В настоящее время в России и за рубежом геохимические исследования применимо к науке о нефти и газе становятся все более значимыми как теоретически, так и практически. Органическая геохимия и как крупный раздел этой науки – нефтяная химия приобретают статус новой парадигмы исследования нефтяных ресурсов. В основе парадигмы лежит необходимость оценивать качество углеводородного сырья, его физико-химические свойства, металлогеническую специализацию на всех этапах геолого-разведочных работ.
Геохимическим и нефтехимическим методам исследования УВ флюидов придается огромное значение, так как с их внедрением связано повышение эффективности и снижение затрат на поиски, разведку, добычу и переработку УВ. Эти направления работ способны изучать и учитывать весь спектр как генетических факторов, контролирующих образование месторождений – от очага генерации до залежи, так и промышленных задач при процессах разработки и переработки сырья. Почему состав нефти так разнообразен и чем это обусловлено?
О значимости основ нефтехимической науки в нефтяной геологии свидетельствует большой объем публикаций российских исследователей таких научных центров, как Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН (Новосибирск), ВНИГРИ (Санкт-Петербург), Институт химии нефти РАН (Томск), Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова – кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых (Москва), ВНИГНИ (Москва), Институт нефтехимического синтеза РАН (Москва), Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова (Казань) и др., связанный с инновационным изучением состава нефтей и органического вещества (ОВ) пород; проведение крупных международных симпозиумов по органической геохимии IMOG-EAGE (Италия, 2017; Швеция, 2019; Франция, 2021), российских конференций: «Геохимия нефти и газа, нефтематеринских пород», г. Сыктывкар, 2019; «Новые направления нефтегазовой геологии и геохимии», г. Пермь, 2019; «Химия нефти и газа», г. Томск, 2020, 2021; «Успехи органической геохимии», г. Новосибирск, 2022 и ряд других. Большой общественный резонанс вызвала прошедшая 5–9 октября 2021 г. в г. Грозном XII российская конференция (с международным участием) «Актуальные проблемы нефтехимии», посвященная памяти академика РАН С.Н. Хаджиева.
Высокая активность ученых геохимиков связана с осознанием исследователями-практиками необходимости детального изучения состава «черного золота», т.е. необходимости понимания, из чего же состоит то богатство, которым человечество пользуется уже многие годы, что же мы добываем из недр земли. Почему это «золото» содержит практически всю таблицу химических элементов Д.И. Менделеева (идентифицировано более 60 элементов) и самые различные УВ соединения, и нет нефти, похожей одна на другую. С чем же связаны эти различия, чем они обусловлены?
Общие понятия о микроэлементной характеристике нафтидов и микроэлементные показатели
Все разнообразие геологических процессов, происходивших и происходящих при захоронении первичного исходного для нефтеобразования ОВ и дальнейшее преобразование УВ, отражено в особенностях состава нефти, как УВ, так и, в частности, в содержании и соотношениях микроэлементов (МЭ). Интерес к изучению соединений МЭ в нафтидах связан с характером их реакции на различия геологических условий и геохимических процессов формирования горючих ископаемых и поддерживается следующими факторами:
• возможностью по характеру распределения МЭ реконструировать геологические условия и геохимические процессы формирования нафтидов при многостадийных этапах генерации, миграции, аккумуляции и разрушения нефтяных углеводородов, т.е. МЭ являются индикаторами онтогенеза УВ – геохимический фундаментальный, научно-прикладной аспект;
• перспективностью получения товарных соединений МЭ из каустобиолитов, металлоносные нефти и битумы являются практически рудными объектами (V, Ni, U, Mo и др.) – промышленно-сырьевой аспект;
• негативным влиянием на скважинное оборудование и на технологические параметры переработки добываемого сырья – технологический аспект;
• образованием при добыче и переработке горючих ископаемых соединений потенциально токсичных МЭ, включающих радиоактивные, ртуть, мышьяк и создающих экологическую угрозу для среды обитания, – экологический аспект.
К нефтяному месторождению нужно подходить с двух позиций – как к УВ сырью и рудному телу. С точки зрения содержания металлов многие нефти просто уникальны. И, очевидно, особым спросом будут пользоваться как экологически чистые, так и существенно металлоносные сорта нефти. В зависимости от содержания металлов меняется цена нефти, методика разведки и разработки, технология переработки и осуществляются различные подходы к охране окружающей среды.
Анализ литературного и экспериментального материала по геологии и химии нафтидов нефтегазоносных бассейнов (НГБ) различного тектонического строения, проведенный автором, достаточно определенно свидетельствует, что физико-химические свойства нефти, УВ состав, содержания и соотношения в них рудных компонентов есть функция исходного ОВ, лито-фациальных условий захоронения, последующей аккумуляции и разрушения скоплений, результатов геодинамических эндогенных и экзогенных процессов, т.е. геологической истории развития осадочного бассейна [4, 5]. При этом нами охарактеризованы генетические модели нефтей в связи со стадиями онтогенеза по их фазовому состоянию, физико-химическим свойствам и степени обогащенности МЭ и даны рекомендации по практическому использованию МЭ-критериев нафтидов для оценки перспектив нефтегазоносности, а также при разработке УВ ресурсов. Таким образом, геохимия МЭ нафтидов становится не только научной, но и прикладной дисциплиной [6–8].
В этой связи для изучения вопросов нефтегенерации и прогноза перспективности территорий предложен целый комплекс МЭ-показателей и внедрен новый метод геохимических исследований – микроэлементная геохимия нафтидов. Основные геохимические МЭ-показатели сгруппированы по рекомендациям их использования в различных геохимических аспектах и показаны в табл. 1. Отметим, что в табл. 1 приведены лишь показатели, основанные на МЭ-характеристике флюидов. В исследованиях при решении конкретных задач часто используется целый комплекс более широких УВ показателей. Безусловно, приводимое как нами, так и другими исследователями разграничение геохимических задач по стадиям ГРР достаточно условно, эти задачи перекликаются и возможно решаются комплексно и системно на всех этапах работ.
Многие вопросы применения предложенных показателей на конкретных геологических моделях в конкретных нефтегазоносных регионах и использованные литературные источники были нами детально освещены в предыдущих исследованиях [6–9].
В настоящей статье остановимся более детально на проблеме характеристики качественного состава флюидов, скапливающихся в ловушках разного типа, а также на влиянии эндогенных и экзогенных процессов на состав МЭ.
Оценка качественных особенностей флюидов при формировании залежей углеводородов
Проведены исследования по оценке качественных особенностей флюидов, направленные на выявление закономерностей дифференциации свойств нафтидов при формировании залежей УВ вне антиклинальных структур. В связи с трендом снижения прироста запасов УВ, связанных с антиклинальными ловушками, значительное внимание уделяется изучению состава флюидов, приуроченных именно к ловушкам неантиклинального комбинированного строения.
Анализ величин распределения МЭ и УВ состава нефтей и конденсатов, их физико-химических свойств в НГБ мира [10–12] позволил установить особенности размещения месторождений с различными содержаниями МЭ и провести их типизацию. Выявлены нефти, характеризующиеся первичными богатыми концентрациями МЭ главной зоны нефтеобразования – ванадиевые (V>Ni), и нефти с изначально низкими содержаниями МЭ в зонах ранней генерации – никелевые (V<Ni). Процессы трансформации состава нефтей при гипергенезе приводят к вторичному их обогащению МЭ – ванадиевые (V>Ni) и/или железистые (Fe<V>Ni), тогда как нефти зоны значительного катагенеза обеднены МЭ – никелевые (V<Ni) (рис. 1).
Оценка свойств флюидов, прогнозируемых при формировании УВ скоплений в осадочном чехле, базировалась на закономерностях, определяющих состав нефтей согласно вертикальной эволюционной зональности в процессе онтогенеза. В осадочном разрезе земной коры происходит трансформация состава генерированных в недрах УВ систем – от незрелых (тяжелых) на малых глубинах к преобразованным зрелым и сверхзрелым (легким) нефтям и конденсатам, связанная с увеличением глубины, температурного градиента, давления и типа исходной органики (Н.Б. Вассоевич, Ал. А. Петров, С.Г. Неручев, О.К. Баженова, А.Э. Конторович, K.E. Peters & J.M. Moldowan и др.). Разработанная нами классификация нефтей НГБ по их МЭ составу дает возможность прогнозировать и металлогеническую специализацию флюидов разного типа на определенных уровнях процессов нефтеобразования, вторичного преобразования и разрушения скоплений.
Таким образом, исходя из наблюдаемой эволюционной зональности размещения УВ скоплений и металлогенической специализации НГБ, можно прогнозировать наличие нефтей определенного геохимического типа в ловушках, закартированных в нефтегазоносных регионах на определенном уровне этой зональности.
На предыдущих этапах исследования [13, 14] были подробно проанализированы на многочисленных конкретных примерах, в том числе на месторождениях Волго-Уральского и Западно-Сибирского НГБ, физико-химические свойства, МЭ состав, фазовые состояния нафтидов в ловушках различного строения:
- подвергшихся влиянию гипергенетических процессов (Шугуровское месторождение тяжелых нефтей и природных битумов в пермских отложениях Республики Татарстан Волго-Уральского НГБ в ловушках эрозионных врезов);
- подвергшихся влиянию катагенетических процессов (нефтяное месторождение Кальчинское Фроловской НГО с литологически и тектонически экранированными ловушками в нижнеюрских отложениях);
- в регионах с возможно дополнительным притоком УВ (Ромашкинская группа месторождений Республики Татарстан в ловушках выклинивания поднадвиговых зон);
- в выступах кристаллического фундамента осадочных бассейнов или в корах выветривания нижнеюрского и палеозойского возраста (Айторская площадь и Каменное месторождение Красноленинского свода Западной Сибири);
- в сланцевых углеродсодержащих толщах баженовской свиты Западной Сибири и доманиковой формации Волго-Урала.
На схеме-модели (рис. 2) в рамках глубин и стадийности катагенеза показаны все варианты заполняемости комбинированных ловушек различного типа нефтями и/или нефтегазоконденсатами с характерной металлогенией и физико-химическими свойствами.
