CC BY
67
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 216 1971
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО
СОСТАВА УГЛЕРОДА НЕФТЕЙ, ГАЗОВ, КОНДЕНСАТОВ И РАССЕЯННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ЗАПАДНОЙ
СИБИРИ
Н. к. ГРИГОРЬЕВ, В. М. ЕФРЕМОВ, В. Л. КОКУНОВ, А. Э. КОНТОРОВИЧ,
В. X. КУМЫКОВ
(Представлена профессором А. В. Аксариным)
В отложениях мезокайнозойского чехла и фундамента Западно-Сибирской низменности углерод зафиксирован в следующих формах.
1. Свободный углерод в виде графита, содержащийся в обломочных породах юрских и меловых образований в виде мелких вкрапленников и в рассеянном состоянии. Наличие графита отмечалось целым рядом авторов еще в 1957 году (Бузулуцков Ф. С. и др., 1957 г.), а в последнее время подтверждено с помощью рентгено-структурного анализа сотрудником СНИИГГИМСа П. А. Трушковым (устное сообщение). Этот факт является весьма интересным и заслуживающим пристального внимания.
2. Углерод в виде двуокиси, постоянно фиксируемый в растворенном состоянии в пластовых водах, а также углекислый газ, входящий в состав природных газов, причем иногда в значительных количествах. Так, на Межовском и Веселовском месторождениях отдельные скважины дают притоки углекислого газа из трещиноватых гранитов фундамента, равные соответственно 1,5—2 тыс. м3/сутки и даже 200—250 тыс. м3/сутки.
3. Углерод, связанный в карбонатах. Эта форма нахождения углерода должна быть подразделена на следующие разновидности:
а) Углерод в карбонатном цементе обломочных пород. Здесь возможны, как указывают (Алексеев Ф. А. и др., 1967), по крайней мере две генерации кальцитов и сидеритов.
б) Углерод кальцита и сидерита карбонатных прослоев.
в) Углерод, входящий в состав гидрокарбоната кальция и магния, растворенного в пластовых водах.
4. Углерод природных углеводородов нефтяного ряда, содержащихся в разрезе мезокайнозоя Западно-Сибирской низменности. Здесь углерод содержится:
а) в нефтях, конденсатах, природных и попутных газах;
б) в битумах;
в) в рассеянной органике.
5. Углерод углеводородов угольного ряда, содержащихся в разрезе мезокайнозоя низменности, входящий в состав:
а) углей;
б) рассеянного органического вещества сапропелевого ряда;
в) детрита и рассеянного органического вещества гумусового ряда.
6. Углерод, входящий в состав соединений почвенных и болотных образований.
Конечной задачей настоящего исследования является сравнительное изучение изотопного состава нефтей, конденсатов, газов и рассеянного органического вещества Западно-Сибирской низменности.
При проведении такого исследования возникает, однако, ряд трудностей. Соотношение изотопов углерода С12/С13 в органическом веществе при прочих равных условиях тем меньше, чем больше молекулярный вес изучаемых соединений. Поэтому простое сравнение изотопного состава углерода в битумоидах и нефтях является методически неверным: битумоиды в подавляющем большинстве случаев богаче высокомолекулярными асфальтовосмолистыми соединениями, конденсированными ароматическими углеводородами, высококипящими фракциями, чем нефти, что само по себе уже обусловливает преобладание в них изотопа С13, чем в нефтях.
В этой связи наше исследование предусматривает:
а) изучение изотопного состава нефракционированных проб нефтей, конденсатов и газов;
б) сравнительное изучение изотопного состава асфальтенов, смол, нормальных, изоалифатических, нафтеновых и нафтеново-ароматических углеводородов битумоидов и нефтей. Сравнение изотопного состава углеводородных соединений нефтей и битумоидов, естественно, проводится на фракциях, кипящих в одинаковых интервалах температур;
в) сравнительное изучение изотопного состава углерода в керогене рассе^ного органического вещества различных классов и в углях.
Изучение таким образом подобранных однотипных фракций нефтей и битумоидов позволит выявить влияние на изотопный состав рассеянного органического вещества и нефтей подобного состава, процессов первичной и вторичной миграции, свойств (если они имеются) изотопного состава углеводородов рассеянного органического вещества материнских толщ и дочерних нефтей, зависимость изотопного состава нефтей и рассеянного органического вещества от геологических условий залегания (температура, глубина.и т. д.).
В настоящее время реализация намеченной программы только начинается. Изучен на примере ряда месторождений Томской области изотопный состав нефтей, конденсатов и газов, а также изотопный состав керогена на примере сапропелевого органического вещества марья-новской свиты и ее аналогов.
Измерение изотопных соотношений производилось на масс-спектрометрах МИ-1305 как однолучевым так и двухлучевым методами (табл. 1—5). Средняя арифметическая ошибка однократного определения однолучевым методом составляла + 0Д% (табл. 14). Каждая проба анализировалась от 2 до 4 раз.
Результаты изучения изотопного состава углерода в нефтях, конденсатах, газах и рассеянном органическом веществе Западно-Сибирской низменности суммированы в таблицах №№ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Рассмотрим их.
Нефти. Изотопный состав углерода в нефтях изучен на примере Советского, Малореченского и Средне-Васюганского месторождений.
В пласте А1 Советского месторождения отношение изотопов углерода С|2/С13 колеблется (проанализировано 6 проб) от 91,32 до 91,93, среднее 91,62. В пласте Аю того же месторождения концентрация легкого изотопа углерода в нефти еще больше, отношение С12/С13 в ней равно 92,67. Самой «легкой» является нефть из пласта Б8 того же месторождения. Отношение изотопов углерода в ней (2 пробы) равно 93,84.
Верхнеюрские нефти пласта Ю1 изучены на примере Малореченского и Средне-Васюганского месторождений. По соотношению изотопов углерода они очень близки между собой. Отношение С!2/С13 равно в них
'92,59 и 92,50 соответственно. По сравнению с нефтью пласта Аю и особенно Б8 верхнеюрские нефти богаче изотопом С13. Лишь в пласте А1 нефть содержит больше тяжелого изотопа углерода С13.
Нефти тюменской свиты изучены на примере парафинистой метановой нефти из пласта М Советского месторождения (Медведевское
Таблица 1
Изотопный состав углерода нефтей и газов, определенный прецизионным методом
Наименование образца, месторождения и № № скважины ÔC13 к эталону СаС03) CI2/C13 от эталона SCI3 к стандарту (нефть 38) С12/С13 от стандарта
Нефть
Советская пл. скв. 38/1675— 16801 —2,416 91,86
—2,457 91,90 — —
—2,551 91,98 — —
Пл. Малореченская скв. 117 (2458—2474) —2,8668 92,28 0,1904 92,07
Пл. Оха, скв. № 800 (Сахалин) (32—68) —2,131 91,60 +0,5171 91,89
Пл. Мухто, пл. III (Сахалин) —2,089 91,55 +0,5347 91,55
Средне-Васюганская пл. скв. № 5 (2308—2322) —2,830 92,29 —0,1013 91,98
Соснинская пл. скв. № 39 (1679—1690) _ — —0,5975 92,43
Угольная смолка —2,959 91,97 +0,1774 91,72
Попутные нефтяные газы
Соснинская пл. скв. № 29 (1665—1673) —3,1504 93,04 — 1,2441 93,04
Соснинская пл. скв. № 36 4661—1689) -3,9483 93,36 —1,477 93,26
Советская пл. скв. № 29 (1667—1676) __ -1,298 93,08
Советская пл. скв. № 39 (1678—1690) __ —1,619 93,38
Пл. Чебачья, скв. 117 (1932—1970) —2,554 92,07 —0,2929 92,15
поднятие). Отношение изотопов углерода С12/С13 в ней равно 93,23. Эта величина несколько меньше, чем в нефти пласта Бе, но выше, чем в нефтях всех других изученных продуктивных горизонтов.
Сравнение изотопного состава углерода Западно-Сибирских нефтей и нефтей других районов СССР и США (см. Петренко, 1962) показывает близость по этому параметру нефтей разных нефтегазоносных бассейнов земного шара. Так, в нефтях США отношение С12/С13 колеблется от 90,98 до 94,16, а в нефтях Советского Союза от 91,20 до 92,40. Нами выполнен ряд определений изотопного состава в нефтях месторождения Сабо (Сахалин). Отношение С12/С13 колеблется в них от 91,75 до 92,75.
Для неокомских нефтей (пласты групп А и Б) намечается тенденция к возрастанию концентраций легкого изотопа С12 вниз по разрезу.
Конденсаты и газы. Изотопный состав углерода в конденсатах изучен на примере Мыльджинского, Северо-Васюганского и Усть-Силь-гинского месторождений.
Таблица 2
Изотопный состав углерода нефтей месторождений Томской области
Наименование месторождений (площадь, № № скв.) Кол-во анализов Интервал в м С13 в % изм. С12/С13
Соснинская пл. скв. 29 2 1665—1673 1,176 91,32
Соснинская пл. скв. 36 3 1661—1689 1,171 91,72
Советская пл. скв. Р-21 4 1667—1694 1,174 91,46
Советская пл. скв. 38 8 1675—1690 1,173 91,56
Советская пл. скв. 17 3 1686—1690 1,170 91,82
Соснинская пл. скв. 51 3 1661—1689 1,164 92,32
Соснинская пл. скв. 35 2 1937—2004 1,160 92,67
Соснинская пл. скв. 1—Р 4 2130—2140 1,147 93,80
Соснинская пл. скв. 4 7 2147—2155 1,146 93,88
Средне-Васюганская, скв. 5. 3 2308—2322 1,162 92,53
Малореченская пл. скв. 117 6 2458-2474 1,161 92,59
Медведевская пл. скв. Р—7 2 2528—2537 1,154 93,18
Советская пл. скв. 38 2 1,154 93,18
Соснинская пл. № Р—19 1 2147—2153 1,168 91,93
Советская, скв. 27 7 2141-2153 1,168 91,99 Таблица 3
Изотопный состав керогена рассеянного органического вещества
Наименование площади и № № скважин Кол-во анализов Интервал в м С13 в % изм. С12/С13
Ермаковская, 1—Р обр. № 1 3 1190—1141 1,174 91,48
Покровская, № 16 2 1593-1610 1,172 91,65
Викуловская 1 1919—1925 1,183 90,73
Барабинская, № 1—Р 2 2074—2080 1,167 92,07
Омская скв. 1—Р, обр. 141 2 2329,7 1,165 92,24
Саргат, скв. 4—Р, № 13 2 2367—2403 1,157 92,84
Саргат, скв. № 6, обр. 240 4 2 2425-2431 1,176 91,31
Во всех продуктивных горизонтах Мыльджинского газоконденсат-ного месторождения отношение концентраций изотопов углерода С12/С13 очень близкое и колеблется от 93,88 до 94,77. Однако отчетливо намечается тенденция к возрастанию этого отношения от пласта Ю] к пласту Б8. Оно равно 93,88; 94,42 и 94,77 в пластах Ю] Б2з (ачимовская пачка) и Б3 соответственно. Интересно отметить, что в этом же направлении снижается содержание конденсата в газе.
Изотопный состав конденсатов в пласте Ю* Северо-Васюганской и Усть-Сильгинской залежи отличается от такового на Мыльджинском месторождении большей концентрацией изотопа С13. Отношение С12/С13 в конденсатах этих залежей равно соответственно 92,84 (среднее по двум пробам) и 92,24.
Таблица 4
Изотопный состав конденсатов
Наименование месторождений (площадь, № >Гв скв.) Кол-во анализов Интервал в м С13 в % изм. С|2/С13
Северо-Васюганская, скв. № 1 2 2402—2412 1,156 93,01
Северо-Васюганская, скв. № 6 3 2313-2329 1,162 92,50
Усть-Сильгинская скн. № 4 8 2333—2320 1,161 92,58
Мыльджинская пл. скв. 1 6 2088—2093 1,163 92,41
Мыльджинская пл, скв. 5 6 2400—2369 1,155 93,10
Мыльджинская пл. скв. 4 3 2261-2274 1,140 94,59
Мыльджинская пл. скв. 3 проба 2 2 2174—2146 1,136 94,77
Мыльджинская пл. скв. 3 проба 1 2 2396—2355 1,129 95,41
Таблица 5
Изотопный состав углерода газов месторождения Томской области
Наименование месторождений (площади, № № скв.) К-во анализов Интервал в м С13 в % изм. С12/С13
Леушинская опорная скважина 4 1,140 94,42
Мыльджинская пл. скв. 3 проба 1 2 2355—3396 1,142 94,24
Мыльджинская пл. скв. 3 проба 2 2 2164—2174 1,143 94,15
Северная пл. скв. 262 2 1708—1715 1,148 93,71
Пл. Чебачья, скв. 217 2 1932—1971 1,150 93,53
Изотопный состав углеводородных газов изучен в основном на примере Мыльджинского месторождения. Отношение С12/С13 в газах пластов Ю1 и Б8 равно соответственно 94,24 и 94,15. Эти газы богаче легким изотопом углерода, чем газы Анастасьево-Троицкого и Челбасского месторождений в Предкавказье и Коробковского месторождения в Нижнем Поволжье. (Вдовыкин и др. 1964). И. Г. Петренко (1962) приводит данные Е. Т. Аллена и А. Л. Дея об изотопном составе углерода в метане из горячих источников и гейзеров Йеллоустонского национального парка. Среднее отношение С12/С13 в метане этих источников равно 91,05, т. е. метан горячих источников резко обогащен тяжелым изотопом углерода С13 по сравнению с газами месторождений Западно-Сибирской низменности, Предкавказья и Нижнего Поволжья.
Кероген рассеянного органического вещества. Изотопный состав углерода керогена рассеянного органического вещества был изучен на примере органического вещества класса сапропелитов верхнеюрских битуминозных аргиллитов. По полученным данным отношение концентраций изотопов углерода С,2/С13 в керогене сапропелевого органического вещества колеблется от 91,48 до 92,84, среднее 92,16. По сравнению с углями (Петренко, 1962) сапропелевое органическое вещество богаче легким изотопом С12. Отношение С12/С13 в углях не превышает 91,39. Интересно, что в битуминозных углях и сланцах величина этого отношения выше (91,15—92,00 в битуминозных углях и 90,52—92,70 в сланцах) и близка к значениям, характерным для органического вещества верхнеюрской битуминозной толщи Западно-Сибирской низменности.
По вопросу о том, как меняется отношение С12/С13 при метаморфизме органического вещества, единого мнения нет. Ф. Е. Викман (1956) никакой зависимости изотопного состава углей от их метаморфизма не обнаружил. К. Ранкама (1956) полагал, что с ростом метаморфизма органического вещества концентрация легкого изотопа в нем должна убывать.
Из полученных материалов по изотопному составу углерода в керогене сопропелевого органического вещества видно, что имеет место корреляционная зависимость между величиной отношения С12/С13 и мощностью перекрывающих отложений. Чем глубже погружена осадочная толща, и, как следствие, чем выше метаморфизм рассеянного органического вещества, тем больше отношение С12/С13. Наметившаяся закономерность противоположна той, которую предполагал К. Ранкама.
Обогащенность нефтей, конденсатов и углеводородных газов Западно-Сибирской низменности легким изотопом углерода С12, характерная для органического вещества, является веским аргументом в пользу биогенного их происхождения. В этом отношении характерен приведенный выше пример в части метана: для метана горячих источников и гейзеров характерно отношение С12/С13, равное 91,05, для метана болотного газа 94,40. В газах Западно-Сибирской низменности это отношение равно 94,20, т. е. очень близко к таковому в метане заведомо биогенного происхождения. Значительно сложнее решить вопрос о причинах изменения соотношения изотопов углерода в разных нефтях. Объяснить изменения в изотопном составе углерода верхнеюрских и неокомских нефтей различиями в составе исходного органического вещества нельзя. В самом деле, песчаники пластов К>1 и Б8 накапливались в морском бассейне и рассеянное в них и в подстилающих и в перекрывающих их толщах аргиллитов органическое вещество имеет преимущественно сапропелевый состав. Готеривбарремская толща, включающая пласты А1 и Аю накапливалась в прибрежно-морских и континентальных условиях. Рассеянное в ней органическое вещество обогащено гумусовым материалом и относится к классам сапропелито-гумитов и гумитов. Наземные растения, богаче легким изотопом углерода, чем морские. В этой связи следовало бы ожидать, что отношение концентраций изотопов С12/С13 должно быть выше в пластах А] и Аю. На самом деле такая зависимость места не имеет.
Если допустить, как это полагают В. В. Иванцова, А. Э. Конторо-вич, Г. П. Сверчков и некоторые другие исследователи, что нефти верхней юры и неокома обязаны своим происхождением, главным образом, органическому веществу верхней юры и валанжина, то напрашивается следующая гипотеза. Как известно, частичное фракционирование изотопов может происходить в процессе миграции углеводородов. При миграции углеводородов в пласт Юь непосредственно подстилающий битуминозные аргиллиты верхней юры, такое фракционирование
безусловно оказало меньшее влияние на изотопный состав нефтей, чем при их миграции в пласт Б8 и вышележащие через мощную толщу аргиллитов. Этим объясняется обогащенность нефти пласта Б8 изотопом С12 по сравнению с нефтью из пласта Юь
В дальнейшем нефти неокома, особенно верхних его горизонтов подвергались бактериальному криптогипергенному окислению (Гурари,. 1962, Конторович, Стасова 1964, Рыльков 1967). При этом бактерии усваивали преимущественно легкий изотоп углерода (Виноградов, 1954), что привело к относительному обогащению нефтей залегающих в пластах группы А изотопом С13.
Фракционированием изотопов углерода в процессе вертикальной миграции углеводородов, вероятно, можно объяснить возрастания концентраций легкого изотопа С12 в конденсатах Мыльджинского месторождения от более древних продуктивных горизонтов к более молодым. Такое предположение хорошо согласуется с имеющимися геологическими материалами (Гурари и др. 1965).
Высказанные предположения. не противоречат современным представлениям о механизме фракционирования изотопов и хорошо согласуются с имеющимися геологическими и геохимическими материалами, однако они требуют подтверждения на большем фактическом материале.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев Ф. А., Лебедев В. С., Крылова Т. Н. Изотопный состав природных углеводородов и некоторые вопросы их генезиса АН СССР. Геохимия, № 5, 510, 1967.
2. Б у з у л у ц к о в Ф. С., Гурова Т. И. Литология мезозоя и кайнозоя Западно-Сибирской низменности. Гостоптехиздат, 1957.
3. Вдовыкин Г. П., Кропотова О. И., Ж у р о в Ю. А. К изотопному составу углерода природных горючих газов. Геохимия, № 9, 954, 1964.
4. Виноградов А. П. Геохимия изотопов. Изд. АН СССР (серия геологическая) 3. 3. 1954.
5. Гурари Ф. Г., Конторович А. Э., Нестеров И. И., Ставицкий Б. П. Изменения состава и прогноз качества нефтей Западно-Сибирской низменности. Тр. Зап. СибНИГНИ, вып. 1, 1965.
6. Петренко И. Г. Изотопы в геохимии каустобиолитов. АН СССР, 1962.
7. Конторович А. Э., Стасова О. Ф. К геохимии нефтей Западно-Сибирской низменности. Геология и геофизика, № 2, 1964.
8. Рыльков А. В. Районирование территории Западно-Сибирской низменности по сернистости нефтей. Труды научно-технической конференции (г. Тюмень). Средне-Уральское изд-во, 1967.
9. Ранкама К. Изотопы в геологии. Изд-во иностранной литературы, 1956.
10. Сверчков Т. П. Формирование нефтяных и газовых залежей в северозападной части Западно-Сибирской низменности. Геология нефти, № 6, 1958.
11. Wickman F. Е. Cycle of Carbon and Stable carbon isotopes. Geochim. et cosmochim. acta, V. 9, № 3, 1956.
