Методы численной оценки отражательной способности витринита

Развитие численных методов оценки степени созревания ОВ имеет прямую связь с проблемой относительной роли температуры и времени в процессе созревания ОВ осадочных пород, которая долгое время была предметом дискуссии в литературе (см., например, Лопатин, 1971; Waples, 1980; 1985; Durand et al., 1986; Barker 1988;1993; и др.). Многие геологи и сейчас придерживаются мнения, что только температура определяет степень катагенеза ОВ осадочных пород бассейна. Формулы (1) – (9) в разделе 7.3 для оценки максимальных температур пород в истории их погружения, являются отражением такого взгляда на кинетику созревания ОВ в бассейнах. В экспериментальном и теоретическом планах впервые совместная роль температуры и времени была продемонстрирована в шестидесятые годы прошлого века в работах немецких геохимиков П. Ханбабы, Х. Юнгтена, В. Петерса, М. Тейчмюллера и других (Jungten, 1964; Hanbaba et al., 1968; Van Heek et al., 1971 и др.). В этих экспериментальных работах по пиролизу образцов рейнских углей процесс углефикации описывался эффективной кинетической реакцией Аррениуса первого порядка со скоростью реакции, зависящей от температуры T(t) в данный момент времени t:

Ki(t) = A_i exp (-Ei / R T(t)) (7-14)

Концентрация i-ой компоненты ОВ тогда уменьшается со временем согласно уравнению Аррениуса:

dX_i(t)/dt = - Ki(t)× X_i(t) (7-15)

Из уравнения (7-15) следует, что количество ОВ, термически преобразованного к моменту времени t, Сi(t) = X_io – Xi(t) определяется исходной концентрацией i-ой компоненты ОВ, X_io, температурной историей образца T(t) в (7-14) и временем через уравнение:

C_i(t) = X_io×{ 1. – exp[ - ò_to^t K_i (t')×dt') ] } (7-16)

В ходе математической обработки результатов эксперимента исследователи определяли параметры кинетических реакций (частотный фактор А, исxодный потенциал реакций X_i0 и энергию активации реакции E_i), которые позволяли рассчитывать выход реакций по заданной температурно-временной истории T(t) образца пород по формулам (7-14) и (7-16).

Экспериментальный пиролиз продемонстрировал, что и процесс созревания витринита определяется не только температурой, но и длительностью пребывания пород при такой температуре. Поэтому при использовании Ro% в качестве контролирующего фактора в моделировании необходимы с одной стороны надёжные реконструкции палеотемпературных условий осадочной толщи в процессе погружения бассейна, а с другой качественные физические модели, описывающие процесс созревания витринита с температурой и временем. Расчётные значения Ro, подлежащие сравнению с измеренными величинами, получаются с использованием температурной истории погружающегося образца, определённой в ходе численной реконструкции термической истории бассейна в рамках системы моделирования бассейнов, описанной выше. Значения Ro% при этом получаются либо с использованием кинетических моделей созревания витринита, основанных на данных изучения этого процесса в лабораториях (Tissot and Espitalie, 1975; Tissot et al. 1987; Burnham and Sweeney 1989, Sweeney and Burnham 1990), либо косвенно путём вычисления температурно-временного индекса ТВИ (TTI; Лопатин, 1971; Waples, 1980; 1985). В современных системах моделирования бассейнов отдают предпочтение первому методу, как более надежному и обоснованному. Однако, оценки значений Ro% путём вычисления температурно-временных индексов пород до сих пор остаются популярными в качестве относительно простого, хотя и грубого, метода описания температурно-временной истории преобразования ОВ в осадочных бассейнах. Поэтому рассмотрение численных методов оценки уровня зрелости ОВ пород мы начинаем с описания ТВИ-метода.

 

7.5.1 Температурно-Временной Индекс (ТВИ - TTI)

Николай Викторович Лопатин первым применил химико-кинетический подход к анализу процессов генерации нефти органическим веществом осадочных бассейнов. Он предположил, что процесс созревания ОВ или углефикации, можно приближенно описать одной эффективной реакцией, скорость которой удваивается всякий раз при возрастании температуры на 10°C. На основании этого он сформулировал относительно простой метод оценки степени созревания ОВ, учитывающий не только температуру, но и время пребывания образца при этой температуре. Этот метод основан на вычислении температурно-временного индекса породы (ТВИ) по заданной температурно-временной истории образца. Индекс ТВИ, характеризующий степень реализации реакции созревания ОВ породы, вычисляется для известной температурной истории погружения образца материнской породы по формуле:

(7-17)

Здесь to - время отложения породы на поверxности, t₁ - текущее время, Т(t) - температура породы как функция времени, t, и

F(T) = n - 10 для 10×n £ T(°C) £ 10×(n+1) (7-18)

Тогда формулу для вычисления индекса ТВИ можно записать также в виде:

(7-19)

где [T(t)/10] есть целая часть выражения в скобках. Чтобы индекс ТВИ, вычисленный по формуле (7-19), можно было использовать для оценки степени созревания ОВ, необходимо установить корреляцию рассчитанных значений ТВИ со значениями отражательной способности витринита. В принципе, существование такой корреляции подтверждается тем фактом, что процесс созревания ОВ в осадках определяется не только температурой осадочных пород, но и временем выдержки этих пород в условиях значительных температур (Лопатин, 1971). Первоначальный вариант корреляционной зависимости отражательной способности Ro% и значений индекса ТВИ, предложенный Лопатиным (Лопатин 1971), был уточнён Дугласом Вэплсом (Waples 1980, 1985), который использовал анализ измерений отражательной способности витринита Ro% в образцаx кернов более чем трёxсот скважин из тридцати наиболее известныx нефтегазоносныx бассейнов мира (табл. 1-7). Температурно-временной индекс вычислялся им исходя из реальной истории погружения нефтематеринскиx пород, при этом современный геотермический градиент, измеренный в скважинах, распространялся на всю историю развития бассейна. Считалось, что ошибки, неизбежно вносимые таким предположением, должны нивелироваться при статистическом осреднении по большому числу бассейнов. Однако, это же явилось причиной заметных разбросов в значениях ТВИ, отвечающих одному Ro%. При использовании корреляционной кривой Ro (ТВИ) из (Waples 1980, 1985) возможны ошибки, возникающие от различия в тектонической, а значит, и термической истории погружающихся пластов. Как отмечает сам автор (Waples, 1985), желательно уточнять корреляционную кривую для каждого региона и бассейна на базе собственных измерений Ro% и численных оценок ТВИ. К сожалению, такая возможность существует не всегда, и это явилось одной из причин, почему статистически осреднённая корреляционная зависимость Ro% - ТВИ, полученная в 1980 году Вэплсом (Waples 1980, 1985) на основе температурно-временного индекса ТВИ Лопатина (Лопатин, 1971) оказалась очень популярной среди исследователей проблем нефтегазоносности бассейнов, несмотря на свой приближенный характер. Как показано в работе (Кalkreuth, McMechan 1984), корреляционная зависимость Ro – ТВИ из (Waples, 1980, 1985) с точностью не менее 5% может быть аппроксимирована формулой:

Lg₁₀(Ro%) = - 0.4769 + 0.2801×Lg₁₀ (ТВИ) - 0.007472×[Lg₁₀ (ТВИ)]² (7-20)

Соответствие значений Ro% и ТВИ определённым степеням созревания ОВ показано также в табл.1-7, где иллюстрируется общее соотношение %Ro – ТВИ. В принципе значения ТВИ в табл. 1-7 должны быть исправлены на эффект уплотнения осадочных пород (Dykstra 1987), который не учитывался в реконструкциях, использованных Вэплсом (Waples, 1980, 1985) при построении его корреляционной кривой. Cкорректированные значения ТВИ соответствовали меньшим амплитудам отражательной способности витринита (на 5-10%), а значит и более низкому уровню созревания ОВ, чем следует из корреляционной кривой (7-20) (Waples 1980; Кalkreuth, McMechan 1984).

 

7.5.2 Относительная роль температуры и времени в эволюции катагенеза ОВ осадков

Следует отметить, что после опубликования работ немецких, русских и американских геохимиков, посвящённых кинетике созревания ОВ осадочных пород многие исследователи стали включать время (наряду с температурой) в выражения для оценки степени созревания ОВ пород. К числу таких исследований можно отнести работу Бунтебарча (1978), в которой отражательная способность витринита %Ro связывалась со средним (по времени и глубине погружения образца породы) значением градиента температуры dT/dZ и историей погружения образца породы Z(t) (Buntebarth and Middleton, 1986):

Ro² = 0.00116×EXP [ 0.068×(dT/dZ) ]× Z(t’)×dt’ (7-21),

Можно отметить также и формулу для расчёта Ro в работе (Morrow and Issler, 1993), в которой по аналогии с (7-19) участвует температурно-временная история T(t) образца породы, погружавшегося в бассейне:

Ro^5.5 = (0.2%)^5.5 + 2.8´10^-6 × EXP[0.065×T(t’)]×dt’ (7-22)

и другие близкие им формулы для оценки значений Ro в упрощённых условиях погружения породы. И всё же формула (7-14) для оценки Ro через вычисление индекса ТВИ оставалась более популярной, чем формулы типа (7-16, 7-17), в силу большей универсальности и установления корреляционной связи ТВИ со значениями Ro, измеренными в большом числе бассейнов (Waples, 1980; 1985). И только с появлением кинетических моделей созревания витринита с параметрами, определёнными в ходе экспериментального пиролиза, популярность метода оценки Ro по значениям ТВИ начала снижаться.

И всё же, несмотря на погрешности в численных оценках значений Ro%, о которых мы будем говорить ниже, относительно простая структура формул (7-17) – (7-19) для расчёта индекса ТВИ позволяет использовать их для обоснования ряда важных выводов относительно изменения уровня созревания ОВ в процессе его погружения с материнскими породами. Так, из (7-18), (7-19) следует, что при поддержании неизменной температуры пород в течение времени Dt, дополнительное преобразование ОВ за этот период будет характеризоваться следующим приращением индекса ТВИ:

DТВИ = 2^(n-10)× Dt (7-23)

где n определяется как целая часть отношения (Т/10), Т - температура пород в °C и Dt - интервал времени в млн. лет. Это выражение оказывается особенно полезным при анализе относительной роли температуры и времени в процессе созревания ОВ. Из него следует, что если в истории погружения слоя температура его пород не превосходила 50°C, то температурно-временной индекс породы не может превышать значения ТВИ= Dt (млн.лет) / 64. Тем самым, ОВ породы не достигает стадии начала ГЗН (табл.7-1) даже по прошествии 600 млн. лет и достигнет её только по прошествии 1000-1500 млн. лет. Следовательно, при низких температурах требуется большое по геологическим масштабам время, чтобы ОВ достигло заметного уровня зрелости, поэтому здесь роль фактора времени в созревании ОВ частично завуалирована. При высокиx температураx, Т > 130°C, значение индекса ТВИ будет превышать 16×Dt (млн.лет). В этом случае, например при Т=140°C (n = 14) ОВ пород достигает стадии начала ГЗН (то есть значений ТВИ = 7- 20) уже через время Dt= 0.4 - 1 млн. лет и фактор времени в процессе созревания ОВ становиться явным и не менее важным, чем температурный.

Следующей геологической ситуацией, которую также удобно анализировать с помощью корреляционного соотношения Ro-ТВИ, является погружение породы в бассейне с неизменным градиентом температуры по глубине в течение некоторого интервала времени t₀ £ t £- t₁. В этом случае температура породы, погружающейся с постоянной скоростью V при постоянном градиенте температуры dT / dz = g, меняется по времени как T(t) = To + g×V×(t-t₀). Тогда из (7-18, 7-19) получаем:

(7-24)

где t - текущее время в млн. лет, t₀ - время отложения слоя на поверxности, To – температура на поверхности бассейна, а=V×g, V - скорость погружения (км/млн. лет), g - градиент температуры (°C/км). В качестве примера можно рассмотреть краевое плато бассейна Гуаймос, расположенное, в пределаx высокотемпературной зоны Калифорнийского залива (рис. 7-1). В этом районе при средней скорости осадконакопления V=0.8 км/млн.лет поддерживается высокий градиент температуры g=96 °C/км (Скважина DSDP 279, Lonsdail 1983; Einsele, 1985$ 1986). В таких условиях, согласно (7-24), стадия созревания ОВ, отвечающая началу ГЗН (ТВИ = 7-13, табл.1-7), достигается через 1.9 млн.лет. Если учесть воздействие гидротермального потока в окрестности интрузивных тел, то температуры осадочных пород могут вырасти до 200 –300°С, что характерно для нижних горизонтов южного трога Калифорнийского залива. Тогда, в согласии с (7-23), времена достижения стадии созревания начала ГЗН могут сокращаться до несколько тысяч лет. Такая оценка подтверждается прямыми исследованиями проб осадочного чехла Калифорнийского залива (Lonsdale, 1985). Основная часть углеводородов в осадкаx этого района представлена биогенными газами, однако воды, выносимые высокотемпературными гидротермами к поверхности моря, содержат следы продуктов термического крекинга - нефтей голоценового возраста. Ниже, в главе 11 мы увидим, что соотношения (7-23; 7-24) оказываются полезными также и для оценки роли эрозии в формировании скачков в распределении зрелости ОВ с глубиной (Ro% (z)).

 

7.5.3 Кинетические модели созревания витринита

Несмотря на очевидное преимущество, связанное с простотой трактовки температурно-временной истории созревания ОВ осадков, метод ТВИ оказывается слишком грубым в количественных оценках степени катагенеза ОВ осадочных бассейнов. Он приводит к заметным ошибкам при больших и малых скоростях осадконакопления, при низко- и высокотемпературном режимах погружения осадков (Ungerer, 1990; Ungerer et al.,1990; Morrow and Issler, 1993; Welte et al., 1997). В последние 15-20 лет большое развитие получили лабораторные методы изучения (пиролиз) образцов материнских пород с различным типом ОВ в ходе открытого или замкнутого пиролиза (глава 8). Вместе с кинетическими моделями термического преобразования керогенов различного типа эти исследования позволили создать также и адекватные кинетические модели, описывающие непосредственно процесс термического созревания витринита.

Первая кинетическая модель созревания витринита была предложена Тиссо и Эспиталие в 1975 году (Tissot and Espitalie 1975). Она была основана на корреляционной связи кинетического коэффициента преобразования керогена типа III и отражательной способности витринита. Kоэффициент преобразования керогена оределялся в обычной трактовке, рассмотренной ниже. В модели Тиссо и Эспиталие дно зоны генерации жидких углеводородов (Ro = 1.3%) соответствовало примерно 50% - ой степени преобразования этого типа керогена. Их кинетическая модель была существенно уточнена в работах (Tissot et al. 1987; Burnham and Sweeney, 1989; Sweeney and Burnham, 1990) на основе детального анализа параметров xимическиx реакций, управляющиx процессами созревания витринита. На основании экспериментов по замкнутому пиролизу образцов витринита, Бурнхам и Свини (Burnham and Sweeney, 1989) предложили описывать изменения отражательной способности витринита Ro 35-ю параллельными реакциями, отвечающими за процессы выделения воды, двуокиси углерода CO₂, метана и более тяжёлых УВ (система VITRIMAT). В работе (Sweeney and Burnham 1990) авторы показали, что в хорошем приближении система VITRIMAT может быть заменена системой EASY%Ro, в которой изменение %Ro описывается системой из 20-ти параллельных реакций первого порядка Аррениуса со скоростями, описываемыми уравнениями типа (7-14) с одним для всех реакций значением частотного фактора А, но различными исxодными потенциалами реакций X_i0. Соответствующий спектр можно видеть в табл. 2-7 и на рис. 8-7 а.

Степень преобразованности витринита для спектра модели (1) в табл. 2-7 (Tr₁(t)) вычисляется по формуле близкой к приведённой в (Tissot and Espitalie, 1975):

Tr₁(t) = å₁ⁿX_i0×{ 1. – EXP [ - ò_to^t K_i (t')×dt') ] } (7-25)

и для спектра модели 2 по формуле Tr₂(t) = Tr₁(t) / S₁ⁿ X_io = Tr₁(t) / 113. Значения отражательной способности витринита определяются тогда по значениям преобразованностей Tr₁(t) из соотношения (Sweeney and Burnham, 1990):

Ro% = EXP [-1.6 + 3.7 Tr₁(t)] (7-26)

Формула (7-26) хорошо описывает корреляционную связь TR₁ и Ro%, для модели VITRINITE 1, показанную на правом рис. 8-7 сплошной линией и полученную из анализа данных по целому ряду скважин Северного моря, Центрально-Французского и Панонского бассейнов, а также дельты Махакам (Tissot et al. 1987).

 

 

Рис. 8-7. Кинетические спектры термического преобразования витринита (левые рис.) и корреляционная связь отражательной способности витринита %Ro со степенью преобразования Tr₁(t) и Tr₂(t) (правый рис.)

Vitrinite-1 – модель (Sweeney and Burnham, 1990); Vitrinite-2 – модель Kerogen IV (Tissot et al., 1987).

 

Во второй модели, разработанной французским институтом нефти (Tissot et al.1987), витринит формально рассматривается как кероген типа IV со своим кинетическим спектром созревания из 15-ти реакций (Табл. 2-7;-рис. 8-7; модель Vitrinite-2). Корреляционная связь отражательной способности витринита со степенью преобразования Tr₂(t) показана правом на рис. 8-7 пунктирной кривой.

Так как существуют несколько моделей, в том числе и кинетических, позволяющих проводить численную оценку степени созревания ОВ бассейна при известной температурной истории его пород, то возникает проблема выбора между ними. С этой целью мы провели расчёты эволюции степени созревания ОВ ряда свит различных бассейнов (Днепрово-Донейкий, Западно-Сибирский, Алжирский, Западно-Башкирский и другие), используя разные модели численной оценки %Ro. Результаты такого сравнения иллюстрирует рис. 6-7 для погружения рифейской свиты осадочного бассейна Западного Башкортостана и карбонской и пермской свит Сребненской площади Днепрово-Донецкого бассейна. Приведённые на рис. 6-7, как и другие рассмотренные нами варианты расчётов демонстрируют

 

Табл. 2-7. Энергии активации, Ei, и исxодные потенциалы реакций, X_io, для моделей созревания витринита согласно (Sweeney, Burnham 1990 - модель VITRINITE 1) и (Tissot et al. 1987 - модель VITRINITE 2).

VITRINITE 1	VITRINITE 2
А=1×1013 1/сек	А=5.964×1014 1/сек
Ei	Xio	Ei	Xio
			2.1
			2.8
			3.5
			4.8
			9.3
			27.5
			19.2
			12.4
			8.3
			6.3
			4.9
			3.8
			3.0
			2.7
			2.4

 

довольно общую ситуацию: значения Ro%, вычисленные с кинетическим спектром VITRINITE 1 (Sweeney and Burnham, 1990) и со спектром керогена типа IV (VITRINITE 2; Espitalie et al., 1988), дают близкие друг другу значения %Rо во всех рассмотренных вариантах и во всём анализируемом интервале времени. И напротив, значения %Rо, вычисленные со спектром керогена типа III (Tissot and Espitalie, 1975) и с использованием уранений (7-17) – (7-20) через индекс ТВИ, заметно отличались от первых двух, существенно завышая оценки степени созревания ОВ (рис. 6-7). О том же свидетельствуют и данные табл. 3-7, где рассмотрено соотношение вычисленных значений эффективной отражательной способности витринита %Ro с глубинами нефтепроявлений в бассейнах Западного Башкортостана (Галушкин и др. 2004). Заметим, что зрелость ОВ рифейских пород в табл. 3-7 и на левом рис. 6-7 оценивалась по вычисленным значениям эффективного %Ro, тогда как витринит в формациях такого возраста отсутствует. Интересно, что в табл. 3-7 значения %Ro, вычисленные по моделям VITRINITE 1 и VITRINITE 2 неплохо согласуются с глубинами нефтяных проявлений в бассейнах Западного Башкортостана, а также с оценками термической зрелости ОВ по значениям стерановых коэффициентов K1 = C₂₉aaaS / (C₂₉aaaS+C₂₉aaaR) и K2 = C₂₉aaa / (bb+aa) в работе in (Хайрутдинов, Абля, 2002). Последние предполагают, что степень созревания ОВ нижне-рифейских пород Аслыкульской площади лежит в пределах зоны MK₁ (Ro» 0.55-0.70%). Конечно, этих данных не достаточно для доказательства

 

Табл. 3-7 Сравнение численных оценок эффективной отражательной способности витринита %Ro с глубинами нефтепроявлений в бассейнах Западного Башкортостана

 

площадь	Глубина(км)	Возраст свиты	%Ro ***
Ro (1)	Ro (2)	Ro (3)	Ro (4)
Арланская*	4,000-5,120	Нижний Рифей	0.660-0.756	0.620-0.714	0.826-0.933	0.995-1.558
Кипчак-ская*	3,740-4,040	Средний рифей	0.676-0.702	0.632-0.657	0.831-0.842	1.031-1.132
Аслыкуль-ская**	4.940	Нижний рифей	0.73	0.69	1.00	1.25

* Нефтяные проявления (Белоконь и др., 1996)

** Грубые оценки степени зрелости ОВ по изменениям в составе стеранов K1 = C₂₉aaaS / (C₂₉aaaS+C₂₉aaaR) и K2 = C₂₉aaa / (bb+aa) (Хайрутдинов, Абля, 2002), предполагающие нахождение ОВ в зоне MK₁ (Ro» 0.55-0.70%)

*** Вычисленные значения %Ro: Ro(1) – со спектром (Sweeney and Burnham, 1990); Ro(2) – со спектром Vitrinite IV (Espitalie et al., 1988); Ro(3) – со спектром керогена типа III (Tissot and Espitalie, 1975) и Ro(4) – с использованием вычисленных значений индекса ТВИ (формулы (7-17) – (7-20)).

 

справедливости оценок катагенеза ОВ пород докембрийского возраста по численным значениям %Ro со спектром рис. 2-7, но они указывают на предпочтительность этих оценок по сравнению с другими, рассмотренными выше.

Два примера на рис. 6-7, представляющие расчёты для свит карбона и перми Сребненской площади Днепрово-Донецкого бассейна, дают прямую возможность сравнить рассчитанные %Ro с измеренными значениями. Последние показаны на рисунке чёрными треугольниками. Аналогичные сравнения значений %Ro, вычисленные разными методами, проводились нами для Алжирских бассейнов, Талинской площади Западно-Сибирского бассейна и других осадочных разрезов мира. Во всех случаях значения Ro%, полученные с использованием кинетических моделей табл. 2-7 и рис. 5-7, были близки друг к другу и к измеренным значениям, в то время как значения Ro, вычисленные по модели (Tissot and Espitalie, 1975) и корреляционной кривой Ro% - ТВИ (формулы (7-17) – 7-20); Waples 1980,1985, Dykstra 1987) заметно отличались от первых двух во всей области Ro > 0.70% (ТВИ > 50). Различия в значенияx Ro%, могли достигать 0.3 - 0.5 % (рис. 6-7). Описание процесса преобразования ОВ одной эффективной реакцией, подобно тому, как это делается в ТВИ- методе, приводит к заметным ошибкам в количественных оценках степени катагенеза ОВ. По этой причине в системах моделирования бассейнов (и в ГАЛО, в том числе) используют для вычисления значений Ro кинетическую модель витринита, разработанную в Ламонтской лаборатории (Burnham and Sweeney, 1989; Sweeney and Burnham, 1990) или близкую к ней модель керогена типа IV из работы (Tissot et al.1987).