Геохимические методы прогноза и поисков месторождений нефти и газа


В. П. ИСАЕВ






ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗА И ПОИСКОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 553.98:550.84(075.8)
ББК 26.325:26.301я73
       И85




Рецензенты:
д-р геол.-минерал. наук А. Г. Вахромеев;
канд. геол.-минерал. наук Н. П. Пастухов





      Исаев, В. П.
И85       Геохимические методы прогноза и поисков месторождений
      нефти и газа : учебное пособие / В. П. Исаев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 196 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0847-9

      Рассмотрены структура и состав геохимического поля углеводородов, формируемого в нефтегазоносных провинциях. Освещены процессы преобразования газовых смесей в ходе латеральной и вертикальной миграции, происходящие не только механическим путем хроматографической дифференциации, но и химическими превращениями газовых смесей в соответствии с законами химической термодинамики. Представлены методы поиска нефтегазовых месторождений: газовый и битумный, гидрогеохимический, микробиологический, литогеохимический, геотермический, радиометрический.
      Для студентов и аспирантов геологических специальностей и факультетов. Может быть использовано научными сотрудниками и специалистами научных и производственных учреждений, занимающихся прогнозом, поисками и разведкой месторождений нефти и газа.

УДК 553.98:550.84(075.8)
                                         ББК 26.325:26.301я73




ISBN 978-5-9729-0847-9 © Исаев В. П., 2022
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Список сокращений.......................................5
Введение................................................6

Глава 1. ТЕОРИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ПОЛЯ....................11

Глава 2. ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ГАЗОВ В ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ.............................16

Глава 3. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОЛЯ ...........................30

Глава 4. МИГРАЦИЯ ГАЗОВ С ПОЗИЦИЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ...................................43

Глава 5. МЕТОДЫ ПРЯМОГО ПРОГНОЗА И ПОИСКОВ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА...................................52
5.1. Газовый метод.....................................52
     5.1.1. Поверхностная газовая съемка...............52
     5.1.2. Газокерновое опробование...................61
     5.1.3. Газовый каротаж скважин....................62
     5.1.4. Другие специфические газовые методы........79
5.2. Битуминологический метод..........................91
     5.2.1. Основные задачи битуминологических
           исследований при поисковых и разведочных работах на нефть и газ......................91
     5.2.2. Люминесцентно-битуминологический анализ
           и его разновидности.........................92
     5.2.3. Поверхностная битумная съемка..............94
     5.2.4. Битумный каротаж скважин...................96

Глава 6. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА.........................99
6.1. Гидрогеохимический метод..........................99
6.2. Литогеохимический метод..........................102
6.3. Микробиологический метод.........................112
6.4. Фитогеохимический метод..........................117
6.5. Радиометрический метод...........................119
6.6. Физико-химический метод..........................121
6.7. Геотермический метод.............................122


3

Глава 7. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПОИСКОВ.........................................125
7.1. Геохимические методы поисков как разновидность геологоразведочных работ................................127
7.2. Стадийность и комплексирование геохимических методов поисков нефти и газа............................135
7.3. Геохимические поисковые показатели газов и их геологическая интерпретация........................143
7.4. Структура ореолов рассеяния газов над залежами....153
7.5. Методы первичной обработки проб и результатов анализов.................................162
7.6. Графическая и математическая обработка геохимической информации.............................................166

Глава 8. ПРОГНОЗ НЕФТЕГАЗОНОСНОСТИ ПО ГЕОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ.........................170

Темы лабораторных и практических занятий...............183

Заключение.............................................184

Библиографический список ..............................188


4

Список сокращений


     АВГО - активный водогазообмен
     БР - буровой раствор
     ВНИГРИ - Всероссийский научно-исследовательский нефтяной геологоразведочный институт
     ВНИИЯГГ - Всесоюзный научно-иссследовательский институт ядерной геофизики и геохимии
     ВНК - водонефтяной контакт
     ВРГ - водорастворенный газ
     ГВК - газоводяной контакт
     ГГ - газовые гидраты
     ГЗП - газы закрытых пор
     ГНК - газонефтяной контакт
     ГПНГ - геохимические поиски нефти и газа
     Eh - окислительно-восстановительный потенциал, мВ
     ИГУ - Иркутский государственный университет
     Кзр - коэффициент зрелости газов (СН₄ / Н₂)
     Кс - коэффициент сухости газов (СН₄ / С₂-С₆)
     ЛБА - люминесцентно-битуминологический анализ
     МД - механическая дегазация
     НГБ - нефтегазоносный бассейн
     НГО - нефтегазоносная область
     НГП - нефтегазоносная провинция
     НГПГ - нефтегазопоисковая геохимия
     НГР - нефтегазоносный район
     НУВ - непредельные углеводороды
     ОВ - органическое вещество
     ОВП - окислительно-восстановительный потенциал (Eh)
     ПГХ - подземное газохранилище
     ПЖ - промывочная жидкость
     ПК - поле концентраций
     pH - отрицательный логарифм концентрации водородных ионов (щелочнокислотный показатель среды)
     ПУВ - предельные углеводороды (метан + гомологи метана)
     РОВ - рассеянное органическое вещество
     Сорг - органический углерод
     ТВД - термовакуумная дегазация
     ТДС - термодесорбция
     ТЗ - техническое задание
     ТУВ - тяжелые углеводороды (гомологи метана: С₂-С₆)
     УВ - углеводороды
     УВГ - углеводородные газы
     ХБ - хлороформенный битумоид
     ХД - химическая дегазация
     ЭПР - электронный парамагнитный резонанс
     ЯМР - ядерно-магнитный резонанс

5

                ВВЕДЕНИЕ





    Изучение потенциально перспективных на нефть и газ территорий и акваторий предусмотрено государственным стандартом (ГОСТ Р 1.5-92. М., 2000) и последовательно проводится следующими этапами и стадиями:
    -      региональный этап состоит из двух стадий - прогноза нефтегазоносности и оценки зон нефтегазонакопления;
    -      поисково-оценочный этап включает в себя стадию выявления и подготовки объектов к поисковому бурению и стадию поиска и оценки месторождений (залежей);
    -      разведочный этап предусматривает бурение разведочных скважин для детального изучения характеристик обнаруженных месторождений, уточнения всех параметров изменчивости коллекторов, физико-химических свойств нефти, газа и воды, подсчета запасов углеводородов, проведения опытно-промышленной эксплуатации.
    На всех этих этапах и стадиях возможно применение геохимических методов, так как только геохимическими исследованиями можно контролировать изменение состава и свойств органических, битуминозных и газообразных веществ, присутствующих в осадочных породах, как в рассеянном состоянии, так и в концентрированном. Только геохимическими методами можно определить направление миграции углеводородов и изменение их качественного и количественного состояния. И только этими методами можно изучить качество пластовых флюидов.
    Основное применение геохимические методы находят на региональном этапе. Стадия прогноза нефтегазоносности предусматривает, наряду с изучением ранее проведенных геологических исследований, проведением геофизических работ по системам профилей и бурением параметрических скважин, использование геохимических исследований как в процессе бурения скважин (скважинная геохимия), так и для проведения площадных геохимических съемок (полевая геохимия).

6

     В первом случае, т. е. при бурении параметрических скважин, изучается распределение по разрезу таких геохимических параметров, как содержание органического углерода, битуминозных веществ, рассеянных газов и их качественный состав. На основании этого выделяются в изученных разрезах возможные нефтегазоматеринские толщи и перспективные нефтегазосодержащие комплексы пород.
     Нефтегазовая геохимия несколько условно подразделяется на два направления: классическая и прикладная.
     Классическая геохимия занимается изучением нефти, газа, органического вещества осадочных пород, вопросами диагностики нефтегазоматеринских пород, преобразования рассеянного органического вещества на стадиях диагенеза и катагенеза, расчетами масштабов генерации газообразных и жидких углеводородов из органического вещества при разных термобарических условиях осадочно-породных бассейнов. С этим научным направлением в нашей стране связаны имена многих ученых -Т. К. Баженовой, Л. И. Богородской, В. П. Даниловой, Н. Б. Вас-соевича, Ф. Г. Гурари, А. Ф. Добрянского, Д. И. Дробота, А. Н. Изосимовой, В. А. Каширцева, А. Э. Конторовича, Н. В. Лопатина, С. Г. Неручева, И. И. Нестерова, О. А. Радченко, Е. А. Рогозиной, А. В. Рылькова, В. А. Соколова, О. Ф. Стасовой, А. А. Трофимука, В. А. Успенского, А. Н. Фомина, А. С. Фомичева и мн. др.
     Прикладная геохимия занимается использованием методов классической геохимии для практических задач регионального и локального прогноза нефтегазоносности и поисков залежей нефти и газа. В это научное направление нефтегазовой геохимии, имеющее большое теоретическое и практическое значение, весомый вклад внесли такие исследователи, как П. А. Антонов, А. И. Анцыфоров, А. В. Архангельский, О. В. Барташевич, Л. А. Гуляева, Б. Г. Демин, Т. П. Емец, Л. М. Зорькин, В. В. Иванов, В. П. Исаев, Г. Г. Лебедь, В. Э. Левенсон, С. П. Левшунова, Н. В. Лопатин, А. X. Махмудов, В. И. Медовый, Р. Н. Мурогова, З. Н. Несмелова, И. И. Нестеров, Н. П. Пастухов, А. В. Петухов, Е. А. Рогозина, В. И. Ручнов, В. В. Самсонов, В. А. Соколов, Е. В. Стадник, И. С. Старобинец, В. В. Тихомиров, В. А. Успенский, Г. С. Федорова, В. Н. Флоровская, М. М. Элинсон, В. П. Якуцени и др. Большой вклад в развитие теории и методо

7

логии нефтегазопоисковой геохимии внесли сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского института ядерной геофизики и геохимии (ВНИИЯГГ), ныне ВНИИгеосистем.
    Параллельно с бурением параметрических скважин (а еще лучше до этого) на всей предположительно перспективной территории (или акватории) проводится площадная геохимическая съемка в масштабе 1:500 000, с целью обнаружения прямых признаков нефтегазоносности, районирования изученной территории и выявления первоочередных участков (объектов). На выделенных участках проводится полевая сейсморазведка, электроразведка, корректируется расположение параметрических скважин. На участках предполагаемых объектов проводится более детальная геохимическая съемка с обязательным применением колонкового бурения для получения глубинной геохимической информации, не искаженной в верхней зоне активного водогазообмена.
    Теоретической основой применения прямых и косвенных геохимических методов являются следующие постулаты:
    -  все месторождения нефти и, особенно, газа не герметичны;
    -      рассеивание газов из залежей начинается сразу после их накопления (в соответствии с геохимическим законом Кларка -Вернадского о всеобщем рассеянии химических элементов);
    -      скорость и объемы рассеивания углеводородов обратно пропорциональны качеству флюидоупора;
    -      идеальных покрышек не бывает, они в той или иной степени проницаемы;
    -      над каждой залежью или месторождением формируется субвертикальный ореол рассеяния компонентов залежи или физико-химических эффектов, связанных с воздействием углеводородов на породы или подземные воды, через которые диффундируют или эффундируют УВ;
    -      главными задачами геохимических методов являются: оценка нефтегазоматеринских свойств осадочного разреза, выявление областей нефтегазонакопления, обнаружение в них геохимических аномалий, соответствующих залежам, выявление и оценка ореолов рассеяния при бурении скважин, районирование территорий по степени перспективности, по предполагаемому фазовому насыщению залежей, а также выработка рекомендаций

8

по размещению геофизических профилей, параметрических и поисковых скважин.
    С момента зарождения поисковых геохимических методов (В. А. Соколов, 1929-1930 гг.) использовались только прямые методы прогноза, связанные с изучением углеводородов (газовый и битумный). Далее, по мере развития этого научнопроизводственного направления, стали появляться косвенные методы, так или иначе связанные с воздействием углеводородов на воду или горные породы. Их взаимоотношение изображено на рис. 1.
    В эту классификацию включены геохимические методы, используемые как в теоретической, так и в прикладной геохимии. Это, прежде всего, газовый, битуминологический, гидро-геохимический и литогеохимический методы, которые в классической геохимии применяются при бурении скважин на нефть и газ. Это связано с изучением проб пластовых вод, газов, нефти, полученных как в процессе бурения скважин, так и в процессе испытания. При отборе керна или шлама изучается рассеянное органическое и битуминозное вещество, газы закрытых пор и газы, извлеченные методом термовакуумной дегазации. Эти же методы являются главными и в поисковой геохимии.
    На Сибирской платформе нефтегазопоисковая геохимия стала применяться с 1964 г. в ПГО «Востсибнефтегазгеология», затем в Иркутском университете с 1974 г. и в ПГО «Ленанефте-газгеология» с 1978 г. С конца 90-х годов и до настоящего времени на обширной территории Сибирской платформы и за ее пределами проводит геохимическое картирование ЗАО НПФ «Сибэкосервис» и ее преемник ООО ПГК «Сибгеоком». Богатый научно-методический опыт этих организаций позволил разработать конкретные методики геохимических поисков нефти и газа и провести работы на территориях Иркутской области, Красноярского и Хабаровского краев, Республики Саха (Якутия), Амурской области, Монголии. В настоящем учебном пособии использованы материалы, полученные в разные годы перечисленными организациями на территории юга Сибирской платформы. Это сделано еще и потому, что большинство выпускников геологического факультета ИГУ остаются работать на обширных просторах Сибирской платформы.

9

| прямые J

Геохимические методы прогноза и поиска нефтегазовых месторождений

| косвенные |

I вазовый I

|битумный] |гидрогеологический^ |литогеохимический^|микробиологически^

по керну

по шламу

по грунту

по грунту

углеводородокисляющй бактерии е еоде

газокерновое

опробование

поверхностная

и грунтовая

гидрогеохимия

поверхностная

газовая съёмка

газовый

каротаж

скважин

другие

специфические

газовые

методы

водно-газовая

съемка

скважинная

гидрогеохимия

Рис. 1. Классификация геохимических методов, применяемых для оценки перспектив нефтегазоносности крупных территорий

по керну

по шламу

pH и Eh в еоде

| физико-химический

геотермический

тепловая съёмка

| радиометрический

аномалии гамма-поля

| фитогеохимический |

углеводороды в растениях^

                Глава 1 ТЕОРИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ПОЛЯ





    Наиболее обстоятельно теоретические вопросы геохимических полей в нефтегазовой геологии и геохимии рассмотрены в книге «Основы теории геохимических полей углеводородных скоплений» [39], в которой первая глава посвящена геохимическому полю. В классической физике выделяются три разновидности поля: гравитационное, электрическое и магнитное. Они существуют совместно и одновременно. «Поле - это часть пространства, в пределах которого наблюдается распределение тех или иных параметров или проявление каких-либо векторных величин (сил)» [39, с. 7].
    В геологии существует два типа полей: геохимическое и геофизическое. Геохимическое поле, в отличие от геофизического, вещественно, т. е. представлено атомами и молекулами геологических объектов. Геофизическое поле, напротив, не вещественно, т. е. его объекты как бы виртуальны: их нельзя взвесить, пощупать, но можно измерить их физические параметры. Геохимические и геофизические поля существуют совместно и одновременно, но геохимическое поле является определяющим (т. е. главным или первичным). Это нужно понимать так: появление всякого геохимического объекта (минерала, горной породы) вызывает образование соответствующих геофизических свойств (электрических, магнитных и др.). Но нельзя утверждать обратное - что какое-то геофизическое свойство приведет к образованию каких-то геологических объектов (например, магнитное поле образует минералы).
    Внутри геохимического поля всякий геологический объект состоит из химического вещества, которое, в свою очередь, обладает только ему принадлежащими физико-химическими и химическими свойствами (рис. 2).
    Геохимическое поле всегда измеряется количественно: либо весом или объемом вещества, либо его физико-химическими свойствами (например, величиной окислительно-восстанови


11

тельного потенциала). «Геохимическое поле - это пространственное распределение концентраций ингредиентов (элементов, их изотопов, химических соединений) твердой, жидкой, коллоидной и газообразной фаз и физико-химических параметров среды в пределах некоторой части геологического пространства » [39, с. 8].


Рис. 2. Главные компоненты геохимического поля нефтегазоносных бассейнов [39, с. 7]

    В нефтегазовой геохимии важнейшее значение имеет представление о нормальном и аномальном геохимических полях. В нормальном поле пространственные изменения количественных характеристик какого-либо геохимического компонента имеют систематический характер и выражаются нормальным законом распределения. Это означает, что концентрации изучаемого компонента характеризуются среднеарифметическим значением, совпадающим с модальным значением (фон). В аномальном геохимическом поле концентрации компонентов очень отличаются от фоновых значений в большую (положительная аномалия) или

12