемещение в водной или воздушной среде и окончательное осаждение терригенных, хемогенных и органогенных компонентов. Седиментогенез органического вещества (ОВ) протекает в субаквальной анаэробной восстановительной среде глинистых и карбонатных осадков.
Диагенез – это процесс превращение осадка в осадочную породу. Диагенез ОВ протекает на дне водоёмов в среде минерального осадка при его погружении в зону пластовых температур от 0° до 15-30 °С. Главным фактором диагенеза ОВ является деятельность микроорганизмов. В результате ОВ преобразуется в геополимеры (высокомолекулярные фульвовые, гуминовые и сапропелевые органические кислоты) и геолипиды. Геолипидами являются битумоиды – вещества, состоящие из углеводородов (УВ) масляной фракции, смол и асфальтенов, и извлекаемые из осадков и горных пород органическими растворителями. На стадии диагенеза выделяется большое количество газов, то есть проявляется пик образования биохимических газов.
Прогрессивный эпигенез это – все изменения осадочных пород в процессе погружения до их превращения в метаморфические породы. Регрессивный эпигенез – это вторичные изменения осадочных пород при смене погружения осадочного бассейна (ОБ) поднятием к земной поверхности до начала гипергенеза.
Гипергенез – изменения осадочных пород с содержащимися в них флюидами и органическим веществом, связанные с воздействием атмосферных агентов (кислорода, воды, углекислоты).
Стадия катагенеза. А.Е. Ферсман (1922) и Н.В. Вассоевич (1957, 1962) предложили заменить термин «прогрессивный эпигенез» термином «катагенез», который в настоящее время широко используется нефтяниками. Приставка «ката» имеет греческое происхождение и означает переход сверху вниз. В широком понимании катагенез – это процесс изменения осадочных пород и отдельных их частей: рассеянного ОВ, минералов, флюидов и пустотного пространства, протекающий после завершения диагенеза до начала метаморфизма. Катагенез развивается при увеличении глубины погружения образовавшихся пород в ОБ и воздействии возрастающей температуры и давления в интервале от 15-30 до 300 °С.

Катагенез ОВ и его результаты. На градациях катагенеза реализуется потенциальная возможность ОВ осадочных пород производить нефть и газ (рис.) и начинается их эмиграция в породы-коллекторы. Катагенез протекает при погружении осадочных пород в зону температур от 15-30 до 300 °С. Главными факторами катагенеза ОВ являются температура и каталитические свойства пород. В начале катагенеза гуминовые и сапропелевые кислоты конденсируются и переходят в нерастворимое органическое вещество (НОВ), или кероген. Кероген нерастворим в воде, органических растворителях, кислотах и щелочах. Позже, при достижении глинистыми и карбонатными породами зоны температур от 70 до 170 °С кероген начинает генерировать битумоиды и углеводородные газы. Битумоиды термокаталитического происхождения Н.Б Вассоевич назвал микронефтью, поскольку они в материнской породе находятся в рассеянном состоянии.
При погружении пород в зону температур от 180 до 250 °С НОВ начинает генерировать жирный, а при более высокой температуре сухой газ. Жирный газ содержит в парообразном состоянии жидкие УВ, а сухой газ состоит на 95-99 % из метана. Интервал разреза осадочных пород, на котором потенциально нефте- и газоматеринские породы реализуют свой нефтепроизводящий потенциал называется главной зоной нефтеобразования (ГЗН), а интервал на котором реализуется газопроизводящий потенциал называется главной зоной газообразования (ГЗН). При температуре выше 300 °С НОВ осадочных пород полностью теряет свой генерационный, или нефтегазопроизводящий, потенциал и переходит в зону метаморфизма, где превращается в органический графит.
Генерация УВ происходит в результате глубокой и закономерной внутримолекулярной перестройки НОВ, которая заключается в дальнейшей его конденсации, ароматизации и карбонизации при воздействии температуры и других факторов катагенеза. Эти преобразования сопровождаются потерей периферийных алкильных цепей, отдельных циклов и различных функциональных групп, содержащих гетероатомы. При этом образуются жидкие продукты в виде битумоидов и большое количество газообразных веществ: метана (СН4), углекислого газа (СО2), аммиака (NН4), азота (N2) и сероводорода (H2S). Газы образуются в различных количествах на всех стадиях преобразования ОВ. Однако доля биохимического метана составляет всего около 10 % в объеме, который образуется из рассеянного ОВ при температурах до 200 °С (Дж. Хант, 1982).
Таким образом, в катагенезе происходит постепенное упорядочение молекулярной структуры НОВ, или 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. В общем, процесс катагенеза НОВ представляет собой термическую деструкцию, при которой происходит выделение летучих веществ, когда твердая фаза керогена начинает выделять жидкие и газообразные продукты. При этом общий объём ОВ и продуктов его катагенеза в породе сильно увеличивается.
Факторы катагенеза ОВ. Главным фактором катагенеза ОВ является температура, которая складывается из тепла глубинного потока и тепла, выделяемого при тектонических деформациях пород (динамокатагенезе), затем следуют каталитические свойства вмещающих пород, в основном минералов глинистых пород, время и пластовое давление. Пластовое давление, как фактор катагенеза, оказывает противодействие температуре, поскольку оно сдерживает ход химических реакций.
Шкала подстадий и градаций и её показатели. В настоящее время широко известна шкала подстадий и градаций катагенеза осадочных образований, составленная Н.Б. Вассоевичем, А.Э. Конторовичем, Н.В. Лопатиным и другими исследователями в 1976 году.
На этой шкале выделяются три подстадии катагенеза: протокатагенетическая (ПК), мезокатагенетическая (МК) и апокатагенетическая (АК). Подстадии разделены на градации: ПК – на три, МК – на пять, АК – на четыре.



Рис. Шкала градаций катагенеза осадочных образований и её сопоставление
со ступенями углефикации с упрощением
(по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу, Н.В. Лопатину и др., 1976)
1 – нефть; 2 – жирный газ; 3 – метан
Стадии углефикации, марки углей: Б1 – бурые мягкие; Б2 – бурые матовые; Б3 – бурые блестящие; Д –длиннопламенные; Г – газовые; Ж – жирные; К – коксовые; ОС – отощённо-спекающиеся; Т – тощие; ПА – полуантрациты; А – антрациты.
Каждой подстадии и градации катагенеза соответствуют определённые показатели: процентное содержание углерода (С); выход летучих веществ (Vг) в процентах; показатель отражательной способности витринита в масляной среде в процентах (Rо); стадия углефикации углей.
Стадии углефикации характеризуются изменением марок углей от бурых до антрацита, которые обозначены на шкале соответствующими индексами: Б1 – бурые мягкие, Б2 – бурые матовые, Б3 – бурые блестящие, Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), К (коксовые), ОС (отощённо-спекающиеся), Т (тощие), ПА (полуантрациты), А (антрациты).
Начало катагенеза характеризуется исчезновением гуминовых кислот, которые переходят в нерастворимую форму ОВ и появлением витринита. Витринит является основным микрокомпонентом гумусовых углей. Однако он почти всегда содержится в виде детрита в рассеянном ОВ смешанного происхождения. Установлено, что при воздействии на витринит температуры, в результате углефикации происходит закономерное увеличение его отражательной способности. На этом основании для различных значений были вычислены соответствующие значения палеотемператур на стадии катагенеза. Таким образом, отражательная способность витринита (ОСВ) стала использоваться как «максимальный палеотермометр». Шкала соотношений палеотемператур и ОСВ приведена в таблице.

Таблица. Соотношение палеотемператур и ОСВ (по И.И. Амосову)

Марка угля
Градации катагенеза
ОСВ, 10Ra
Палеотемпература, °С

Б
ПК
71
95

Д
МК1
72-77
100-130

Г
МК2
78-84
135-165

Ж
МК3
85-95
170-205

К-ОС
МК4-МК5
96-110
210-230

Т
АК1
До 115
230-250

ПА-А
АК2-АК4
Более 115
Более 250


В практике исследований используется относительное значение ОСВ, выраженное в процентах, которое обозначают символом «R». Значения ОСВ получают при сравнении с эталоном данных, полученных на полированной поверхности витринита в масляной (Rо) или воздушной (Rа) среде.
По показателям ОСВ определяют степень катагенетического преобразования ОВ и выделяют подстадии и градации катагенеза. В осадочных породах докембрийского и нижнепалеозойского возраста витринит отсутствует, поэтому для данных целей используют другой оптический метод – показатель преломления света микрокомпонентами сапропелевого рассеянного органического вещества (РОВ): коллохитинита, коллоальгинита, псевдовитринита. С изменением степени преобразования РОВ изменяется его окраска в проходящем свете.
В начале катагенеза содержание углерода в ОВ составляет 60 %, выход летучих веществ – 63 %, показатель ОСВ, Rо равен 0,25 %. С повышением уровня катагенетической превращенности ОВ от одной градации к другой содержание углерода и ОСВ, Rо растет, а выход летучих веществ падает. При этом на границе катагенеза и регионального метаморфизма ОВ полностью реализует свой нефтегазовый потенциал и превращается в органический графит. Соответственно содержание углерода в ОВ достигает 100 %, выход летучих веществ становится равным нулю, а отражательная способность витринита достигает 11 %.
В целом, процесс эволюции ОВ протекает как во времени, так и в пространстве неравномерно, импульсивно, с различным соотношением объемов образующихся жидких и газообразных продуктов диагенеза и катагенеза. Всё это предопределило приуроченность генерации наибольших объемов жидких и газообразных УВ к определенным глубинным зонам, существующим в разрезе осадочных пород. При этом газы в разных объемах образуются на всех стадиях литогенеза (см. рис.). В соответствии с этим на шкале градаций катагенеза выделены главные зоны нефте- (ГЗН) и газообразования (ГЗГ).
Смена фазового состояния углеводородов с глубиной.
Смену фазового состояния предсказал в 1915 году Д. Уайт. Он связал зависимость распределения нефти и углеводородных газов от величины углеродного коэффициента, или степени метаморфизма углей. Углеродный коэффициент это отношение в процентах выхода беззольного кокса на органическую массу углей или концентратов ОВ. По Д. Уайту при углеродном коэффициенте менее 65-70 % ОВ пород способно генерировать нефть, а при его значениях более 65-70 % – только газ.
В 1948 году В.А. Соколов установил, что интенсивность и направленность процессов образования УВ в разрезе осадочного чехла значительно меняется и подчиняется геохимической зональности, связанной с изменением давления и температуры в разрезе осадочного чехла. В связи с этим он выделил четыре геохимические зоны: 1) биохимическую, 2) переходную, 3) термокаталитическую и 4) газовую.
1. Биохимическая зона располагается на глубине до 150 м и производит в основном углекислый газ и метан, а также другие газы: Н2, Н2S, NН3, N2 и некоторое количество битумоидов. Это зона диагенеза, где главным фактором преобразования ОВ является геохимическая деятельность микроорганизмов.
2. Переходная зона лежит на глубинах от 150 до 1000-1500 м и соответствует постадии протокатагенеза. Она характеризуется минимумом интенсивности образования УВ, который связан с тем, что первичное биогенное ОВ завершило свое преобразование под воздействием микроорганизмов и перешло в новую нерастворимую форму. Главным фактором дальнейшего его преобразования является температура, а в переходной зоне она ещё недостаточно высокая.
3) Термокаталитическая зона располагается на глубинах от 1000-1500 до 6000-7000 м и характеризуется образованием жидких УВ и жирных газов. Это зона мезокатагенеза.
4) Газовая зона находится на глубинах свыше 6000-7000 м. В ней образуется только метан.
В 60-х годах схема вертикальной геохимической зональности нефте- и газообразования уточнялась многими геологами (И.И. Аммосовым, Н.Б. Вассоевичем, В.С. Вышемирским, А.А. Геодекяном, А.Э. Конторовичем, Н.В Лопатиным, О.А. Радченко, В.А. Соколовым, К. Ландесом и др.) в различных нефтегазоносных бассейнах (НГБ). При этом изучалась зональность размещения УВ различного фазового состояния в разрезе осадочного чехла.
Характеристика главных зон нефте- и газообразования.
Главная зона нефтегазообразования лежит пределах градаций МК1 (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 краевых, или предгорных, прогибах на отметках от 3,5 до 7,5 км. Генерация нефти и газа создает в нефтепроизводящей породе аномально высокое поровое давление (АВПоД), превышающее на 10-20 МПа нормальное гидростатическое давление. Это аномально высокое давление является источником энергии для эмиграции нефти и газа. В конце градации МК2 при температуре около 150-160 °С происходит исчерпание полимерно-липидных молекулярных структур ОВ. Это приводит к достаточно резкому прекращению процесса нефтеобразования.
Этап резкого увеличения генерации жидких УВ Н.Б. Вассоевич (1967) назвал главной фазой нефтеобразования (ГФН). За рубежом эта фаза (зона) называется нефтяным окном.
Главная зона газообразования. В зависимости от геотектонических условий и скорости погружения газопроизводящих пород, ГЗГ фиксируется на глубинах от 3,5 до 7,5 км на платформах и прогнозируется от 7 до 17 км в некоторых глубоких впадинах платформ, в альпийских краевых и межгорных прогибах. Температура изменяется от 160-170 до 250-260 °С. Показатель ОСВ (Ro) растёт от 0,85 до 3,5 %. Здесь основным газовым компонентом становится метан. ГЗГ развивается в породах, содержащих любые генетические типы ОВ не постепенно, а импульсивно. При этом в интервале градаций от МК3 до АК2 включительно проявляется два максимума газообразования. Первый максимум газообразования проявляется в пределах градации МК3 и представляет собой зону генерации жирных газов или первичных газоконденсатных систем. Интенсивность генерации УВ здесь 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 проявляется в пределах градаций МК5-АК2 и представляет собой зону генерации сухих газов (метана). Интенсивность генерации метана здесь выше у гумусового ОВ по сравнению с сапропелевым ОВ. Ниже ГЗГ на градациях АК3-АК4 происходит резкое снижение интенсивности генерации газов. Помимо метана заметная доля здесь приходится на кислые компоненты (углекислый газ и сероводород).
Этап резкого увеличения генерации газов С.Г. Неручев (1973) назвал главной фазой газообразования (ГФГ). Таким образом, ГФН и ГФГ подчёркивают временную составляющую процесса нефте- и газообразования, а ГЗН и ГЗГ глубинную составляющую этого процесса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что понимается под катагенезом?
Назовите температурный диапазон стадии катагенеза.
Какими процессами характеризуется стадия катагенеза ОВ?
Какие преобразования молекулярной структуры ОВ происходят на стадии катагенеза?
Назовите факторы катагенеза органического вещества?
На какие подстадии делится стадия катагенеза?
Сколько градаций выделяется на подстадии мезокатагенеза?
Сколько градаций выделяется на подстадии апокатагенеза?
Как соотносятся градации катагенеза органического вещества и стадии углефикации?
Какое вещество называется витринитом?
Какое свойство витринита используется для определения палеотемператур на стадии катагенеза?
Как изменяются следующие показатели, в процентах: содержание углерода в органическом веществе; выход летучих веществ; отражательная способность витринита (ОСВ, Rо) с развитием процесса катагенеза?
Какие показатели являются критериями оценки степени катагенеза ОВ?
На каких градациях катагенеза выделяется ГЗН?
В каком интервале температур проявляется ГЗН?
На каком основании выделена ГЗН?
На каких градациях катагенеза выделяется ГЗГ?
В каком интервале температур проявляется ГЗГ?
На каком основании выделена ГЗГ?
Какие четыре геохимические зоны в разрезе стратисферы установил В.А. Соколов?
Что понимается под вертикальной зональностью, или стадийностью, процесса нефте- и газообразования?
На какой стадии литогенеза проявляется пик образования биохимических газов?
Почему на подстадии протокатагенеза отмечается минимум образования УВ?
В чём заключается различие понятий главная фаза нефтеобразования и главная зона нефтеобразования?
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 1

Используя шкалу градаций катагенеза осадочных образований (рисунок) и таблицу «Соотношение палеотемператур и отражательной способности витринита», дайте геохимическую характеристику стадиям, подстадиям, градациям литогенеза и их границам по следующим параметрам:
- переломы в углефикации;
- процентное содержание углерода (С);
- выход летучих веществ (Vг) в процентах;
- показатель отражательной способности витринита в масляной среде в процентах (Rо);
- стадия углефикации (марки углей);
- интенсивность генерации углеводородов и их фазовое состояние;
- ориентировочные глубины, км;
- палеотемпература, существовавшая при максимальном погружении, °С.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ

Вариант 1.1
Стадия диагенеза (ДГ).

Вариант 1.2
Подстадия протокатагенеза (ПК), градации ПК1-ПК3.

Вариант 1.3
Граница подстадий протокатагенеза (ПК) и мезокатагенеза (МК) (градаций ПК3-МК1).

Вариант 1.4
Градация МК2.

Вариант 1.5
Градация МК5.

Вариант 1.6
Граница подстадий мезокатагенеза (МК) и апокатагенеза (АК) (градаций МК5-АК1).

Вариант 1.7
Граница градаций АК2-АК3.

Вариант 1.8
Граница градации АК4 и регионального метаморфизма.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 2

Используя шкалу градаций катагенеза осадочных образований (рисунок), таблицу «Соотношение палеотемператур и отражательной способности витринита», а также теоретическую часть работы, дайте характеристику геохимическим зонам разреза осадочного чехла по следующим параметрам:
- пределы градаций литогенеза;
- пределы температур;
- пределы изменения ОСВ (Ro);
- пределы глубин;
фазовое состояние УВ;
состав УВ.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ

Вариант 2.1
Биохимическая зона.

Вариант 2.2
Переходная зона.

Вариант 2.3
Главная зона нефтеобразования.

Вариант 2.4
Главная зона газообразования.

Вариант 2.5
Поздняя (заключительная) стадия газообразования.

ЛИТЕРАТУРА
Основная:

Доценко В.В. Геохимия и происхождение нефти и газа: Учеб. пособие. Ростов-на-Дону: Изд-во «ЦВВР», 2007. 308 с.

Дополнительная:
Геология и геохимия нефти и газа: Учебник / А.А. Бакиров и др. М.: Недра, 1993. 288 с.
Геология и геохимия нефти и газа: Учебник / О.К. Баженова, Ю.К. Бурлин, Б.А. Соколов, В.Е. Хаин. М.: Изд-во МГУ, 2004. с. 415 с.
Ермолкин В.И., Керимов В.Ю. Геология и геохимия нефти и газа: Учебник. М.: ООО «Издательский дом Недра», 2012. 460 с.
Основы геологии горючих ископаемых: Учебник для вузов / В.В. Семенович и др. М.: Недра, 1988. 397 с.
Словарь по геологии нефти и газа. Л.: Недра, 1988. 679 с.
Справочник по геологии нефти и газа. Под ред. Н.А. Ерёменко. М: Недра, 1984. 480 с.








13PAGE 15


13PAGE 14215




15

Приложенные файлы

  • doc 8682245
    Размер файла: 668 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий