Characterization of Sedimentation Conditions Based on Composition of Organic Matter Dispersed in Rock of an Exploration Well on the Right Bank of the Ob River in Tomsk Oblast

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одно из ведущих мест в мире по добыче углеводородов (УВ) занимает Россия, но в настоящее время отмечается снижение объема геологоразведочных работ и смещение их в сторону территорий, расположенных на отделенных площадях и в суровых климатических условиях. Особенностью сырьевой базы Томской области является, с одной стороны, постепенное исчерпывание запасов традиционных залежей с хорошо отработанными технологиями разведки и добычи в основном на левом берегу Оби, с другой стороны – значительные запасы в “нетрадиционных” отложениях – юрских (нижняя, средняя, верхняя юра), а также палеозойских, связанных с глубоким бурением и высокими затратами, в том числе на правобережье Оби. Целью параметрического (разведочного) бурения, в частности Восточно-Пайдугинской зоны, которая представляет собой обширную территорию на северо-востоке Томской области, является выявление и получение параметров перспективных зон нефтегазонакопления [1, 2].

Наряду с традиционными геологическими методами при поисках углеводородного сырья на слабо изученных территориях целесообразно использование химической информации о молекулярном составе рассеянного в породах разреза органического вещества. Получаемые в процессе исследования данные позволяют реконструировать обстановки накопления ОВ, определять специфику его катагенетических изменений, фиксировать протекание процессов миграции УВ, проводить корреляцию разрезов и оценку нефтегазогенерационного потенциала отложений. Данные о молекулярном составе хемофоссилий (реликтовых структур), унаследовавших основные черты строения исходных биологических молекул, могут служить основой для выяснения основного источника ОВ в осадках [3, 4].

Для восстановления истории формирования в недрах Земли углеводородных скоплений, реконструкции условий нафтидогенеза необходимо детальное исследование состава рассеянного в породах органического вещества, в частности, распределения в нем хемофоссилий, унаследовавших черты своего строения от биологических предшественников. Состав этих структур определяется прежде всего исходной биомассой и последующими этапами ее преобразования [5, 6].

Комплекс хемофоссилий (индивидуальный состав изопреноидных и нормальных алканов, содержание металлопорфиринов и перилена), а также состав фенатренов, выбранный нами для исследований [7–9], позволяют судить о фациально-генетической природе присутствующего в породах органического вещества. Так, присутствие в органическом веществе комплексов порфиринов с ванадилом (VO-р) указывает на преимущественно морской генезис органического вещества и восстановительные условия при осадконакоплении [10]. Наличие никелевых порфиринов (Ni-р) свидетельствует об отсутствии сероводородного заражения природных вод при седиментации и раннем диагенезе органического вещества [11]. Перилен, широко распространенный в озерах, встречается также в прибрежных районах морей и отсутствует в глубоководных фациях. Соотношение изопреноидных углеводородов пристана (П) и фритана (Ф) может быть использовано для оценки окислительно-востановительных условий в бассейне седиментации [12]. Следует, однако, учитывать, что наряду с окислительной средой повышенное содержание пристана в осадках может быть обусловлено существенным вкладом в органическом веществе зоопланктона и биомассы бактерий. Состав н-алканов характеризует участие в формировании состава органического вещества отдельных групп биопродуцентов. Основными углеводородами фитопланктона являются С₁₅ и С₁₇ н-алканы. Для наземной растительности характерно преобладание С₂₇, С₂₉ и С₃₁ н-алканов. В прибрежно-морских водорослях преобладают С₂₁, С₂₃ и С₂₅ гомологи [13, 14].

Для определения степени термической зрелости органического вещества нами использованы CPI – отношение концентрации н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле к “четным” н-алканам, а также расчетная отражательная способность витринита (Rc), основанная на различии в термической стабильности отдельных изомеров метилфенатренов. Rc хорошо коррелирует с отражательной способностью витринита (% Rm) в интервале его значений, соответствующих основной зоне образования нефти из керогена [15].

Целью настоящего исследования являлась характеристика условий седиментации по молекулярному составу рассеянного органического вещества пород верхнеюрских отложений разведочной скважины Восточно-Пайдугинская Томской области для оценки зрелости органического вещества и выявления региональной зоны нефтегазонакопления.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследованы верхнеюрские породы разреза скважины Восточно-Пайдугинская марьяновской (поздний оксфордволга, 2736.1 м) и наунакской (келловейский и оксфордский ярусы, 2775.4 и 2786.95 м) свит.

Исследование всех образцов проводилось по единой методике. Органические компоненты выделяли из кернового материала экстракцией раствором 7%-ного метанола в хлороформе (хлороформенный битумоид, ХБ) при 60°С [16]. Углеводороды и дибензотиофены (ДБТ) были сконцентрированы методом адсорбционной хроматографии на колонке с окисью алюминия IV степени активности, подвижная фаза – гексан. Молекулярный состав органических соединений определяли с помощью хроматомасс-спектрометра высокого разрешения DFS фирмы TermoScientific в Томском региональном центре коллективного пользования ТНЦ СО РАН. Разделение компонентов экстракта происходило на кварцевой капиллярной колонке фирмы ThermoScientific внутренним диаметром 0.25 мм, длиной 30 м, толщиной неподвижной фазы TR-5MS – 0.25 мкм. Условия анализа: газ-носитель – гелий, температура испарителя – 250°С, температура интерфейса – 250°С, метод ионизации – электронный удар, энергия ионизирующих электронов – 70 эВ; температура ионизационной камеры – 250°С; диапазон регистрируемых масс – 50–500 а.е.м., длительность развертки спектра – 1 с. Программа нагрева термостата хроматографа: T_нач = 80°С, изотерма в течение 2 мин, затем нагрев со скоростью 4°С/мин до T_макс= 300°С, изотерма в течение 35 мин.

Газовые хроматограммы получены по общему ионному току (TIC) и характеристическим фрагментным ионам (SIM). Содержание отдельных групп УВ рассчитывали по суммарной площади отдельных пиков с учетом поправочных коэффициентов, определенных для характеристических ионов каждого класса соединений: для молекулярных ионов би- (m/z 128, 142, 156, 170, 184), три- (m/z 178, 192, 206, 220), тетра- (m/z 202, 216, 230, 242) и пентациклических (m/z 252, 266) ароматических УВ, дибензотиофенов (m/z 184 и 198), для фрагментных ионов три-, тетра- и пентациклических терпанов (m/z 191), бициклических терпанов и секогопанов (m/z 123), ретена (m/z 198), кадалена (m/z 234), симонеллита (m/z 252), сквалена (m/z 69), алканов (m/z 57), алкилциклогексанов (m/z 83 и 97), стеранов (m/z 217 и 218), моно- и триароматических стеранов (m/z 253 и 231), н-алкилбензолов, алкилтолуолов и арилизопреноидов (m/z 92, 105 и 133 соответственно) [5, 6]. Для оценки количественного содержания компонентов использовался дейтероаценафтен C₁₂D₁₀ в качестве внутреннего стандарта.

Содержание металлопорфиринов и перилена (Per) определяли методом электронной спектроскопии по интенсивности полос поглощения при 550 нм для никелевых порфиринов (Ni-p), 570 нм для ванадиловых (VO-p) и 435 нм для перилена с использованием в расчетах коэффициентов экстинкции 2.7 × 10⁴, 2.9 × 10⁴ и 4 × 10⁴ л/моль см соответственно [11].

Для оценки степени термической преобразованности рассеянного в породах органического вещества были исследованы распределение и состав фенантренов, по которым рассчитаны метилфенантреновый индекс MPI = 1.5(2МР+3МР)/(Р+1МР+9МР) и расчетная отражательная способность витринита Rc = 0.6MPI + 0.4, где Р – фенантрен, 1МР – 1-метилфенантрен, 2МР – 2-метилфенантрен, 3МР – 3-метилфенантрен, 9МР – 9-метилфенантрен [17].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание битуминозных компонентов (хлороформного битумоида, ХБ) в породах варьирует от 0.03 до 0.18%, возрастая с глубиной залегания пород (табл. 1). Зафиксированы металлопорфирины, представленные комплексом с никелем, свидетельствующим об отсутствии сероводородного заражения при седиментации, а также перилен, который накапливается в ОВ в условиях мелководного бассейна. Ванадилпорфирины, наличие которых указывает на морские условия захоронения органического вещества, в породах разреза отсутствуют. Содержание идентифицированных сернистых соединений – дибензотиофенов (ДБТ) – варьирует от 0.07 до 0.28 мас. %, минимальные значения отмечены в породах в наунакской свиты.

 

Таблица 1. Распределение в породах разреза скважины Восточно-Пайдугинская битуминозных компонентов и гетероциклический соединений*

Характеристика ОВ пород	2736.1 м, марьяновская свита	2775.4 м, наунакская свита	2786.95 м, наунакская свита
Выход ХБ, мас. %	0.03	0.1	0.18
ДБТ*, мас. %	0.22	0.28	0.07
VO-р, нмоль/г	0	0	0
Ni-p, нмоль/г	15	172	0
Per, нмоль/г	0	6	60

* В процентах от суммы всех соединений, идентифицированных по данным ГХ-МС.

 

По всему разрезу верхней юры отсутствуют секогопаны и стераны (табл. 2). В ОВ марьяновской свиты не обнаружены, кроме того, пентациклические арены, сесквитерпаны и симонеллит. В то же время в марьяновской свите по сравнению с наунакской повышено содержание сквалена, моно- и триароматических стеранов, присутствуют циклогексаны, три- и тетрациклические терпаны.

 

Таблица 2. Содержание отдельных углеводородных групп в исследуемых образцах*

Углеводороды	2736.1 м, марьяновская свита	2775.4 м, наунакская свита	2786.95 м, наунакская свита
Алканы	55.48	29.51	21.45
Циклогексаны	1.33	0.00	0.00
Алкилбензолы	0.32	0.08	0.00
Нафталины	18.37	29.19	31.81
Фенантрены	10.80	18.16	21.53
Тетрациклические арены	2.97	4.51	6.64
Пентациклические арены	0.00	0.46	0.69
Ретен	0.02	2.03	2.10
Кадален	0.19	6.64	7.06
Симонеллит	0.00	0.55	0.25
Флуорен	2.21	3.14	3.63
Три- и тетерациклические терпаны (Т- и Те-)	0.11	0.00	0.00
Сесквитерпаны	0.00	2.17	0.85
Сквален	1.17	0.02	0.03
Дибензотиофены (ДБТ)	0.22	0.28	0.07
Гопаны (Н)	2.65	0.85	2.16
Стераны	0.00	0.00	0.00
Триароматические стераны (TAS)	0.23	0.00	0.03
Моноароматические стераны (MAS)	2.43	0.42	1.29

*В процентах от суммы всех соединений, идентифицированных по данным ГХ-МС.

 

ОВ марьяновской свиты характеризуется преобладанием в смеси УВ алканов – ациклических насыщенных структур (2736.1 м), в ОВ наунакской свиты доминируют ароматические УВ (рис. 1, а). Среди ароматических УВ во всех верхнеюрских осадках преобладают нафталины. Их относительное содержание несколько снижается вниз по разрезу. Возрастает доля фенантренов, содержание кадалена и ретена (рис. 1, б). Максимальное содержание симонеллита зафиксировано в породах верхней части наунакской свиты. Алканы в марьяновской и верхней части наунакской свит представлены преимущественно С₁₄–С₁₆ гомологами, в нижней части наунакской свиты молекулярно-массовое распределение н-алканов бимодально с основным максимумом, приходящемся на С₁₄, и дополнительным – на С₂₅ и С₂₇.

 

Рис. 1. Групповой состав углеводородов (а) и изменение содержания симонеллита, кадалена и ретена (б) в ОВ разреза верхней юры Восточно-Пайдугинской скважины

 

Согласно величине отношения пристана к фитану (П/Ф), ОВ по всему исследованному разрезу отлагалось в окислительных условиях (табл. 3). Наличие перилена в осадках разреза наунакской свидетельствует о неглубоком бассейне, наличие никелевых порфиринов – об отсутствии в бассейне сероводородного заражения. Величина T26/Т25 в ОВ марьяновской свиты соответствует озерным условиям осадконакопления, наличие невысоких концентраций гаммацерана (G) в марьяновской свите и низах наунакской указывают на слабосоленые воды, а довольно высокое относительное содержание гопана С₃₁ – на возможное участие угольных включений в исследованных породах. Об участии высших растений в формировании состава ОВ пород наунакской свиты свидетельствуют высокие концентрации кадалена, ретена, наличие симонеллита (рис. 3) и н-алканов С₂₅ и С₂₇ на глубине 2786.95 м.

 

Таблица 3. Геохимические параметры состава УВ битуминозных компонентов пород верхней юры Восточно-Пайдугинской скважины

Геохимический параметр	2736.1 м, марьяновская свита	2775.4 м, наунакская свита	2786.95 м, наунакская свита
Генетические параметры
П/Ф	2.4	2.4	2.6
Ni-P, нмоль/г	15	172	0
Перилен, нмоль/г	0	6	60
T26/Т25	1.4	отс.	отс.
Te24/H30	0.05	0	0
H29/H30	0.63	0.71	0.51
Н31/Н (31+…35)	0.79	0.60	0.68
G/H31	0.03	0	0.05
Параметры термического преобразования
Rc	0.53	0.51	0.49
H32 (S/R)	0.99	0.84	0.69
Симонеллит	0	0.55	0.25
TAS/MAS	0.74	0.00	0.19
Ts/Tm	0.42	0.27	0.07
Н27β	0	0.03	0.04
Сквален	1.13	0.02	0.03
CPI	1.14	1.18	2.71

 

С увеличением степени термической преобразованности ОВ отмечается возрастание расчетной отражательной способности витринита (Rc), соотношение изомеров С₂₇ трисноргопанов (Ts/Tm), отношение три- к моноароматическим стеранам (TAS/MAS), коэффициент нечетности (CPI) стремится к единице. В зрелом ОВ величина отношения S/R изомеров гопанов С₃₂ – H32 (S/R) больше единицы, отсутствуют биологические (β) изомеры гопанов, нафтеноароматические трициклические структуры (симонeллит) и сквален. Значения всех этих отношений для битуминозных компонентов пород Верхней юры из скв. Восточно-Пайдугинская приведены в табл. 3.

Практически все параметры, за исключением сквалена, показывают бо́льшую преобразованность ОВ марьяновской свиты по сравнению с наунакской, что может быть следствием лучших каталитических свойств пород марьяновской свиты. В то же время низкие величины Rc, отвечающие стадии катагенеза ПК₃/МК₁, и состав гопанов (Ts/Tm и S/R) свидетельствуют о незрелом ОВ всего разреза верхней юры, а отсутствие симонеллита в марьяновской свите может быть обусловлено отсутствием соответствующих биопродуцентов в бассейне седиментации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Органическое вещество по всему исследованному разрезу отлагалось в окислительных условиях согласно величине отношения пристана к фитану (П/Ф). Наличие перилена в осадках наунакской свиты свидетельствует о неглубоком бассейне, наличие никелевых порфиринов – об отсутствии в бассейне сероводородного заражения. Величина T26/Т25 в ОВ марьяновской свиты соответствует озерным условиям осадконакопления, наличие невысоких концентраций гаммацерана (G/H31) в марьяновской свите и низах наунакской указывают на слабосоленые воды, а довольно высокое относительное содержание гопана С₃₁ – на возможное участие угольных включений в исследованных породах. Об участии высших растений в формировании состава ОВ пород наунакской свиты свидетельствуют высокие концентрации кадалена, ретена, наличие симонеллита и н-алканов С₂₅ и С₂₇.

Совокупность данных о составе ОВ пород верхней юры скважины Восточно-Пайдугинская свидетельствует о его низкой термической зрелости и малой перспективности нефтегазопроявлений этого участка разреза.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках Государственного задания ИХН СО РАН, финансируемого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

N. A. Krasnoyarova

Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: natalex@ipc.tsc.ru
Russian Federation, Tomsk

O. V. Serebrennikova

Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: ovs49@yahoo.com
Russian Federation, Tomsk

P. B. Kadychagov

Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: pkad@ipc.tsc.ru
Russian Federation, Tomsk

References

Supplementary files