Библиотека Дамирджана - Геология нефти и газа - 1983

А. Н. СКОРОБОГАТЬКО (ИГиРГИ)

Возможность образования гидратов углеводородных газов в верхней части осадочной толщи Каспийского моря

УДК 553.981.061.12/. 17(262.81)

Каспийское море характеризуется сложностью геологического строения и региональной нефтегазоносностью.

По материалам геоакустического профилирования в верхней части осадочного разреза Каспия отмечается специфическая запись газонасыщенных отложений и выделяются зоны с резким увеличением акустической жесткости по простиранию пласта (рис. 1). Подобное изменение акустической жесткости на лентах геоакустического профилирования отражается в виде так называемых «ярких» пятен и связывается с наличием скоплений углеводородных газов [12]. Наконец, при проведении поисково-разведочных работ в Южном Каспии на поднятии Везирова в осадках были обнаружены многочисленные матовые и желтовато-белые мелкокристаллические пластинчатые образования гидратов углеводородных газов размером до 5 см. На воздухе они интенсивно разлагались с выделением газа и воды, при этом на их поверхности наблюдалось подобие кипения. Образующийся газ легко загорался при поджигании. Поэтому при оценке перспектив нефтегазоносности Каспия необходимо учитывать и наличие в верхней части осадочной толщи глубоководных котловин Среднего и Южного Каспия гидратов углеводородных газов.

Для выяснения возможности существования гидратов углеводородных газов на Каспии были рассмотрены результаты многочисленных исследований их свойств, условий их образования и влияния на физические свойства вмещающих их осадков [4, 7,15]. При этом оценивалось влияние состава газа, минерализации поровой воды и термобарической обстановки на образование газогидратов в морских осадках. На рис. 2 показаны кривые фазового равновесия, между газом и гидратом для метана и смеси углеводородных газов с относительной плотностью по воздуху 0,6 и 1 [14] и кривые изменения температуры с глубиной в водной толще и осадках Среднего и Южного Каспия. При построении использовались данные [9] и материалы Института физики Земли [6]. Кривые фазового равновесия на рис. 2 пересекаются с кривыми изменения температуры, т.е. в области, ограниченной этими кривыми, имеются условия, благоприятные для образования гидратов углеводородных газов во впадинах Среднего и Южного Каспия. По этим графикам рассчитаны мощности зоны возможного гидратообразования для метана и смеси углеводородных газов с относительной плотностью по воздуху 0,6 и 1 (табл. 1, 2). Из таблиц следует, что по направлению от глубоководных районов моря к шельфу мощность зоны возможного гидратообразования уменьшается и сама зона выклинивается на склоне или бровке шельфа. Область вероятного распространения гидратов метана в Среднем Каспии ограничена изобатой с отметкой -390 м, а в Южном -480 м. Максимальное развитие по площади могут иметь гидраты углеводородных газов с относительной плотностью по воздуху, равной единице. В Среднем Каспии эта область ограничена изобатой с отметкой -120 м, а в Южном- 132 м. При переходе через нижнюю границу зоны гидратообразования происходит изменение отражающих свойств осадков и скорости распространения в них акустических волн, поэтому указанную границу можно выделить по материалам геоакустического профилирования. Отложения в зоне гидратообразования характеризуются повышенными скоростями распространения волн, и нижняя граница этой зоны установлена во многих районах Мирового океана [14-16]. Она же, по-видимому, показана и на лентах геоакустического профилирования в некоторых районах Каспия, например к северу от Апшеронского полуострова. Положение ее совпадает с рассчитанными мощностями зоны возможного гидратообразования. Во многих районах отмечается особый вид записи поверхностных отложений с четким и контрастным сигналом на фоне «слепых» зон или осадков с хаотическим характером записи, что может быть связано с гидратами диагенетического метана. Отсутствие повсеместной четкой нижней границы зоны гидратообразования, очевидно, можно объяснить наличием существенной по размерам зоны перехода от насыщенных гидратами морских осадков к осадкам, не содержащим их [10].

Газогидраты цементируют морские осадки и делают их практически непроницаемыми для углеводородных газов [2]. Это значительно ограничивает процессы диффузионного рассеивания углеводородных газов и способствует их сохранению. Наличие зоны гидратообразования приводит к миграции газов вдоль нижней ее границы в приподнятые участки. Этим, по-видимому, можно объяснить высокое содержание углеводородных газов в верхней части осадочной толщи югозападного борта Северо-Апшеронской впадины и некоторых других районов.

Природа «ярких» пятен на Каспии до конца пока не установлена. Они могут быть связаны как со скоплением свободных углеводородных газов, так и с наличием газогидратов. В настоящей работе сделана попытка выяснить фазовое состояние углеводородных газов предполагаемых скоплений, к которым приурочены «яркие» пятна на лентах геоакустического профилирования. Для этого рассчитаны термобарические условия для каждого конкретного случая (табл. 3), и результаты представлены на рис. 2 и 3. При оценке фазового состояния необходимо отметить, что «яркое» пятно не является экраном для отражений от более глубоких горизонтов, что особенно хорошо видно на лентах геоакустического профилирования, отработанных в хороших сейсмогеологических условиях Южного Каспия. На этом основании также можно связывать зоны увеличения акустической жесткости с присутствием газогидратов, так как при наличии скоплений свободного газа происходило бы экранирование нижележащих горизонтов.

Данные табл. 3 отражены на рис. 2, где показана область существования возможных скоплений природного газа, фиксируемых на лентах геоакустического профилирования в виде «ярких» пятен. Большая часть их находится в зоне гидратообразования, причем здесь наблюдается меньший разброс точек. Для Среднего и Южного Каспия характерна своя закономерность распределения точек: в Среднем Каспии скопления можно подразделить на две группы с существенно различными термобарическими условиями, а в Южном наблюдается более значительная дифференциация и объединение скоплений в небольшие группы. Это, по-видимому, можно объяснить неодинаковым составом природного газа, формирующего рассматриваемые скопления. На основании этого можно сделать косвенные заключения об однородности состава природного газа скоплений внутри группы и различии его в разных группах. Можно выделить скопления природного газа, формирующего газогидраты при довольно высокой температуре (см. рис. 2, точки 7, 9 и 12, 16, 19), т.е. определить районы возможного внедрения глубинных газов в верхнюю часть осадочной толщи. Последнее может быть связано с зонами нарушений и проявлением грязевого вулканизма. Значительные масштабы внедрения глубинного газа в верхнюю часть разреза подтверждают высокие перспективы нефтегазоносности нижележащих отложений. Для решения вопроса о фазовом состоянии предполагаемых скоплений углеводородных газов необходимо продолжать исследования, в первую очередь геометрические в отмеченных точках (см. рис. 3). Использование истинных, а не средних значений теплового потока и геотермического градиента объясняется существенными изменениями их значений по площади (рис. 4).

Таким образом, в глубоководных районах Каспия отмечаются благоприятные термобарические условия образования гидратов углеводородных газов и, следовательно, накопления газа в слоях верхней части осадочной толщи. Поскольку площадь возможного распространения газогидратов значительна, целесообразно провести предварительную оценку ресурсов углеводородных газов, которые могли бы накопиться в зоне гидратообразования.

Осадки Каспийского моря характеризуются повышенным содержанием органических компонентов, а сам Каспий - преобладанием различных типов восстановительных обстановок [1], поэтому уже на стадии диагенеза около 10 % ОВ морских осадков [11] переходит в продукты его биохимической переработки, главным образом в метан. Были подсчитаны ресурсы биохимического метана, который мог образоваться из ОВ осадков, находящихся в зоне возможного гидратообразования. При определении ресурсов биохимического метана использовались следующие средние исходные данные: 1) содержание ОВ в осадках (1%); 2) плотность осадков (1,35 г/см³); 3) пористость морских осадков (60%). Оказывается, что лишь в зоне гидратообразования могло скопиться в свободном виде (с учетом метана растворенного в поровой воде в пластовых условиях) огромное количество биохимического метана. Необходимо отметить, что результаты проведенного подсчета, по-видимому, занижены, так как и подстилающие отложения в диагенезе находились в зоне гидратообразования, которая сформировалась с возникновением глубоководных впадин Среднего и Южного Каспия. Кроме значительных ресурсов биохимического метана в верхней части разреза глубоководных впадин Каспия имеются многочисленные примеры возможных скоплений глубинного природного газа в гидратной форме, запасы которых также не учитывались. По-видимому, все эти скопления, как и зону возможного гидратообразования в целом, можно рассматривать как потенциальный объект для разработки, поэтому уже сейчас необходимо определить наиболее рациональную методику поисков, разведки и разработки морских газогидратных залежей и проводить поисково-разведочные работы по их выявлению, степени заполнения осадков газогидратами и оценке их запасов. Наиболее рациональным представляется использование различных модификаций метода геоакустического профилирования, разрабатываемого в ИГиГРИ, в комплексе с отбором осадков герметическими трубками и бурением опорных и параметрических скважин.

На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы.

1. На большей части Среднего и Южного Каспия отмечаются условия, благоприятные для образования гидратов углеводородных газов.

2. Область распространения зоны возможного гидратообразования в Среднем Каспии ограничена изобатой с отметкой -390 м, а в Южном -480 м. При этом мощность зоны в Среднем и Южном Каспии достигает соответственно 134 и 152 м. Мощность зоны и глубина залегания ее нижней границы уменьшаются по направлению к шельфу.

3. Значительная газонасыщенность четвертичных отложений Каспийского моря связывается с высоким содержанием ОВ в морских осадках, интенсивным накоплением их, генерацией метана на стадии диагенеза и возможностью образования гидратов углеводородных газов. Поэтому возникает необходимость по-новому оценить перспективы нефтегазоносности верхней части осадочной толщи, где возможно накопление в гидратной форме значительных ресурсов биохимического метана и природного газа, проникшего из нижележащих частей разреза.

4. Наличие в верхней части осадочного разреза скоплений глубинного относительно более плотного углеводородного газа свидетельствует о высоких перспективах нефтегазоносности нижележащих отложений.

5. При проведении поисково-разведочных работ по выявлению морских газогидратных залежей и зоны гидратообразования наиболее рациональным и эффективным представляется использование метода геоакустического профилирования в комплексе с различными методами отбора проб морских осадков и бурением.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Али-Заде А.А., Шойхет П.А. Геохимическая зональность в современных осадках Южного и Среднего Каспия и преобразование органического вещества. - Труды ВНИГНИ. М., 1975, вып. 175, с. 107-123.

2. Возможности образования газогидратных залежей природных газов в придонной зоне морей и океанов / Ю.Ф. Макагон, А.А. Трофимук, В.П. Царев и др. - Геология и геофизика, 1973, № 4, с. 3-6.

3. Геологическое строение и нефтегазоносность платформенной части Каспия / Л.И. Лебедев, 3. П. Едигарян, Л. С. Кулакова и др. М, Наука, 1976. .

4. Дегтярев В.В., Бухгалтер Э.Б. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах. М., Недра, 1976.

5. Ефремова А.Г., Гритчина Н.Д. Газогидраты в морских осадках и проблема их практического использования. - Геология нефти и газа, 1981, № 2, с. 32-35.

6. Любимова Е.А., Никитина В.Н., Томара Г.А. Тепловые поля внутренних и окраинных морей СССР. М., Наука, 1976.

7. Макагон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М., Недра, 1974.

8. Осадки Каспийского моря / П.И. Лебедев, Е.Г. Маев, О.К. Бордовский, Л.С. Кулакова. М„ Наука, 1973.

9. Пахомова А.С., Затучная Б.М. Гидрохимия Каспийского моря. Л., Гидрометиздат, 1966.

10. Первоочередные объекты и методы поисков газогидратных залежей в осадках морей, омывающих СССР / А.А. Трофимук, Ю.Ф. Макагон, Н.М. Чемакин и др. -Геология и геофизика, 1980, № 5, с. 3-9.

11. Соколов В.А. Геохимия газов земной коры и атмосферы. М., Недра, 1966.

12. Стоун Ч.Г. Метод «яркого» пятна. - В кн.: Достижения в нефтяной геологии. М., 1980, с. 278-294.

13. Katz D.L. Depths to which Frozen gas fields (gas hydrates) may be expected. - Journal of Petroleum Technology, 1971, N 4, p. 190-193.

14. Katz H.R. Probable gas hydrate in continental slope east of the North Island, New Zealand. - Journal of Petroleum Geology, 1981, v. 3, N 3, p. 315-324.

15. Natural gases in marine sediments. Ed. Kaplan I. R., Plenum Press, New-York, 1974.

16. Stoll R. D., Ewing I., Bryan G. M. Anomalous wave velocitis in sediments containing gas hydrates. - Y. Geophys. Res., 1971, v. 76, N 8, p. 2090-2094.

Поступила 6/V 1982 г.

Таблица 1 Мощности зоны возможного гидратообразования в пределах Среднего Каспия, м

Газы	Глубина моря, м
Газы	120	200	210	250	300	390	400	500	600	700	790
CH₄						0	0,5	54	85	113	134
УВ_0,6	-	-	0	61	112	-	163	188	215	232	247
УВ₁	0	158	-	-	200	-	238	267	287	307	322

Таблица 2 Мощности зоны возможного гидратообразования в пределах Южного Каспия, м

Газы	Глубина моря, м
Газы	132	200	243	300	400	480	500	600	700	800	900	1000
CH₄						0	5	69	99	120	140	152
УВ_0,6	-	-	0	92	158	-	198	231	248	273	288	310
УВ₁	0	176	-	223	257	-	282	302	318	340	350	360

Таблица 3 Фактические данные для расчета фазового состояния углеводородных газов

Номера точек	Протяженность «яркого» пятна на пленке ГП, км	Глубина моря, м	Глубина предполагаемой залежи (ниже дна моря), м	Давление, МПа	Температура, °С,
Южный Каспий
1	1,49	830	280	11,2	15,9
2	1,3	850	450	13,1	27,2
3	2,42	855	300	11,7	20,1
3	2,98	855	450	13,2	27,6
4	1,86	830	200	10,4	15,6
5	2,60	860	210	10,8	17,8
6	3,72	840	330	11,8	21,6
7	2,60	530	760	14	47,0
8	1,86	300	200	5	16,9
9	1,67	125	410	5,4	29,1
9	1,12	210	300	5,15	22,2
10	2,42	215	260	4,8	20,5
11	2,79	320	200	5,25	16,8
Средний Каспий
12	2,79	590	160	7,57	13,5
12	2,79	590	470	10,7	30,8
13	1,86	580	225	8,1	17,0
14	2,79	510	260	7,8	19,3
15	1,12	230	170	4	16,1
16	4,10	260	495	7,7	34,2
17	1,12	260	150	4,1	15,8
18	1,40	590	150	7,5	13,1
19	1,86	340	625	9,7	40,8
Г Станция 12/79		480	0-0,3	4,85	6,8(9)

Рис. 1. Геоакустическое профилирование с «яркими» пятнами в пределах Среднего (а) и Южного (б) Каспия

Рис. 2. Термобарические условия образования газогидратов в Среднем и Южном Каспии.

I-III - кривые фазового равновесия между газом и гидратом для метана и углеводородного газа с относительной плотностью по воздуху 0,6 и 1; а - условия существования предполагаемых скоплений в Среднем Каспии; б - то же, в Южном Каспии; t₁ , t₂ - кривые изменения существования предполагаемых скоплений в Среднем Каспии; в - условия, при которых существуют газогидраты на поднятии Везирова

Рис. 3. Область распространения зоны возможного гидратообразования на Каспии.

а - изогипсы мощностей зоны возможного гидратообразования для метана, м; б - местонахождение предполагаемых скоплений, отображенных на лентах геоакустического профилирования в виде «ярких» пятен; в - скопление газогидратов на поднятии Beзирова

Рис. 4. Изменение теплового потока и геотермического градиента в Южном Каспии (по материалам ГИН АН СССР и Института сейсмологии АН ТССР).

а - кривая теплового потока; б - геотермический градиент