Геохимические исследования в комплексе поисково

Л 18
Геохимические исследования в комплексе поисково-разведочных работ на нефть и газ.
Цели и задачи геохимических исследований. История развития классической теории и
методов геохимических поисков нефти и газа. Теоретические основы геохимических
поисков нефти и газа.
Геохимические исследования в комплексе поисково-разведочных работ на нефть и газ [1, 2]
В настоящее время задачи поисков и разведки месторождений нефти и газа решаются с
применением комплекса различных методов, в котором определенное место занимают
геологические, геофизические и геохимические методы.
Геологические и геофизические методы решают в основном задачу поиска нефтегазоносных
структур (на базе антиклинальной теории):
- Геологическими методами исследуют объекты нефтепроявления на поверхности территорий
(полевая нефтепоисковая геология), либо изучают литологический, фациальный состав керна
поисковых и разведочных скважин с целью выявления нефтепродуктивных толщ и
горизонтов. Прямые методы поиска.
- геофизическими методами изучают пространственную структуру осадочных отложений и
фундамента, определяют разломную схему осадочного разреза, физические свойства пород с
целью выявления ловушек углеводородов и определения заполнения их флюидами.
Геофизические методы в основном дают указание только на наличие условий, благоприятных
для залежей нефти и газа, поэтому их относят к Косвенным методам поиска.
Следует отметить, что на сегодня ни один метод полевой геофизики не позволяет
однозначно решить задачу диагностирования ловушки на наличие залежи.
Даже на имитационных моделях не удается показать однозначность проявления залежи
УВ в измеряемых и расчетных геофизических параметрах
Какой основной метод проверки правильности геофизических прогнозов Вы знаете?
Правильно – бурение поисковых и разведочных скважин. И совершенно естественно, что не
все структуры, выявленные геофизическими методами, исследуются глубоким бурением, а те,
которые исследуются, впоследствии не всегда оказываются нефтегазоносными.
- геохимические методы направлены на поиск не ловушек, а месторождений нефти и газа. Они
дают указание на наличие или признаки нефти или газа на данной территории, на присутствие
углеводородов в ловушках (о наличии промышленной или непромышелнной залежи решить
вопрос не могут). Прямые методы поиска и разведки.
Вообще методы разведки (не поисков) могут быть только прямыми методами.
В этом смысле геохимические методы, как методы прямого обнаружения полезных
ископаемых через толщу перекрывающих пород можно рассматривать как революционный
прорыв в геологоразведочном деле (перефразирование А.В. Сидоренко).
К геохимическим методам относят методы, основанные на химических, физико-химических,
микробиологических
и биологических анализах. Выявляется: а)рассеянное нефтяное
вещество; б)следы влияния нефтяного вещества на воды, породы почвы, газы, организмы;
в)вещества и условия, сопутствующие залежам нефти и газа.
Геохимические методы поиска идеально дополняют геофизические и геологические методы и
должны применяться в общем комплексе поисково-разведочных работ. И их результаты
должны рассматриваться в увязке с геологическими и геофизическими фактами. В последнее
время в связи с повсеместным ухудшением экологической ситуации, геохимическую
информацию следует увязывать и с данными об антропогенном загрязнении исследуемых
территорий.
Поэтому правильная интерпретация геохимических данных возможна лишь при всестороннем
учете особенностей геологического строения и развития нефтегазоносного бассейна. Только
комплексирование различных методов позволяет более достоверно определять возможные
места скопления УВ. Окончательное заключение должно оставаться за геологами,
рассматривающими всю сумму данных, полученных различными методами. Интерпретация
геохимических данных в отрыве от геологических и геофизических приводит к неверным
результатам.
Цели и задачи геохимических исследований
Делятся на региональные и локальные.
На региональном уровне исследуется нефтегазоносный бассейн в целом или его крупные
части (впадины, пригибы, склоны, купола). Целью исследований является определение
условий и масштабов нефтегазообразования и заполнения ловушек.
(При этом чаще всего исходят из органической гипотеза происхождения Н и Г.)
Для достижения данной цели решают 2 основные группы задач:
Первая группа включает задачи полевой поисковой геохимии, направленные на установление
наличия залежей нефти и газа на потенциально нефтегазоносной территории. Решается
данный круг задач путем выявления концентрационных геохимических аномалий различных
веществ в приповерхностном горизонте разреза, результатом является:
 выяснение является ли найденное тектоническое поднятие нефтегазоносным или
пустым;
 выявление стратиграфических и литологических залежей, не связанных с локальными
тектоническими поднятиями
Вторая группа задач связана с вопросами органической геохимии осадочных бассейнов и
направлена на уточнение расположения и продуктивности нефтегазогенерационных
толщь. Решается путем исследования органического вещества пород разреза осадочного
бассейна. Результатом является:
1. Выделение нефтематеринских свит, определение их категории и внутреннего строения
(литотип, характер переслаивания…)
2. Определение содержания ОВ и битумоидов (интервалы содержаний, среднее значение
…)
3. Установление генетического типа ОВ и битумоида, генерационного потенциала ОВ,
породы, толщи и др., изменение этих свойств по разрезу
4. Выявление степени реализованности генерационного потенциала (эмиграционного
потенциала по уровню катагенетической преобразованности ОВ и вмещающих пород.
5. Расчет коэффициентов эмиграции
6. Расчет удельной плотности эмиграции, плотности эмиграции жидких УВ с учетом
объема нефтематеринских пород в очаге – общего количества эмигрировавших жидких
продуктов
7. Установление возможного общего количества жидких УВ, способных попасть в
ловушки с учетом миграционных потерь, коэффициента аккумуляции и др, т.е.
определение геологических ресурсов бассейна.
8. Выделение участков вероятных скоплений УВ.
История развития теории и методов геохимических поисков нефти и газа
В России основоположником геохимических методов поиска и разведки
месторождений нефти и газа является советский физик В.А.Соколов. Изобретение им прибора
обнаружения микроколичеств радона и тория привело к развитию широкой программы
наземной геохимической разведки нефти и газа в СССР. В.А. Соколов впервые (1929 г.)
предложил провести газовую съемку для определения в подпочвенных отложениях
микроконцентраций углеводородных газов и жидких УВ, мигрирующих из находящихся в
более глубоких горизонтах залежей нефти и газа.
Позднее М.В. Абрамовичем был впервые предложен метод газового каротажа (1933),
затем
Могилевским Г.М. был предложен метод газокерновой съемки (1935) и
геомикробиологический метод (1937 г.). И в настоящее время эти методы являются
важнейшими в геохимических исследованиях.
В целом, в 30-50-х гг геохимические методы получили широкое развитие в СССР, как ни
в одной стране. В США применение геохимических методов для поиска и разведки нефтяных
и газовых месторождений развернулось лишь в 1937-38 гг. Методика была заимствована из
работ советских ученых. Но американским компаниям удалось первым запатентовать методы
геохимического исследования и таким образом монополизировать эти разработкиВ это же
время изобретатель Г. Лаубмейер зарегистрировал в Германии и США патент «Метод и
прибор для обнаружения в недрах продуктивных отложений», в котором УВ почвенного газа
рассматривались в качестве показателя залежи нефти и газа. Именно газовая съемка явилась
тем геохимическим методом, который получил наиболее широкое развитие и известность.
Период с конца 40-х до начала 80-х годов прошлого столетия характеризуется как этап
становления основ современной теории нафтидогенеза и углубления геохимических,
геодинамических и флюидодинамических оснований этой теории
На этот же период приходятся наиболее острые дискуссии о происхождении нефти. Эти
дискуссии чрезвычайно важны для всего дальнейшего развития методов геохимических
поисков и разведки месторождений актуальны они и сегодня.
Теоретические основы геохимических поисков нефти и газа.
При геохимических методах поиска нефти и газа используется более 20 различных методов и
их модификаций. Целью методов является выявление по тем или иным признакам
пространственного расположения аномалий, превышающих фоновые геохимические
значения, которые позволяют связывать эти аномалии с наличием на глубине залежи нефти
или газа.
Геохимические методы поиска – выявление полезных ископаемых на основе изучения
распределения и распространения элементов или соединений в горных породах, водах,
атмосфере, растительных, животных организмов и их взаимосвязи с геологическими
объектами (полезными ископаемыми). Научной основой геохимических методов поиска
является учение о миграции элементов и соединений в земной коре. В этом отношении
геохимические методы поисков нефти и газа во многом схожи с геохимическими методами
поисков других полезных ископаемых.
Наряду с общими чертами, они имеют и определенные отличия, обусловленные
особенностями генерации, миграции, аккумуляции и консервации нефти и газа, а также
свойствами самих этих ископаемых.
Таким образом, для научного построения поисковых работ необходимо определиться с
указанными особенностями, то есть определить Теоретические основы геохимических
поисков нефти и газа.
Так, вопрос о происхождении горючих ископаемых является ключевым для понимания:
 законов образования месторождений нефти и газа,
 принципов зональности размещения залежей и месторождений
 особенностей миграции н и г,
 рассеивания месторождений
От формы миграции веществ зависят масштабы и форма ореолов рассеяния (механические,
водные и газовые). Основу геохимических методов поиска нефти и газа составляют
исследования прямых и косвенных признаков нефтегазоносности, т.е. ореолов рассеяния
вокруг залежей нефти и газа.
Вопросы аккумуляции и консервации нефти и газа важны для установления видов, типов
геологических поисковых структур на нефть и газ.
Все эти вопросы практически не возможно решить пока мы не поймем с чем мы имеем дело,
то есть не установим свойства и химический состав самих этих ископаемых.
Рассмотрением этих вопросов занимается Геохимия нефтей, ОВ пород,нефтяных и газовых
месторождений
Новейшие представления об образовании и разрушении
месторождений нефти
I.
Происхождение нефти (органическая геохимия). Данные экспериментальных и
теоретических исследований полученные за последние 20-30 лет показывают, что нефть может иметь
двойственный генезис. В пользу органического происхождения нефти свидетельствует:
 В нефти присутствует ряд веществ, молекулярное строение которых несет информацию о их
биогенном происхождении. Эти соединения составляют до 40-80 % состава нефти. К ним
относятся алканы нормального и изопреноидного строения, большинство циклоалканов,
алкилбензолы, соединения со стероидной структурой, порфириновые комплексы, ряд кислород,
азот и серосодержащих, фрагменты молекул смол и асфальтенов.
 Большинство соединений нефти не могут существовать (разлагаются) при температурах
выше 250-3000С, что исключает возможность их образования при высоких температурах глубоких
недр. В то же время все эти вещества в изобилии присутствуют в осадочной толще в виде
рассеянного и концентрированного биогенного ОВ – битумоиды и кероген
 Результаты лабораторного моделирования (термолиз, механоактивация) показывают, что ОВ
пород способно преобразовываться в УВ нефтяного ряда: при низких температурах или слабых
механических воздействиях кероген и битумоид образуют продукты аналогичные тяжелым
(незрелым) нефтям, усиление воздействия приводит к образованию сначала всего набора
нефтяных УВ, затем идет газообразование.
 Нефти большинства стратиграфических подразделений близки по молекулярному составу
битумоидам, рассеянным в отложениях того же (или близкого по местоположению)
стратиграфического подразделения, что позволяет идентифицировать материнскую толщу.
 Химический состав и физические свойства нефтей в литосфере в течение геологической
истории каждой исследуемой территории не остаются постоянными. Они изменяются в
зависимости от состава исходного материнского ОВ, особенностей и режима региональных
тектонических движений, продолжительности нахождения нефти в тех или иных
термодинамических условиях литосферы и т. д.
 О происхождении нефтей из биогенного осадочного ОВ говорит открытие во многих
нефтегазоносных областях планеты залежей нефти в песчаных линзах, окруженных со всех сторон
толщей практически газонефтенепроницаемых глин, мощностью иногда в сотни метров
 И др.
В пользу неорганического происхождения нефти свидетельствует:
 Наличие в составе нефтей соединений, происхождение которых не связано напрямую с
биогенным веществом. В основном это легкие компоненты, многие голоядерные ароматические
структуры, некоторые гетероатомные и непредельные соединения, которые составляют в среднем
от 10 до 30 % нефти. Наличие этих соединений указывает, что нефть проходит в своем развитии
стадии глубокой термической трансформации, а некоторые из легких УВ имеют мантийный
генезис или являться продуктами свободнорадикального синтеза.
 По изотопному составу нефти и горючие газы существенно отличаются от углерода
изверженных пород, но до 10 % легких и газообразных веществ близко по изотопному составу
мантийным углеводородам.
 Углеводороды образующиеся в глубоких недрах – мантийные УВ - не являются нефтями, в
том понимании или в том виде, к которому мы привыкли. Основой глубинных углеводородов,
имеющих мантийную или вулканогенную природу, являются углеводородные газы – метан
преимущественно и, в значительно подчиненном положении, его ближайшие гомологи С2-С4.
 Открытие месторождений нефти и газа в фундаменте ЗК, не связанные напрямую с
осадочными отложениями
Пожалуй, этого достаточно, чтобы определить природу нефти. Не исключено, что в составе
углеводородных газов роль мантийных компонентов больше, чем в нефти.
II.
Образования и рассеивания месторождений нефти и газа (нефтегазовая геология).
Теоретические и практические достижения геологии последнего десятилетия, практика поиска и
разработки месторождений нефти и газа привели к пониманию, что осадочно-миграционная гипотеза
образования и рассеивания месторождений нефти и газа не является всеобъемлющей – это лишь
частный случай, касающийся в основном синклинальных континентальных бассейнов.
В настоящее время происходит укрепление мобилистских позиций (на смену вертикалистских) в
нефтегазовой геологии – геодинамические и геофлюидодинамические концепции развития Земли,
земной коры и формирования месторождений полезных ископаемых.
На первое место выходят концепции пространственной привязки месторождений нефти и газа к
разломным зонам растяжения и субдукции земной коры. Процессы перемещения, концентрирования и
рассеивания флюидов связывают с глобальными тектоническими движениями земной коры, нео- и
новейшей тектоникой осадочных бассейнов. Обоснованность новых подходов доказывается
открытиями месторождений в фундаменте, районах палео- и современного рифтогенеза,
нетрадиционных резервуаров в известных нефтегазоносных бассейнах.
Новые геодинамические идеи коренным образом пересматривают представления о нефте- и
газообразовании, примиряя между собой сторонников органической и неорганической гипотез.
Начало восходящего пути УВ-флюидов (температуры выше 2000С).
1.
Результаты
комплексного
геолого-геофизического,
флюидодинамического
и
геохимического изучения зон нефтегазонакопления показывают, что движение углеводородов
формируется и контролируется системой глубинных разломов, уходящих корнями в мантию.
2.
Глубинные потоки имеют природу термальных флюидных систем. По своей форме
проявления они могут быть различны, в зависимости от окружающей геологической среды и
преобладающего вида матричного флюида. Это могут быть водные гидротермальные растворы
углеводородов или газово-водные системы или газовые перегретые мантийные потоки веществ.
3.
Большинство данных геохимических исследований показывает, что эти потоки, по
вещественному составу углеводородов, не являются нефтями, в том понимании или в том виде, к
которому мы привыкли. Основой глубинных потоков углеводородов, имеющих мантийную или
вулканогенную природу, являются углеводородные газы – метан преимущественно и, в значительно
подчиненном положении, его ближайшие гомологи С2-С4 [2].
4.
Глубинное движение флюидов подчиняется и направляется действием изменчивых во
времени и пространстве геофизических полей, главными из которых являются давление, температура и
концентрационная неоднородность среды. В условиях неоднородной геологической среды,
геодинамическое сжатие пород и заполняющих их флюидов приводит к образованию подвижной
самоорганизующейся флюидодинамической системы, в которой возникают высоко и низкочастотные
колебания. Часть этого волнового движения начинается и происходит под действием тектонических
стрессов, а часть является автоколебательным откликом на полевую неоднородность системы.
Волновые колебания среды порождают интерференционные (квазирезонансные) перераспределения
потенциальных и кинетических нагрузок на горные породы. Амплитуды резонансных колебаний могут
в 2-3 раза превышать амплитуды провоцирующих колебаний. Формируется волновая картина
относительно устойчивых зон повышенного напряжения (сжатия или растяжения) горных пород. В
этих условиях флюидодинамические процессы могут приобретать нелинейный характер, то есть
фильтрация (миграция) растворов может проходить со скоростями большими, чем при обычных
гидравлических градиентах. Колебательные движения «прорывают» флюидные барьеры
пертрофизически разнородных пород. Для таких флюидных систем флюидоупоры теряют свои
экранирующие свойства, а пористые пласты и разломные зоны воспринимаются как «магистральные
каналы» из областей сверхдавлений в зоны релаксаций. В реальной геологической среде
геодинамический механизм перемещения флюидов характерен для зон геодинамического растяжения
и сжатия, приуроченных к тектоническим разломам, зонам рифтогенеза и субдукции-обдукции
литосферных плит [3], в том числе для глубокопогруженных зон осадочных бассейнов центральных
частей платформ в условиях действия палеорифтогенеза.
5.
В пределах зон рифтогенеза или участков коллизий плит фиксируются термоаномалии и
субгидростатические давления, которые вызывают перемещение УВ в сверхкритическом квазигазовом
состоянии высокотемпературных растворов [4]. Фазовая однородность и сверхкритические свойства
придают флюидам исключительную подвижность и растворяющую способность по отношению к
различным группам веществ, в том числе и к рассеянным битумоидам вышележащих (либо
окружающих) осадочных толщь. Углеводороды пород, способные к растворению и миграции в составе
сверхкритических флюидов, включаются в движение и переносятся в области более спокойных
термодинамических условий. Основными наиболее эффективными формами массопереноса УВ на
данной стадии, скорее всего, являются водные и газовые растворы, а механизм переноса – струйная
импульсная фильтрация под действием градиентов сил при ударно-волновом воздействии на породы.
Пора зрелости УВ-флюидов (температуры 200-900С).
6. Поднимаясь постепенно вверх по восстанию пластов и зонам разуплотнения пород,
сверхкритические флюиды попадают в области более низких температур и давлений. Водные системы
входят в субкритическое состояние раньше, газовые растворы несколько позднее (и выше). Переход
сопровождается выделением в свободную фазу жидких и газообразных углеводородов.
7. Последующее движение различных флюидных фаз (водных и газовых растворов УВ и
свободных фаз жидких и газообразных УВ) происходит либо совместно в виде водных или газовых
эмульсий, либо раздельно. Основными движущими силами, по-прежнему, остаются неравномерные по
плотности поля давлений и связанные с ними разночастотные микросейсмические, акустические и др.
поля, а также гравитационное поле Земли. Температурные градиенты несколько ослабевают и играют
меньшую роль в перемещении УВ, но способствуют образованию локальных термодинамических
неоднородностей среды, таких как зоны аномально высоких давлений.
8. Восходящее движение происходит как по восстанию пористых пластов, так и в
межпластовых пространствах по сети тектонических и неотектонических разломов и межблочных
разуплотнений пород. Формы массопереноса, в значительной степени, определяет петрофизическая
неоднородность среды. В пористых системах коллекторов эффективным является перенос УВ в виде
водных и газовых эмульсий. Движущими силами при этом являются силы всплывания. С уменьшением
пористости преобладающим становится перемещение УВ в форме газов и газовых растворов.
Диффузионное медленное рассеивание УВ, за счет концентрационных градиентов веществ,
происходит всегда и во всем объеме осадочных пород. Большинство жидких УВ и битуминозных
веществ задерживаются на капиллярных барьерах и образуют нефтяные и газоконденсатные
месторождения. Газы перемещаются сквозь осадочный разрез, притормаживая в капиллярных
ловушках и формируя фазовую неоднородность месторождений.
9. Движущиеся из глубин Земли перегретые флюиды усиливают активную генерацию
газообразных и жидких УВ из керогена, и без того происходящую в осадочных породах в зонах газо и нефтегенерации под действием температуры. Субкритические условия облегчают пиролиз и переход
углеводородов из полимерного (в составе керогена) в подвижное состояние [5]. Вновь образующиеся
УВ питают мигрирующие потоки веществ, обеспечивая их непрерывность.
Затухание и увядание потоков УВ (температуры ниже 100-800С).
10. При отсутствии подходящих ловушек потоки углеводородов перемещаются выше по
разрезу, постепенно затухая и рассеиваясь в толще пород, или по зонам разломов достигают
поверхности Земли. В приповерхностных слоях формируются латеральные и вертикальные
геохимические поля рассеивания веществ, относящиеся к категории фоновых приповерхностных
геохимических полей.
11. С момента, когда углеводороды оказались захваченными капиллярными ловушками и
сформировали залежи углеводородов, начинается относительно более спокойная эволюция УВфлюидов. Движение флюидов полностью не прекращается никогда, а лишь притормаживается
барьерами ловушек. В тектонически активных районах периодически возникают условия для
быстрого струйного переформирования залежей или даже полного их рассеивания. Углеводороды
«уходят» из залежи по возникающим проницаемым участкам разломов, трещин, по межблоковым
системам нарушений пород, оставляя после себя асфальтеновые следы былых водонефтяных и
нефтегазовых контактов. В относительно тектонически спокойных условиях, существенную роль
играют более медленные формы массопереноса, такие как диффузионное рассеяние и, возможно,
осмотический поток, протекающие во всем объеме перекрытий пород. В силу известных причин,
газовые углеводороды более подвержены диффузионному рассеиванию через плохопроницаемые
породы перекрытий, чем жидкие. Поэтому значительные газовые месторождения обязательно должны
иметь, наряду с мощной перекрывающей коллектор покрышкой, соответствующий по
производительности подпитывающий очаг, который бы по тектоническим разломным каналам
восполнял потери УВ в результате диффузионного рассеяния. Диффузионные потоки слабы, но
действуют всегда и во всем объеме перекрытий, предшествуя, сопровождая и завершая струйную
миграцию [2] и уносят огромные массы веществ из месторождений (до 100-200 тыс.т/км2 за 1 млн лет
[6]).
12. При рассмотрении процессов, происходящих с УВ в надпродуктивных отложениях, обычно
обращаются к классической физико-химической модели залежи [2]. Согласно модели, залежь является
локальным источником термобарического и физико-химического воздействия на окружающие породы.
Мигрирующие из залежи углеводороды, окисляясь с образованием различных химических соединений
(СО, СО2, НСО3-, СО3-, и др.), вызывают изменения вещественного состава и физических свойств
надпродуктивных отложений. Так как УВ и продукты их окисления имеют значительную
миграционную подвижность, такие изменения пород в области залежи прослеживаются до земной
поверхности и проявляются в виде аномальных значений физических и химических параметров.
Литература
1. Серебренникова О.В. Теоретические основы поиска и разведки нефти и газа. Учебное
пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004. – 140 с.
Карцев А.А., Табасаранский З.А., Суббота М.И., Могилевский Г.А. Геохимические методы
поисков и разведки нефтяных и газовых месторождений. – М.: Гос. Науч.-технич. Изд-во
нефтяной и горно-топливной литературы, 1954 г. – 430 с.