Теоретическое обоснование

 

Практическая работа 2

Определение генетического типа рассеянного органического вещества

 

Цель и содержание:Ознакомить студентов с условиями накопления органического вещества (ОВ). Рассмотреть состав и основные принципы классификации ОВ. Ознакомить студентов с методиками определения генетического типа ОВ.В указаниях приводятся классификации по типам фракций и генетическим типам ОВ, битумоидов и керогена.

Теоретическое обоснование

Главный источник нефтяных УВ – это органические соединения, присутствующие в рассеянном состоянии в осадочных породах субаквального происхождения. Рассеянное органическое вещество (РОВ) представляет собой отпечаток биосферы, наследуемый осадочными породами.

Прежде чем войти в состав донных отложений, ОВ проходит длительный и сложный путь. В результате различных воздействий в осадок попадает органический материал, существенно отличающийся от исходного живого вещества.

По групповому составу ОВ современных осадков аналогично рассеянному ОВ ископаемых осадочных пород. На ранних стадиях преобразования на базе исходного живого вещества возникает новая форма биокосной материи – ископаемое дисперсно-рассеянное ОВ. Наиболее общая закономерность распределения ОВ в осадочных образованиях – это возрастание его концентрации с увеличением дисперсности отложений.

Рассеянное ОВ разделяется на следующие фракции:

1. Битумоиды, растворимые в нейтральных органических растворителях (петролейный эфир, бензол, хлороформ, ацетон, спиртобензол, сероводород), в состав которых входят метановые, нафтеновые и ароматические УВ, смолы, асфальтены (выход фракции варьирует от долей процента до 10 % на все дисперсное ОВ);

2. Гуминовые кислоты, извлекаемые (после кислотной обработки) водной щелочью;

3. Нерастворимое ОВ (кероген), прочно связанное с минеральным скелетом осадка (составляет 40 – 95 %, обычно не менее 80 %).

Кроме указанных компонентов присутствуют различные пигменты, липидоподобные вещества и ряд аминокислот, однако все эти соединения составляют лишь небольшую долю от общего количества ОВ в породах.

Битумоиды, извлекаемые разными растворителями, количественно и качественно отличаются друг от друга. Выделяются следующие главные фракции битумоидов: масла, смолы и асфальтены. Масла растворяются в петролейном эфире и адсорбируются силикагелем. Состоят из УВ и нейтральных органических соединений. Смолы растворяются в спиртобензоле и адсорбируются силикагелем. Состоят из соединений, содержащих кроме углерода и водорода, кислород, серу и азот. Обычно смолы разделяют на нейтральные (бензольные) и кислые (спиртобензольные). Асфальтены растворимы в хлороформе. Это кислые азотистые и сернокислые соединения, отличающиеся от смол большой молекулярной массой.

Основным фактором, определяющим битуминозность осадков, как правило, является общее содержание ОВ, и в соответствии с этим между битуминозностью и концентрацией органического углерода (С_орг) существует прямая связь. Однако наблюдаются отдельные случаи, когда грубодисперсные осадки с малым содержанием ОВ характеризуются битуминозностью, достигающей десятых долей процентов. Это обстоятельство следует учитывать при выяснении природы битумоидов.

Различают следующие генетические типы битумоидов: сингенетичные, автохтонные (Gumbel, 1883), аллохтонные, паравтохтонные (Geim, 1905, Н. Б. Вассоевич, 1958), эпигенетичные, остаточные, эпигенетичные остаточные и смешанные.

Сингенетичные битумоиды – фракция сингенетичного породе рассеянного ОВ, состав и содержание которой обусловлены генетическим типом и уровнем катагенетической преобразованности ОВ.

Сингенетичныебитумоиды часто называют автохтонными,что не совсем верно. Понятие «сингенетичныйбитумоид» подразумевает только генетическое единство, т. е. единство места образования битумоидов, тогда как время их образования, как правило, только частично соответствует времени захоронения ОВ в осадке. Понятие «автохтонныйбитумоид» подразумевает единство и места, и времени.

Если в ОВ содержатся лишь сингенетичныебитумоиды, то ОВ не затронуто процессами нефтеобразования, а свиты с таким ОВ не относятся к разряду нефтематеринских.

Аллохтонные битумоиды– это дисперсные битумоиды миграционного происхождения, которые можно рассматривать как следы процессов нефтеобразования, миграции нефти или разрушения нефтяных залежей.

Следует различать аллохтонные битумоиды, сингенетичные вмещающим отложениям, являющие результатом первичной миграции, названные паравтохтонными битумоидами (Н. Б. Вассоевич, 1963), и эпигенетичные битумоиды, проникшие в данные породы из других пластов или выпавшие из водных растворов и нефтяных залежей.

Паравтохтонные битумоиды – особая генетическая категория битуминозных веществ, отвечающая наиболее ранним этапам обособления «микронефти». Паравтохтонныебитумоиды представляют собой подвижную часть автохтонных битумоидов, оторвавшуюся от ОВ и претерпевшую незначительные перемещения в пределах нефтегазоматеринской породы (НГМП). Они уже не могут называться сингенетичнымибитумоидами, но еще и не могут быть названы эпигенетичнымибитумоидами. Паравтохтонныебитумоиды характеризуются большей нейтральностью состава по сравнению с автохтоннымибитумоидами. Наличие паравтохтонныхбитумоидов в породах указывает на ранний этап обособления микронефти, а свиты, сложенные породами, насыщенными паравтохтоннымибитумоидами, относятся к нефтематеринским.

Эпигенетичные битумоиды – это легкая масляная часть, отделившаяся от сингенетичногобитумоида и переместившаяся за пределы НГМП. Как правило, это соединения, близкие по элементному и групповому составу к нефти. В осадочных породах эпигенетичныебитумоиды встречаются в чистом виде лишь в кавернах и крупных пустотах.

Остаточные битумоиды – это сингенетичныебитумоиды, утратившие вследствие первичной миграции наиболее подвижные компоненты, т. е. микронефть. От автохтонных битумоидов, находящихся в тех же условиях, остаточные битумоиды отличаются повышенным содержанием азота, кислорода и серы, пониженным содержанием углерода и водорода, а также преобладанием асфальтено-смолистых веществ над маслами. Присутствие в ОВ остаточныхбитумоидов характеризует нефтепроизводящие свиты.

Эпигенетичные остаточные битумоиды – часть эпигенетичногобитумоида, которая сорбировалась породой в процессе миграции эпигенетичногобитумоида по пласту. Эпигенетичныеостаточныебитумоиды характеризуются низким содержанием углерода (75 – 78 %) и высоким содержанием водорода (11 – 12 %). По составу они сходны с бензольными фракциями мальт и присутствуют они только в тех частях пласта, по которым происходила миграция битумоидов, что позволяет определять направление и масштабы миграции.

Микробитумоиды (смешанные) – это битумоиды, образованные путем смешения сингенетичныхавтохтонных и эпигенетичныхбитумоидов и обладающие промежуточными характеристиками.

Важным количественным показателем генерации УВ является не столько содержание битуминозных веществ в породе, сколько относительное содержание битумоидов в ОВ, определяемое величиной битумоидного коэффициента b:

b=(Сбит / Сорг) ×100,

(3.1)

где С_бит и С_орг – содержание углерода соответственно в битумоиде и в породе.

Для сингенетичныхавтохтонныхбитумоидов существует обратная зависимость между величиной битумоидного коэффициента и содержанием органического углерода (закономерность Успенского-Вассоевича). Для аллохтонныхбитумоидов эта зависимость не соблюдается.

Определение генетического типа ОВ проводится на основе химической и углепетрографической характеристик керогена.

Автором первой классификации ОВ был Г. Потонье (1903), который выделил три группы концентрированного ОВ:

1. Сапропелиты, образованные за счет фитозоопланктона (жиры, белки, хитин).

2. Гумусовые образования, сформировавшиеся из остатков высшей растительности (углеводы, лигнин).

3. Липтобиолиты с исходным материалом, образованным наиболее стойкими к разложению тканями высших растений (воски, смолы, кутикулы).

Органическое вещество сапропелевого типа Н. Б. Вассоевич (1976) называл алиновым, т. к. оно содержит алициклические и алифатические структуры. Алифатические цепи присутствуют в сапропелитах и липтобиолитах. Выделяется два подтипа алинового ОВ: алфиновый и алциновый. Гумусовому типу ОВ свойственны ареновые структуры. Такой тип ОВ назван арконовым. Основой его являются лигнинцеллюлозные биополимерные комплексы.

Тиссо Б. и Вельте Д. (1981), опираясь на структурно-химический признак, выделили три генетических типа керогена:

1. Кероген с высоким содержанием водорода и низким содержанием кислорода, с преобладанием алифатических структур (I тип).

2. Кероген с высоким содержанием водорода, но меньшим, чем в первом случае, образованный вследствие накопления морских организмов в восстановительных условиях (кероген основной массы нефтематеринских пород) (II тип).

3. Кероген, бедный водородом, с кислородсодержащими функциональными группами, образованный из остатков наземной растительности (кероген газоматеринских пород) (III тип).

На диаграмме Ван-Кревелена три типа керогена характеризуются соответствующими кривыми (рис. 3.1). Выделенные типы отличаются по характеру генерируемых УВ.

Сопоставление классификаций ОВ различными исследователями приведено в таблице 3.1.

В настоящее время широкое распространение в практике геохимических исследований и, в частности, для определения генетического типа ОВ, используют пиролитический метод «Rock-Eval». Метод позволяет количественно определить содержание свободных УВ в породе (параметр S₁), содержание УВ, которые кероген может еще произвести в процессе последующей эволюции (параметр S₂), температуру максимального выхода УВ в процессе крекинга керогена (Т_мах), содержание органического углерода (ТОС). Полученные данные позволяют рассчитать водородный индекс (HI):

HI = S2/ТОС.

(2.2)

Тиссо Б. и Вельте Д. (1981) по величине HI выделили следующие типы керогена: I тип керогена – HI > 600 мг УВ/г С_орг; II тип керогена – HI = 300 – 600 мг УВ/г С_орг; III тип керогена – HI < 300 мг УВ/г С_орг.

Лопатин Н. В. и Емец Т. П. (1987) на основе пиролитического изучения керогена предложили следующую классификацию типов керогена по величине HI: I тип – превосходный (HI = 600 мг УВ/г С_орг); II тип – богатый (HI = 600 – 400 мг УВ/г С_орг); IIb тип – средний (HI = 400 – 300 мг УВ/г С_орг); IIс тип – средний (HI = 300 – 200 мг УВ/г С_орг); IIIa тип – умеренный (HI = 200 – 150 мг УВ/г С_орг); IIIb тип – бедный (HI = 150–75 мг УВ/г С_орг); IIIс тип – бедный (HI > 75 мг УВ/г С_орг).

Пиролитические параметры используются для составления комбинированных графиков, анализ которых дает информацию о генетических и катагенетических характеристиках керогена. К числу таких графиков относится зависимость водородного индекса (HI) от температуры максимума выхода УВ из ОВ (Т_мах). На графике выделяются поля различных типов и катагенетической преобразованности ОВ (рис. 3.2).

Для установления катагенетической преобразованности ОВ используются определения отражательной способности витринита (R⁰, %). Степень преобразованностикерогена определятся также по величине пиролитического параметра Т_мах, которая хорошо коррелируются с определениями отражательной способности витринита. Французскими исследователями установлено, что Т_мах <435 ⁰С соответствует значениям R⁰ < 0,5 % и говорит о незрелости ОВ (градация протокатагенеза – ПК). Интервал температур Т_мах = 435 – 460 ⁰С отвечает величине R⁰ от 0,5 до 1,15 % и соответствует «нефтяному окну» (градации мезокатагенеза – МК₁ – МК₃). Интервал Т_мах > 465 ⁰С (R⁰ > 1,15 %) относится к газовой зоне (градации катагенеза – МК₄ – АК₅).

 

Рисунок 3.1 – Схема эволюции керогена (диаграмма Ван-Кревелена)

Таблица 3.1 – Сопоставление классификаций ОВ осадочных пород

Традиционное деление ОВ по исходным организмам	Г. Потонье, 1920, 1934	Н. Б. Вассоевич, 1973-1976	Б. Тиссо, Ж. Эспиталье, 1973, 1975
Типы и подтипы седикахит (СК)	Молекулярные структуры; комплекс биополимеров	Продукты генерации	Тип керогена	Исходное ОВ; молекулярные структуры; основные мацералы	УВ: жидкие газообразные
Сапропелевое ОВ (низшие растения и животный планктон)	Группы каустобиолитов по исходной органике и структуре тканей	Алиновый	Алфиновый	Алифатические структуры; липидные комплексы, Н/Сат = 1,5 – 1,8	парафиновая нефть, жирные газы	I	Водоросли сине-зеленые, воски, высшие растения; алифатические структуры; альгинит	0,4 0,5
Гумусовое ОВ (высшие наземные растения)	Липтобиолиты (защитные ткани растения, оболочки спор, воски, смолы, кутикулы)	Амикогиновый	Гетероциклические и алициклические структуры; углеводно-белковые комплексы, Н/Сат = 1,2 – 1,5; N = 5 – 6 %	нефть, газы	II	Фито- и зоопланктон, наземная растительность; алифатические и алициклические структуры; лейптинит	0,2 0,5
Гумусовые образования (основные ткани растений, углеводы)	Арконовый	Конденсированные ареновые структуры; лигниноцеллюлозные компоненты, Н/Сат< 1	сухой метановый газ	III	Высшие наземные растения; полиароматические структуры; витринит, фюзенит	0,1 0,2

 

Рисунок 3.2 – Эволюционная диаграмма органического вещества

составленная по пиролитическим параметрам «Rock-Eval»

Аппаратура и материалы. Миллиметровая бумага, чертежные принадлежности, белая бумага формата А4.