Отражательная способность витринита



Предыдущая | Следующая

Содержание

Отражательная способность витринита. Использование отражательной способности витринита для определения степени зрелости органического вещества глинистых и карбонатных отложений было впервые описано М. Тейхмюллер в ее работе по бассейну Вальден [593]. Тейхмюллер исследовала связь между степенью изменения углей и нефтеносностью, которая раньше была охарактеризована Уайтом в соответствии с теорией углеродного коэффициента, о которой упоминалось ранее. В бассейне Вальден месторождения нефти приурочены к отложениям, содержащим каменные угли с низким и средним выходом летучих компонентов. Тейхмюллер использовала отражательную способность угольного мацерала витринита для измерения степени углефикации углей. В тех отложениях, где каменные угли отсутствуют, например на северо-западе ФРГ, она измеряла отражательную способность по небольшим включениям витринита, которые часто встречаются в карбонатных и глинистых отложениях. Тейхмюллер с успехом использовала эту методику для районирования нефтеносных районов, не обладающих залежами угля. Позднее, в детальной работе [594], посвященной исследованию процесса углефикации в скважине Мюнстерланд I, пробуренной до глубины 5956 м, Тейхмюллер

Рис. 7-36. Изменение отражательной способности витринита в воздухе Ra с глубиной погружения отложений Донецкого бассейна, СССР (по Аммосову и Тан Сюи [141).

Значения отражательной способности витринита, не превышающие 74 уел. ед., свойственны материнским пластам, с которыми связаны крупные месторождения нефти, значения до 90 уел. ед.— пластам, с которыми связаны небольшие залежи нефти и газа, а значения выше 90 уел. ед.— пластам, генерирующим сухой газ, или «пустым» отложениям. Нижняя граница распространения нефти находится в диапазоне значений отражательной способности витринита, эквивалентной переходу от каменных уt-лей с высоким выходом летучих компонентов к каменным углям со средним выходом летучих компонентов.

 

использовала отражательную способность включений витринита в глинах для определения степени углефикации более глубоких горизонтов, не содержащих каменных углей.

В 1961 г. Аммосов и Тан Сюи [14] опубликовали работу, посвященную детальному исследованию взаимосвязи между степенью измененности углей, отражательной способностью витринита и распределением нефти и газа. Они установили, что угли редко встречаются в нефтегазоносных отложениях, и поэтому определяли стадии изменения осадочных пород по отражательной способности частиц витринита, содержащихся в них. Исследования Аммосова и Тан Сюи охватывали Предкавказье, Волго-Уральскую область, северный Донбасс, Кузнецкий и Иркутский бассейны (СССР). На рис. 7-36 показан график (полулогарифмический) изменения отражательной способности витринита с глубиной погружения для Донецкого бассейна. При его построении было использовано несколько стратиграфических разрезов общей мощностью около 11 км. Аммосов и Тан Сюи пришли к выводу, что скопления нефти могут находиться в отложениях, содержащих витринит, отражательная способность которого достигает ~74 уел. ед. (Ra ■ 10). Конденсат может встречаться глубже, до значений 10Ra = 90 уел. ед.; при более высоких значениях 10 Ra в отложениях может быть встречен только сухой газ. Наклон линии на рис. 7-36 соответствует самому низкому геотермическому градиенту. Здесь переход от нефтяной зоны к газовой или «пустой» зоне наблюдается на глубине около 7 км; в районе с высоким геотермическим градиентом он может иметь место на глубине всего 2 км. Значение работы Аммосова и Тан Сюи заключается в том, что они применили отражательную способность витринита для определения границ распространения нефти в нескольких нефтеносных бассейнах. Определенная ими нижняя граница возможного распространения нефти в Донецком бассейне находится на глубине около 6400 м и соответствует зоне исчезновения нефтяной фазы на диаграмме Лэндса [369] для геотермического градиента около 2,2°С/100 м.

Витринит является наиболее распространенным мацералом каменных углей. Витринит включает телинит — вещество стенок клеток наземных растений и коллинит — вещество, заполняющее полости клеток. Отражательная способность и темпы созревания субмацералов практически одинаковы. Отражение света Полированной поверхностью витринита увеличивается в ходе его Созревания вследствие перестройки молекулярной структуры ?дацерала. Витринит состоит из скоплений (clusters) конденсированных ароматических колец, связанных цепями и расположенных друг над другом. В ходе созревания возникают более крупные конденсированные ароматические структуры, подобные представленным на рис. 7-28. В конце концов они образуют слои конденсированных колец с упорядоченным взаимным расположением. Увеличение размера этих слоев и упорядочение их ориентировки приводят к увеличению отражательной способности витринита. Конденсация колец приводит также к высвобождению водорода, который участвует в образовании метана.

Необратимые химические реакции, скорость которых увеличивается экспоненциально росту температуры, приводят к изменениям в молекулярной структуре витринита. Следовательно, отражательная способность, которая характеризует изменения, происходящие в ходе созревания витринита, будет увеличиваться экспоненциально при линейном росте температуры.

Тинг [604] продемонстрировал эту взаимосвязь с помощью лабораторного эксперимента; он держал частички древесного бурого угля при температуре 100°С и давлении 1000 атм в течение семи дней, после чего производил замер отражательной способности витринита. Эксперимент повторялся при температурах 200, 300 и 400°С. Его результаты представлены на

рис. 7-37. Экспоненциальное увеличение отражательной способности при линейном повышении температуры показано на этом полулогарифмическом графике в виде прямой линии.

Измерения отражательной способности следует проводить только по витриниту, поскольку созревание других мацералов, так же как и спор, проходит иными темпами. На рис. 7-38 представлены графики изменения отражательной способности трех

Рис. 7-39. Гистограмма отражательной способности частиц витринита в одном образце породы.

основных мацералов углей в ходе созревания. При содержании в мацералах 88 % углерода отражательная способность варьирует от 0,55 % для лейптинита до 1,7 % для инертинита. Кроме того, существует максимальная и минимальная отражательная способность витринита, различия между ними наибольшие на высоких уровнях зрелости, где отмечается наивысшая анизотропия. Созревание большинства материнских пород происходит в диапазоне, значений R0 от 0,2 до 2%. Обычно при определении отражательной способности используется среднее статистическое значение 50—100 замеров. Такое среднее значение

обозначается символом R0 или R°P. Если определяются максимальные или минимальные значения отражательной способности, ОНИ СООТВеТСТВеННО обозначаются Rmax и Rmin.

Методика определения отражательной способности, рассматриваемая также в гл. 10, включает в первую очередь выделение концентратов органического вещества посредством удаления минеральной части соляной и плавиковой кислотами. Органическое вещество высушивается при отрицательных температурах, укрепляется эпоксидной смолой и полируется; R0 определяется с помощью углепетрографического микроскопа, оборудованного иммерсионными объективами. На одном образце производится от 5 до 100 замеров, на основе которых строятся гистограммы, аналогичные гистограмме, представленной на рис. 7-39. -Эта гистограмма характеризуется двухвершинным (бимодальным) распределением с вершинами, соответствую-

щими значениям R° = 0,8 и 1,6%. Вершина, соответствующая более высоким значениям отражательной способности, характеризует переотложенный витринит, а менее высоким значениям — первичный витринит.

Сопоставление значений отражательной способности с другими показателями степени зрелости и с распределением по разрезу скоплений нефти и газа позволило установить значения R0, соответствующие границам нефте- и газообразования. Наиболее низкое значение отражательной способности, отвечающее генерации, нефти, составляет 0,45%, a R° = 0,6% считается соответствующей началу образования промышленных залежей нефти. Максимум генерации нефти происходит на уровне зрелости органического вещества, соответствующем R0 — 0,8ч-1,0 %, а на более высоких уровнях вместе с увеличением значения отражательной способности происходит быстрое увеличение газового фактора. Конец генерации нефти происходит примерно при R° = l,3°/o, конденсата — при R° = 2% и метана при R0 = 3,5 % [165]. На настоящее время не отмечено ни одной залежи метана, для которой величина отражательной способности витринита в смежных с коллекторами породах превышала бы 3,5 %.

Отражательная способность витринита указывает только на уровень зрелости исследуемого образца. Ее нельзя использовать-для прогнозирования присутствия залежей нефти и газа, так как нефть и газ часто мигрируют по проницаемым пластам или по системам трещин и разломов в вышележащие резервуары, породы которых характеризуются' более низким уровнем зрелости. Этим объясняется обнаружение залежей нефти в северо-западной части ФРГ, Западной Сибири, в Волго-Уральской области и южной Флориде в отложениях, отражательная способность витринита которых (0,3%) слишком мала даже для начала образования нефти. Нижняя граница распространения нефти и газа устанавливается более четко, так как миграция сверху вниз происходит весьма редко. Нижняя граница распространения крупных залежей нефти примерно соответствует значению R°=l,3%. Крупным залежам газа соответствует интервал значений отражательной способности витринита 1,3—3%.

Витринит в шламе встречается в 80—90 % случаев. Красные глины, переслаивающиеся красные и зеленые глины и отложения в зонах несогласий, выходящих на поверхность, содержат окисленный витринит, характеризующийся аномальными значениями отражательной способности, часто в широком диапазоне. Горючие сланцы и карбонатные породы содержат только аморфный кероген, например горючие сланцы формаций Грин-Ривер и Бэккен, Канада, содержат слишком мало витринита, чтобы по нему можно было производить точную оценку

Рис. 7-40. Гистограммы отражательной способности витринита двух образцов из бассейна залива Кука, Аляска (по Худу и Кастаньо t2831).

А^ —число замеров; X — среднее арифметическое максимума отражательной способности в масле.

отражательной способности. Породы досилурийского возраста не содержат витринита; замеры отражательной способности для отложений силурийского и раннедевонского возраста можно производить по веществу стенок клеток (телиниту).

Отмечается тенденция к расширению гистограмм отражательной способности витринита по мере увеличения степени зрелости органического вещества. Расширение начинается примерно при R°=l% и становится очень заметным, когда R0выше 2 и 3%. Оно отмечается и на низких стадиях изменения органического вещества, но более типично для высших стадий. На рис. 7-40 представлены гистограммы отражательной способности витринита из скважины, пробуренной в бассейне залива Кука на Аляске. Для эоценовой гистограммы средний максимум значений R° = 0,64 %. Образец верхнемелового возраста характеризуется двухвершинностью, его гистограмма широкая, без явно выраженного среднего значения R0. Он представлен батиальной глиной из разреза турбидитов, которая, очевидно, была окислена и переотложена.

Созревание витринита происходит под воздействием температуры, но не давления. Графики изменения среднего значения отражательной способности с глубиной, построенные с исполь-

Рис. 7-41. График изменения R0 витринита (миоцен, скважина, пробуренная в Мексиканском заливе, Техас) (по Доу [165]).

зованием логарифмической шкалы R0, представляют собой прямую линию, например левый график на рис. 7-41 [165]. При непрерывном осадконакоплении эта линия пересечет линию поверхности примерно при значении R° = 0,2%. Витринит на ранней стадии преобразования может иметь неровную поверхность и быть желеобразным или коллоидальным. Наименьшие значения отражательной способности, поддающиеся измерению, составляют 0,18—0,2%. Хорошие гистограммы получаются для глубин, на которых R° = 0,3%. На диаграммах угол наклона линии изменения отражательной способности с глубиной зависит от величины палеогеотермического градиента и темпа осадконакопления. Изменение какого-либо из этих параметров влечет за собой изменение угла наклона прямой. Переотложен-ный витринит созревает медленнее, чем первичный, поэтому угол наклона прямой, соответствующей переотложенному витриниту, более крутой. Переотложенный витринит встречается весьма часто [165]. Экстраполяция линии изменения отражательной способности переотложенного витринита на поверхность позволяет определить уровень зрелости, достигнутой витринитом перед его вторичным отложением. Так, например, переотложен-ный витринит на рис. 7-41 перед вторичным отложением достиг уровня зрелости, соответствующего R° = 0,5%. Подобная информация может представлять определенный интерес при установлении источника сноса осадочного материала, содержащего переотложенный витринит.

На геологических разрезах интервалы нефте- и газоматеринских пород могут быть установлены на основании данных об отражательной способности витринита. Например, на рис. 7-41 значение R° = 0,6% соответствует началу основной генерации нефти на глубине 2650 м. Значение R°=l,35%, отвечающее концу генерации нефти, соответствует глубине около 4200 м. Таким образом, интервал 2650—4200 м соответствует зоне основной генерации нефти (главной зоне нефтеобразования.— Ред.) в данной скважине. Следует, конечно, иметь в виду, что отражательная способность витринита представляет собой лишь показатель степени зрелости. Для определения способности органического вещества, содержащегося в пройденных скважиной отложениях, генерировать нефть или газ необходимы другие геохимические данные. Линия изменения отражательной способности первичного витринита на рис. 7-41 также говорит о непрерывности седиментации для данного интервала глубин; в ином случае должен отмечаться резкий изгиб и сдвиг в сторону.

Доу [166] построил ряд графиков изменения отражательной способности витринита с глубиной для меловых—плейстоценовых отложений луизианской части бассейна Мексиканского залива по данным 12 скважин, используя для каждого профиля по две скважины (рис. 7-42). Все скважины характеризуются одинаковым геотермическим градиентом (2,5°С/100 м). Начало генерации нефти (R° = 0,6%) здесь приходится на глубину ~5580 м (164°С) в плиоценовых отложениях, в олигоценовых отложениях на глубину ~3600 м (113°С) и в меловых отложениях на глубину 2470 м (84°С). Для достижения одинаковой степени зрелости молодые отложения должны быть нагреты до более высоких температур, чем более древние. Разные углы наклона прямых на рис. 7-42 объясняются разной длительностью погружения отложений. Увеличение геотермического градиента приводит к уменьшению глубины, на которой начинается нефтеобразование (R° = 0,6%), и наоборот. На рис. 7-43 показан схематический разрез луизианской части бассейна Мексиканского залива, на котором отмечается примерное положение уровней зрелости органического вещества, соответствующих значениям отражательной способности 0,6 и 1,35%, отвечаю-

Рис. 7-42. Графики изменения R° витринита в отложениях мелового, плиоценового и плейстоценового возраста бассейна Мексиканского залива, Луизиана (по Доу [166]).

Расположение скважин, в которых производился отбор образцов, представлено на рис. 7-43. Заштрихованный участок — зона образования нефти.

щим началу и концу генерации нефти. Генерация газа здесь может происходить до глубин около 9150" м в нижнемиоценовых отложениях. На рис. 7-43 также видно, что зона нефтеобразо-вания (диапазон R° = 0,6-^- 1,35 %) в более молодых отложениях увеличивается по мощности и погружается.

Значительная часть добычи нефти на луизианском побережье Мексиканского залива производится из термически незрелых проградационных шельфовых песков, перекрывающих зрелые глинистые породы материкового склона. Вероятно, нефть мигрировала вверх по плоскостям напластования в коллекторы; однако некоторые геологи считают, что здесь также имела место интенсивная вертикальная миграция по глубинным разломам и системам трещин, связанным с солянокупольными структурами. Только вертикальной миграцией можно объяснить образование залежей нефти в плейстоценовых отложениях этого района. Газ залежей в плейстоценовых отложениях имеет либо биогенное происхождение, либо мигрировал из более глу-бокозалегающих плиоценовых и миоценовых материнских отложений. Янг и др. [675] на основе расчета возраста углеводоро-

Рис. 7-43. Меридиональный геологический разрез луизианской части бассейна Мексиканского залива (по Доу [166]).

Показана зона генерации нефти. Ro = o,6 соответствует верхней границе зоны генерации нефти, Ro = 1,35 — нижней границе.

дов нефтей района Мексиканского залива пришли к заключению, что в этом районе главную роль в формировании залежей играла вертикальная миграция нефти.

С помощью отражательной способности витринита можно выделить лишь зону катагенеза, в пределах которой под воз-

Рис. 7-44. График изменения отражательной способности витринита с глубиной по скважине в Индонезии (по Доу [165]).

Показано влияние регионального размыва на созревание керогена. Погружение отложений в мезозое происходило медленнее, чем в кайнозое..

действием температуры образуются нефть и газ, но не местонахождение их залежей. Кроме того, отражательная способность не может быть использована для объяснения генезиса углеводородов биогенного происхождения, которые могут образоваться в неглубокозалегающих незрелых отложениях.

Хотя графики изменения отражательной способности витринита используют в основном для выделения зон нефте- и газообразования, их можно применить также для изучения особенностей осадконакопления и тектонической истории бассейнов. Например, на рис. 7-44 [165] представлен график изменения отражательной способности витринита в зоне стратиграфического несогласия. Экстраполяция линии отражательной способности витринита в мезозойских отложениях до пересечения с вертикальной линией, проходящей через точку пересечения линии отражательной способности в кайнозойских отложениях с поверхностью несогласия, позволяет установить, что около

Рис. 7-45. График изменения отражательной способности витринита с глубиной по скважине бассейна Делавэр, Техас (по Доу [165]).

Показано влияние магматической интрузии на характер изменения R°. Кероген на контакте с интрузией превращен в графит.

500 м разреза на границе мезозойских и кайнозойских отложений было размыто. Степень зрелости витринита на поверхности мезозойских отложений в начале кайнозойской седиментации соответствовала R° = 0,32 % (0,94 % —0,62 %)• Различные углы наклона линий отражательной способности указывают либо на разные темпы седиментации, либо на разную тепловую историю (геотермические градиенты) в мезозое и кайнозое. Доу [165] полагает, что в данном случае причиной является более медленная седиментация (более длительный период воздействия температуры) в мезозое.

Влияние интрузий, как показано на рис. 7-45, сказывается в значительном повышении отражательной способности витринита благодаря высоким температурам. В зоне контактового метаморфизма нередки значения R°>3 %. Доу [165] считает, что влияние интрузивного тела на созревание органического вещества вмещающих пород распространяется на расстояние, примерно вдвое превышающее его диаметр, причем в апикальной части оно несколько больше. Фактическое расстояние зависит от температуры интрузии и теплопроводности вмещающих

Рис. 7-46. График изменения отражательной способности витринита по скважине в бассейне Паудер-Ривер, Вайоминг.

Показано влияние изменения геотермического градиента в зоне аномально-высокого давления.

ее пород. Экстраполяция линии отражательной способности витринита на рис. 7-45 позволяет установить, что величина R0на поверхности составляет 0,48 % вместо обычных 0,2 %; это, вероятно, указывает на то, что верхние 2000 м разреза были размыты после того, как погружение пород в бассейне достигло своего максимума.

Более высокий геотермический градиент в пределах небольших интервалов глубин способствует ускорению темпов созревания. На рис. 7-46 показано изменение геотермического градиента в зоне высокой температуры и давления. Изменение угла наклона линии R0 указывает на начало генерации нефти на глубине '--'3050 м. Если бы начальный геотермический градиент 2,3°С/100 м сохранился и на больших глубинах, где давление повышено, генерация нефти началась бы лишь на глубине ~4270 м. Этот пример иллюстрирует важную роль повышения геотермического градиента в более глубокой части разреза, способствующего более ранней генерации нефти.

Созревание витринита — это необратимый термохимический процесс: значение R0 витринита не может уменьшаться. Если график изменения R0 витринита с глубиной погружения отложений характеризуется переломом, как на рис. 7-46, то этот перелом неизменно свидетельствует о существовании высокотемпературной зоны высокого давления. Например, в краевой части бассейна Паудер-Ривер также отмечается аналогичный перелом линии R0 на глубине — 2100 м, причем современные доказательства наличия высокотемпературной зоны высокого давления отсутствуют. Этот перелом указывает на существование в прошлом зоны высокого давления в этой части бассейна.

Содержание