К оглавлению журнала

УДК 553.98

© А.В.Бочкарев, 1995

ВЛИЯНИЕ СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОБРАЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ КАТАГЕНЕЗА

А.В.Бочкарев (ВолгоградНИПИнефть)

При изучении литогенеза встает кардинальный вопрос об источниках энергии и ее реализации в течение процессов изменения и новообразования вещества на различных стадиях развития осадочной оболочки Земли. Проявление факторов преобразования вещества (в буквальном смысле энергоносителей) в каждом конкретном случае может быть индивидуальным или совместным. При этом самостоятельное проявление того или иного фактора в природных условиях - событие исключительное. Подавляющее большинство явлений катагенеза - это совокупность одновременно или последовательно действующих факторов преобразования вещества (температура, статическое, динамическое и флюидодинамическое давление, сейсмические колебания, радиоактивность, химические реакции, естественные поля Земли). В то же время совместное взаимодействие факторов катагенеза не исключает в определенных условиях доминирующего значения одного из них. Нередко в недрах Земли происходит несколько конкурирующих катагенетических процессов, и проявление одного механизма преобразования органического вещества в чистом виде можно рассматривать лишь на определенном отрезке его эволюции. К сожалению, энергетический вклад каждого фактора в суммарный эффект катагенеза не всегда очевиден. Не случайно, поэтому любой анализ факторов начинается с упоминания о нерешенности, сложности, неоднозначности и спорности представлений различных исследователей по этому вопросу. Наименее изученными при этом остаются вопросы взаимодействия и последовательности проявления факторов катагенеза. Рассмотрим влияние статического давления Рс и температуры Т на процессы преобразования вещества и выделение продуктов катагенеза.

В совокупности Т и Рс создают в недрах определенный термобарический режим, который необходим для приобретения органическим веществом в процессе его изменения присущих данному уровню катагенеза физико-химических свойств [1-5]. В процессе погружения отложений Т и Рс возрастают параллельно и одновременно, меняется только доля влияния каждого из них в суммарном эффекте катагенеза (рис. 1).

Определение доли Т и Рс осуществляется путем сравнения отражательной способности витринита идентичных разрезов с примерно равными геотермическими градиентами, но с различной литостатической нагрузкой. По данным В.Н. и Ю.Н.Нагорных, для мезозойских пород Южного Мангышлакз и Северной Туркмении, а также палеозойских образований Волгоградского Поволжья такая разница составляет до 10 ед. величины 10 Ra [4]. Процентное соотношение факторов устанавливалось с учетом количественных показателей изменения пористости и плотности пород (глина, аргиллит, известняк, песчаник) в цикле катагенеза.

При дефиците тепловой энергии (до 40 °С) Рс как фактор катагенеза эффективно и, по существу, самостоятельно действует на подстадии протокатагенеза (ПК), для которого в процессе преобразования органического вещества характерны реакции нулевого порядка (отщепление, перегруппировка радикалов и т.д.) и низкие значения энергии активации (обычно менее 265*10-3 Дж/моль) (Бочкарев А.В, 1984; [1]). На данной подстадии при увеличении Рс атомы сближаются, роль сил отталкивания возрастает и прочность химических связей уменьшается. Атомы органического вещества, связанные силами сцепления, под влиянием Рс оказываются пространственно разделенными. На ранних этапах катагенеза такой характер деструкции вещества становится энергетически выгодным. Реакции отщепления сопровождаются выделением в основном углекислоты и воды. В открытых (проточных) системах, характерных для малых глубин, таким реакциям, протекающим под влиянием Рс, ничто не препятствует. В результате бурые угли существенно отличаются от последующих марок спецификой физико-химических свойств. Относительно формирующихся на подстадии ПК продуктов катагенеза (рис. 2) это зона образования кислых газов органического вещества арконового типа [1] и первая (главная) фаза дегидратации глин (Foscolos A.E., Powell T.G., 1978).

В процессе преобразования вещества в направлении градаций ПК1 --> ПК3 доля Рс экспоненциально снижается, тогда как вклад Т возрастает и при переходе от ПК к мезокатагенезу (МК) ведущая роль в превращении органоминерального вещества переходит к фактору тепла, Медленное течение процессов изменения вещества на подстадии ПК сменяется их значительным ускорением на подстадии МК, для которой характерны катагенетические реакции первого порядка, температуры 40-160 "С и энергии активации (274-722)*103 Дж/моль. Перерыв постепенности на рубеже ПК32 и МК11 (скачок углефикации по витриниту и лейптиниту) приходится на одно из первых радикальных изменений органического вещества: исчезновение гуминоаых кислот и крупных метоксидных кислородсодержащих групп, деструкция наиболее крупных фрагментов гетероатомных связей в порядке увеличения энергии разрыва и т.д. В результате интенсивной потери влаги глины переходят в аргиллиты.

С градации MK12 до МК41 [ОСВ (72-90) 10 Rа, Т 60-130 °С] доля Т в суммарном эффекте интенсивно протекающего процесса преобразования органоминерального вещества возрастает до 80 % (см. рис. 1). При общем росте в том же интервале градаций значений Рс (30-105 МПа) доля его соответственно снижается до 20 %. При столь невысоком вкладе Рс степень его влияния по ходу катагенезэ становится все более трудноразличимой, а со значения 10 Rа 87 не поддается учету [4].

В интервале значений ОСВ (72-87) 10 Rа (MK12 -МК32, или главная зона нефтеобразования), как известно, реализуется нефтематеринский потенциал органического вещества (см. рис, 2). При неоспоримом влиянии Т на полноту протекания этих процессов Рс играет важную и необходимую роль в формировании качественных и количественных изменений продуктов катагенеза. Так, поступательно сокращающаяся доля Рс в преобразовании органоминерального вещества на всем протяжении рассматриваемого интервала катагенетического процесса обеспечивает соответствующие каждому уровню катагенеза определенные физические свойства органического вещества и пород. В условиях эксперимента (изотермический режим на уровне 100 °С) с повышением Рс в органическом веществе (породы баженовской свиты) возрастает содержание ХБА (от 1,2 % при Рс 20 МПа до 1,38 % при Рс 80 МПа и 1,64 % при Рс 100 МПа). При этом наблюдается дву-четырехкратное возрастание петролейно-эфирного битума, на 80 % состоящего из углеводорода [2]. По тем же данным при равных Т наблюдаются увеличение общего количества углеводородных газов по мере роста Рс в интервале значений 60-80 МПа и тенденция к их снижению в интервале 80-100 МПа. В составе углеводородных газов растет доля гомологов метана [З]. Для органического вещества арконового типа такой характер изменения в составе углеводородных газов послужил основанием для выделения зоны образования жирных газов (см. рис. 2) [1]. В открытых термодинамических системах Рс обеспечивает отвод жидких и газообразных продуктов катагенеза из пород-доноров углеводородов в породы-коллекторы, способствуя тем самым поступательному развитию термокаталитических реакций.

На зону схождения координат Т и Рс (см рис.1) в интервале значений ОСВ (87-93) 10 Rа (МК32 - MK41) приходится один из наиболее значительных углефикационных скачков в эволюции органического вещества. К концу градации МК32 происходит ускоренное изменение физико-химических и механических свойств углей. Отражением этого может служить резкое возрастание электрической проводимости органического вещества, что обусловлено образованием "графитовых" структур и общим упорядочением его внутреннего строения. На рубеже МК32 и МК41 наблюдается резкое увеличение ОСВ и содержания углерода (до 87 %). Ароматический углерод начинает конденсироваться, образуя тонкие сетки. Межмолекулярные расстояния в органическом веществе становятся особенно малы, поскольку громоздкие мостиковые группы и цепи в значительной степени деградированы. Исчезает лейптинит, а липоидные микрокомпоненты приобретают оптические и химические свойства гелифицированных компонентов. В результате гумусовые и сапропелевые угли в дальнейшем становятся практически неразличимыми.

Физико-химическая трансформация органического вещества достигает максимума на градации МК4, где фиксируется максимальный градиент катагенеза. На угли в интервале ОСВ (87-93) 10 Ra приходятся: максимальные значения хрупкости, пластичности, показателя спекаемости, линейного коэффициента термического расширения, парамагнитной восприимчивости, удельной теплоты сгорания, спектра ядерно-магнитного резонанса и других показателей: минимальные значения пористости, плотности, влажности, коэффициентов тепло- и температуропроводности, удельной электропроводности, диэлектрической постоянной, скорости прохождения ультразвука и т.д. (см. рис. 1).

В рассматриваемой зоне схождения координат Т и Рс полностью завершаются процессы нефтегенерации и продолжаются процессы образования углеводородных газов (главная зона газообразования) (см. рис. 2). Координаты Т и Рc затем расходятся и в дальнейшем по мере углубления катагенетического процесса не пересекаются (см. рис. 1).

Третий интервал наиболее значимых радикальных изменений органоминерального вещества приходится на зону перехода от МК к АК (апокатагенезу) (рубеж градаций МK51 и AK11), когда происходит резкое обеднение органического вещества водородом, что приводит к падению теплоты сгорания и потере спекаемости в углях (см. рис, 1). На данном этапе в органическом веществе (углях) скачкообразно уменьшается количество гидроксидных и других функциональных групп, кислорода и межмолекулярных водородных связей, наблюдаются полное исчезновение алифатических углеродных звеньев и резкое сокращение гетероатомов. Аргиллиты приобретают тонкослоистую текстуру. При этом происходит интенсивная серицитизация, мусковитизация или хлоритизация глинистых минералов, полевых шпатов, слюд, обломков пород, а также растворение и кристаллизация минералов под давлением. Исчезают смешанослойные минералы и цеолитовые фации. Песчаники перестают быть коллекторами порового типа. Роль Рс на этом отрезке пути преобразования вещества сводится, вероятно, только к изменению его физических свойств. В связи с достижением значительной плотности органического вещества и пород вклад Рс в процессы образования продуктов катагенеза становится в дальнейшем все более трудноразличимым. По этой причине тепло при отсутствии влияния других факторов становится доминирующим, а на подстадии АК, очевидно, единственным энергетическим источником превращения органического вещества (см. рис. 2). Процесс метанообразования, господствующий на данном этапе и убывающий по "затухающей синусоиде" [5] на градации АК43 (антрациты A12-15) с полной реализацией углеводородного потенциала органического вещества, сменяется нижней зоной образования кислых газов.

Из анализа принципиальной схемы влияния Рc и Т на процессы образования продуктов катагенеза (см. рис. 2) следует, что их взаимодействие на подстадии МК создает предпосылки для формирования широкого разнообразия каустобиолитов: длиннопламенных, газовых, жирных, коксующихся и отощенно-спекающихся углей, нефти. конденсата, жирных газов и метана. На подстадии ПК доминирует Рс, а на подстадии АК ведущий фактор - Т. Угли на этих подстадиях отличаются однообразием и состоят из бурых (ПК) и антрацитов (АК), а продукты катагенеза характеризуются узким перечнем образующихся флюидов. При этом на крайних флангах стадии катагенеза находятся зоны образования кислых газов.

Таким образом, сложно взаимодействуя в цикле катагенеза, Рс и Т значительно влияют на изменение органоминерального вещества, сменяя и дополняя друг друга, в совокупности определяя направленность катагенетического процесса и зональность нефтеобразования в нефтегазоносных бассейнах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бочкарев А.В, Катагенез и газоносность угленосных толщ //Изв. АН СССР. Сер. геол. -1984. - № 4. - С.108-115.

2. Влияние геостатического давления на образование углеводородных флюидов в процессе термокатализа OВ (по экспериментальным данным) /И.И.Нестеров, В.Ф.Симоненко, Е.С.Ларская и др. //Геология нефти и газа. - 1993. - № 12. - С.22-25.

3. Влияние температуры на количество и состав нафтидов при катагенезе ОВ/М.И.Нестеров, В.Ф.Симоненко, Е.С.Ларская и др. //Геология нефти и газа. - 1993. - № 11. -С.26-30.

4. Нагорный В.Н., Нагорный Ю.Н. О роли давления в процессах регионального метаморфизма углей //Угольные бассейны и условия их формирования. - М., 1983. - С.123-132.

5. Соколов Б.А. Автоколебательная модель нефтеобразования //Вестн. МГУ, Сер. геол. -1990. - Na 5. - С.3-16.

Рис. 1. ХАРАКТЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДОЛЯ В СУММАРНОМ ЭФФЕКТЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ТЕМПЕРАТУРЫ Т(А) И СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ Рс(Б)

Заштрихованный участок - область наиболее радикальных изменений ОВ (скачки катагенеза); ОСВ - отражательная способность витринита; Еа - энергия активации; Wг - содержание влаги в углях; dг - плотность углей; n - пористость углей; Qdaf - теплота сгорания; Y - спекаемость угля (толщина пластического слоя); Б1, б3, БД, Д, Г, Ж, К, ОС, Т, ПА, A10-15 - марки углей

Рис.2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ КАТАГЕНЕЗА (Pc, Т) И ЗОНАЛЬНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Заштрихованный участок - область эффективного взаимодействия Т и Рс. Зоны: ВЗОКГ и НЗОКГ - верхняя и нижняя образования кислых газов, ГЗН - главная нефтеобразования (ОВал), ЗОЖГ - образования жирных газов (ОВар), ГЗГ - главная газообразования, ЗМ - метанообразования