Научная статья на тему 'Термодинамическая модель взаимодействия "вода-порода" при гидротермальном воздействии на баженовскую свиту'

Термодинамическая модель взаимодействия "вода-порода" при гидротермальном воздействии на баженовскую свиту Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
61
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БАЖЕНОВСКАЯ СВИТА / BAZHENOV FORMATION / МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ / MINERAL COMPOSITION / ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / THERMODYNAMIC MODELING / ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО / ORGANIC MATTER

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Сидкина Е.С., Бугаев И.А., Бычков А.Ю., Калмыков А.Г.

Термодинамическое моделирование гидротермального воздействия на породы баженовской свиты позволило установить равновесные минеральные ассоциации при температуре от 50 до 350 °C и давлении насыщенного пара воды. Результаты расчетов показывают, что минеральные парагенезисы при повышении температуры меняются незначительно: для цеолитов характерен ряд стильбит-ломонтин-вайракит, каолинит сменяется монтмориллонитом и/или альбитом, пирит пирротином, доломит кальцитом, браннерит уранинитом. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными данными.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Сидкина Е.С., Бугаев И.А., Бычков А.Ю., Калмыков А.Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Waterrock interaction thermodynamic modeling while hydrothermal exposure on the Bazhenov formation rocks

Equilibrium mineral assemblages at temperatures from 50 °C to 350 °C and pressure of saturated water vapor were established by the thermodynamic modeling of hydrothermal reaction on the Bazhenov Formation rocks. The calculation results show that the mineral parageneses vary slightly with the temperature increase: for zeolites stilbite-laumontite-wairakite row is typical, kaolinite is replaced by montmorillonite and/or albite, pyrite by pyrrhotite, calcite by dolomite, brannerite by uraninite. The simulation results are confirmed by experimental data.

Текст научной работы на тему «Термодинамическая модель взаимодействия "вода-порода" при гидротермальном воздействии на баженовскую свиту»

УДК 550.4.01

Е.С. Сидкина1, И.А. Бугаев2, А.Ю. Бычков3, А.Г. Калмыков4

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ «ВОДА-ПОРОДА» ПРИ ГИДРОТЕРМАЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА БАЖЕНОВСКУЮ СВИТУ5

Термодинамическое моделирование гидротермального воздействия на породы баженовской свиты позволило установить равновесные минеральные ассоциации при температуре от 50 до 350 °C и давлении насыщенного пара воды. Результаты расчетов показывают, что минеральные парагенезисы при повышении температуры меняются незначительно: для цеолитов характерен ряд стильбит—ломонтин—вайракит, каолинит сменяется монтмориллонитом и/или альбитом, пирит — пирротином, доломит — кальцитом, браннерит — уранинитом. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными данными.

Ключевые слова: баженовская свита, минеральный состав, термодинамическое моделирование, органическое вещество.

Equilibrium mineral assemblages at temperatures from 50 °C to 350 °C and pressure of saturated water vapor were established by the thermodynamic modeling of hydrothermal reaction on the Bazhenov Formation rocks. The calculation results show that the mineral parageneses vary slightly with the temperature increase: for zeolites stilbite-laumontite-wairakite row is typical, kaolinite is replaced by montmorillonite and/or albite, pyrite — by pyrrhotite, calcite — by dolomite, brannerite — by uraninite. The simulation results are confirmed by experimental data.

Key words: Bazhenov Formation, mineral composition, thermodynamic modeling, organic matter.

Введение. Исчерпание месторождений нефти жидкие углеводороды за 7—10 дней [Бычков и др.,

и газа вызывает необходимость исследования не- 2015; Popov et al., 2017]. Исследования показали,

традиционных источников углеводородного сырья. что образование нефти зависит от минерального

Один из преспективных объектов — баженовская состава пород и степени преобразования органи-

свита (Западная Сибирь). Отложения баженовской ческого вещества (ОВ). Влияние минеральной ма-

свиты (J3—Kx) распространены на всей территории трицы можно объяснить образованием минералов,

Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна выступающих в качестве катализаторов крекинга

на глубине 2500—3000 м, имеют незначительную керогена, например, цеолитов, гидрослюд, барита,

мощность (до 30 м), подстилаются абалакской а также влиянием металлов переменной валент-

свитой и перекрыть толщей неокомского возрас- ности (уран, ванадий).

та. Породы баженовской свиты по количеству Цель исследования — определение равновес-

породообразующих компонентов разделяются на ных минеральных ассоциаций при гидротермаль-

несколько литофизических типов [Козлова и др., ном воздействии на осадочные породы методом

2015]. термодинамического моделирования.

В ряде работ показано, что разработка угле- Материалы и методы исследований. Исходные

водородов баженовской свиты традиционными данные. Исследуемая скважина (№ 8) расположена

методами нерентабельна, требуется создание но- в центральной части Западно-Сибирской низмен-

вых технологий добычи сырья [Калмыков и др., ности, в западной части Широтного Приобья на

2017]. Одной из таких технологий может стать территории Ханты-Мансийского автономного

гидротермальная обработка пласта с целью полу- округа [Проведение..., 2013]. Ближайшие крупные

чения синтетической нефти при гидропиролизе населенные пункты — города Ханты-Мансийск,

керогена осадочных пород. Экспериментальные Нефтеюганск и Сургут. Исследуемые отложения —

данные показывают, что при 300 °С до 10% орга- составляющая часть мезозойско-кайнозойского

нического углерода (Сорг) породы преобразуется в чехла в центральной области молодой Западно-

1 Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН, лаборатория моделирования гидрогеохимических и гидротермальных процессов, ст. науч. с., канд. геол.-минерал. н.; e-mail: SidkinaES@yandex.ru

2 Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН, лаборатория моделирования гидрогеохимических и гидротермальных процессов, мл. науч. с.; e-mail: iliabougaev@gmail.com

3 Московский государственный н.; e-mail: andrewbychkov@rambler.ru

4 Московский государственный инженер, канд. хим. н.; e-mail: a.g.kalmykov@gmail.com

5 Аналитические исследования выполнены при п динамические расчеты выполнены при поддержке РФФИ (проект № 16-35-60047).

3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, кафедра геохимии, профессор, докт. геол.-минерал.

4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых,

5 Аналитические исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект № 15-17-00010). Термо-

Исходный состав образцов пород баженовской свиты

Литологический тип

1 2 3 4 5

Состав карбонатно-кремнистый карбонатно-глинистый кремнисто-глинистый карбонатный керогеново- глинисто- кремнистый

Н20 1,82 3,29 3,48 0,67 0,88

№20 0,98 0,74 0,67 0,36 0,39

Mg0 2,28 1,52 1,39 13,84 0,36

А1203 11,48 18,47 20,37 3,50 4,50

бЮ2 54,33 45,53 48,93 11,35 75,54

К20 1,40 2,53 2,68 0,61 0,73

Са0 3,51 1,11 0,23 27,02 0,15

ТЮ2 0,50 0,86 0,97 0,16 0,25

Мп0 0,14 0,07 0,02 0,50 0,01

Бе0 13,58 11,12 6,05 2,74 2,65

Р205 0,44 0,21 0,10 0,04 0,07

0,21 1,50 1,89 1,36 1,25

С02 6,05 7,98 5,92 36,68 1,30

ОВ 1,19 3,21 5,92 0,31 10,96

С1 312 88 94 125 63

Ва 1666 2407 2594 2375 2002

V 341 187 208 22 518

и 5 5 5 5 15

Примечание. Содержание — масс.%, С1, Ва, V, и в ррт; 1—5 — номера образцов.

Сибирской плиты. В этой области выделяют несколько наиболее крупных и значимых структур: Красноленинский и Сургутский своды, Фролов-скую мегавпадину, Салымский и Верхнесалымский мегавалы.

Малобалыкское месторождение относится к Фроловско-Тамбейскому структурно-фациальному району Обь-Ленской фациальной области. В этом районе прослеживаются три горизонта: васюган-ский, георгиевский и баженовский. Первые два соответствуют абалакской свите, третьему в полном объеме отвечает баженовская свита. Таким образом, в стратиграфическом плане в качестве подстилающих отложений по отношению к ба-женовской свите мы считаем абалакскую свиту.

При определении минерально-компонентного состава за основу были взяты результаты рентге-нофлуоресцентного анализа в виде содержания (масс.%) оксидов элементов (№20, MgO, А1203, 8Ю2, Fe203, СаО и др.), валентность железа этим методом определить нельзя. Поскольку в породах выявлено присутствие минералов двухвалентного (II) железа, результаты анализа были пересчитаны на содержание Fe0. Также есть данные о потерях при прокаливании, т.е. выходе летучих компонен-

тов. К этим компонентам относятся углекислый газ, выделяющийся при разложении карбонатных минералов; вода, входящая в структуру глинистых минералов; а также ОВ пород, поскольку отдельно содержание углерода как элемента не измеряли. Кроме того, важна информация о содержании серы. Потери при прокаливании были откорректированы на содержание сульфидной и самородной (выгораемых форм) серы.

Рентгенофазовый анализ показал постоянное присутствие альбита (помимо кварца, пирита, глинистых и карбонатных минералов). Как уже упоминалось, в результате рентгенофазового анализа определяются массовые соотношения компонентов только кристаллической части пород, поэтому они были пересчитаны с учетом содержания ОВ. Оно вычислялось из данных пиролиза с допущением, что в ОВ содержится примерно 0,743 Сорг.

Для моделирования минеральных преобразований было выбрано 5 образцов разных типов пород (таблица).

Образец № 1 представляет собой карбонат-но-кремнистую породу, в минеральном составе содержатся (%) кварц (34,7), иллит-смектит (14,1), альбит (10), слюды (4,7), хлорит (5,9), цеолиты (1,2), пирит (1,2); карбонаты представлены доломитом (5,9), кальцитом (3,5), сидеритом (18,8).

В карбонатно-глинистой породе (образец № 2) преобладают глинистые минералы (30%). Помимо сидерита (23,5%) карбонаты представлены кальцитом, доломитом и родохрозитом; кроме того, в небольшом количестве в образце содержатся альбит, пирит, цеолиты, кварц.

В кремнисто-глинистой породе также преобладают глинистые минералы (56%), кварц (19%), хлорит (8,8%), карбонаты представлены кальцитом и сидеритом.

Карбонатная порода (образец № 4) сложена преимущественно карбонатами (доломит 73,8% и кальцит 4,6%), также присутствуют кварц, иллит-смектит, слюды, каолинит, альбит, цеолиты, пирит.

В керогеново-глинисто-кремнистой породе (образец № 5) преобладает кварц (79,1%), в небольшом количестве отмечены гидрослюды (4,3%), иллит-смектит (10%), альбит (3,6%) и пирит (3%).

Методика проведения моделирования. Моделирование выполнено с помощью программного продукта НСИ ^Иуагоу, 1999; Шваров, 2008], который позволяет описывать динамические геохимические процессы и неоднократно был использован при моделировании гидротермального процесса [Борисов, Шваров, 1992; Борисов, 2000]. Программный комплекс НСИ позволяет оценить равновесное (предельное) состояние системы вода-порода-газ-органическое вещество и через серию равновесных состояний создать модель изучаемого геохимического процесса. Стандартная база данных итШегт была дополнена термодинамической

информацией. Для этого были собраны литературные данные и в базу данных добавлены следующие компоненты: 5 типов керогена [Не^е80п е! а1., 2009], углеводороды [Не^е80п е! а1., 1998]. Модель состоит из 17 элементов: А1, Ва, С, Са, С1, Fe, Н, К, М§, Мп, Ка, О, Р, 81, Т1, и, V; кроме того, в базу данных добавлен в форме «пользовательского» элемента углерод органических соединений. Всего в модель входит 58 минералов, 119 водо-растворенных частиц (включая водорастворенные углеводороды), 28 углеводородов, 5 типов керогена.

Условия расчетов выбраны согласно условиям экспериментальной работы [Бычков и др., 2015]. Моделирование проведено при температуре от 50 до 350 °С и давлении насыщенного пара. Исходный состав минерального вещества вводился в программу в виде оксидов (таблица). За органическое вещество принят кероген состава С292Н288О12, который соответствует II типу и на диаграмме Ван Кревелена ложится на границу зон прото- и мезокатагенеза. Кероген типа II образуется из накопленного фито- и зоопланктона, бактерий и при участии привнесенного в бассейн вещества высших растений. Водная фаза представляет собой 0,05 т раствор Ка2СО3. Как показано в работе [Бычков и др., 2015], раствор такого состава способствует преобразованию керогена.

Результаты моделирования. Образец № 1, кар-бонатно-кремнистая порода. С ростом температуры в карбонатно-кремнистой породе увеличивается доля кварца, цеолиты теряют воду, причем отчетливо отмечается ряд смены одного минерала другим с более низким содержанием воды (рис. 1): сначала устойчив стильбит, затем при температуре 200 °С устойчив ломонтит, свыше 250 °С — вайракит. Карбонаты представлены сидеритом (6—17 масс.% при температуре от 50 до 300 °С), анкеритом (3—5 масс.% в интервале 200—300 °С), витеритом (0,1—0,3 масс.%), кальцит отмечается только при высокой температуре (около 1% при 350 °С). При разных значениях температуры с разным процентным соотношением в образце представлены альбит и клинохлор, отмечено образование сапонита при 350 °С. Слюды представлены мусковитом (9—12 масс.%) и в значительно меньшем количестве биотитом (0,2—0,4 масс.%). Показано, что содержание слюд в образце практически не зависит от изменения температуры. Помимо представленных на графике минералов в образце при низкой температуре присутствует пирит, при высокой — его сменяет пирротин, рутил устойчив при температуре 50—150 °С, затем — сфен. Урановые минералы представлены при температуре 50—100 °С браннеритом, а свыше — уранинитом.

Образец № 2, карбонатно-глинистая порода. При гидротермальном преобразовании карбо-натно-глинистой породы во всем температурном интервале устойчивы (масс.%) кварц (13—25), мусковит (21—24), клинохлор (2—5). Из глинистых

минералов присутствуют каолинит и монтмориллонит. Содержание каолинита снижается с 28 до 15 масс.% в интервале температуры от 50 до 250 °С, затем он сменяется монтмориллонитом. Также при температуре 200 °С более устойчив альбит. Вайракит (9—10%) присутствует в образце при температуре 250—350 °С. Карбонаты представлены в основном сидеритом (14—16%), а также доломитом (4% при температуре 50—100 °С), анкеритом (5% при 150—200 °С) и в малом количестве витеритом и магнезитом. Уран в температурном интервале 50—100 °С содержится в браннерите, а свыше 100 °С — в уранините. Кроме того, в образце присутствуют пирит (50—200 °С), пирротин (свыше 200 °С), рутил (во всем температурном интервале) и магнетит (при 350 °С).

Образец № 3, кремнисто-глинистая порода. Как видно на рис. 1, преобразования кремнисто-глинистой и карбонатно-глинистой пород довольно схожи. В образце № 3 преобладают (масс.%) кварц (15—33) и мусковит (22—26), глины (24—36) представлены каолинитом и монтмориллонитом. В меньшем количестве, чем в карбонатно-глини-стой породе, в этом образце содержатся карбонаты (до 10 масс.%) сидерит, доломит, анкерит, магнезит, вайракит.

Образец № 4, карбонатная порода. В образце № 4 преобладают карбонаты. Содержание доломита с ростом температуры снижается с 63 до 25 масс.%, а кальцита, наоборот, возрастает с 10 до 40%. Также среди карбонатов выявлен анкерит (1—4%) и в малом количестве витерит. При невысокой температуре (50—150 °С) устойчив стильбит (до 17%). Также в карбонатной породе присутствуют альбит, клинохлор, сапонит, мусковит, биотит, пирит, пирротин, магнетит, рутил, уранинит, браннерит.

Образец № 5, керогеново-глинисто-кремнистая порода. Керогеново-глинисто-кремнистая порода отличается значительно большим содержанием органического вещества (10,9% в исходном образце) и 81О2 (75,5%). Преобладает кварц (71—81 масс.%), также обнаружены (масс.%): альбит (до 11), каолинит (1—9 при различной температуре), мусковит (3—7), клинохлор (1), вайракит (1). Среди карбонатов преобладает сидерит (до 2). В малом количестве присутствуют сапонит, биотит, урановые минералы (уранинит, браннерит), пирит, пирротин, магнетит. При 50 °С устойчивым оказался кероген состава С292Н288О12.

Водная фаза при моделировании меняется незначительно. Состав воды гидрокарбонатно-натриевый за счет первоначально добавленной в раствор Ка2СО3. Изменение рН и ЕЙ растворов показано на рис. 2.

В карбонатно-кремнистой и карбонатной породе подкисление раствора на первых шагах моделирования связано с образованием карбонатных минералов и, соответственно, увеличением в воде

Температура, "С

Ti»nep«Typ«, *С

Температуре, "С

Рис. 1. Изменение минеральных ассоциаций исследуемых образцов пород баженовской свиты в ходе моделирования: А — карбонатно-кремнистая порода; Б — карбонатно-глинистая порода; В — кремнисто-глинистая порода; Г — карбонатная

порода; Д — керогеново-глинисто-кремнистая порода Ab — альбит, Ank — анкерит, Bhm — бемит, Clc — клинохлор, Do — доломит, Kln — каолинит, Lmt — ломонтин, Mgs — магнезит, Mm-Mg — магниевый монтморилонит, Mt — магнетит, Mu — мусковит, Po — пирротин, Py — пирит, Sap-Ca — кальциевый сапонит, Sd — сидерит, Stb — стильбит, War — вайракит

Температура, "С

Рис. 2. Изменение рН (А) и ЕЙ (Б) раствора при моделировании: 1 — карбонатно-кремнистая порода; 2 — карбонатно-глинистая порода; 3 — кремнисто-глинистая порода; 4 — карбонатная порода; 5 — керогеново-глинисто-кремнистая порода

количества иона Н . Подщелачивание раствора — результат образования натриевых минералов.

Выводы. 1. Термодинамические расчеты равновесия вода—порода при гидротермальном воздействии позволили установить равновесные минеральные ассоциации при температуре от 50 до 350 °С и давлении насыщенного пара воды. Результаты показали, что при температуре 100 °С, которая соответствует температуре пласта баженов-ской свиты, устойчивы те фазы, которые выявлены в породах в результате ренгенофазового анализа (кварц, альбит, каолинит, карбонаты, гидрослюды, цеолиты, пирит). Для карбонатно-кремнистой и карбонатной пород устойчивы цеолиты. Их количество варьирует от 10 до 46%.

2. Результаты расчетов показывают, что минеральные парагенезисы при повышении температуры меняются незначительно: для цеолитов характерен ряд стильбит—ломонтин—вайракит,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Борисов М.В. Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования. М.: Научный мир, 2000. 360 с.

Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. 256 с.

Бычков А.Ю., Калмыков Г.А., Бугаев И.А. и др. Экспериментальные исследования получения углеводородных флюидов из пород баженовской свиты при гидротермальном воздействии // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2015. № 4. С. 34-39.

Бычков А.Ю., Калмыков Г.А., Бугаев И.А. и др. Геохимические особенности пород баженовской и абалакской свит (Западная Сибирь) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2016. № 6. С. 86-93.

Калмыков А.Г., Бычков А.Ю., Калмыков Г.А. и др. Генерационный потенциал керогена баженовской свиты и возможность его реализации // Георесурсы. 2017. № 2. С. 165-172

Козлова Е.В., Фадеева Н.П., Калмыков Г.А. и др. Технология исследования геохимических параметров органического вещества керогенонасыщенных отложений (на примере баженовской свиты, Западная

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

каолинит сменяется монтмориллонитом и/или альбитом, пирит — пирротином, доломит — кальцитом, браннерит — уранинитом.

3. Кероген термодинамически устойчив только при 50 °С и только в образце с максимальным содержанием органического вещества. Это свидетельствует о том, что кероген в пластовых условиях баженовской свиты представляет собой метастабильное соединение, которое постепенно преобразуется в углеводороды, но скорость этого преобразования мала. Повышение температуры, как показывают экспериментальные исследования [Бычков и др., 2015], увеличивает скорость преобразования керогена.

4. Раствор в ходе моделирования изменяется мало, по химическому составу он гидрокарбонат-но-натриевый, значительно изменяется величина рН раствора.

Сибирь) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2015. № 5. С. 44-53.

Шваров Ю.В. HCh: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows // Геохимия. 2008. № 8. С. 890-897.

Helgeson H.C., Owens C.E., Knox A.M., Richard L. Calculation of the standard molal thermodynamic properties of crystalline, liquid, and gas organic molecules at high temperatures and pressures // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1998. Vol. 62, N 6. P. 985-1081.

Helgeson H.C., Richard L, McKenzie W.F. et al. Chemical and thermodynamic model of oil generation in hydrocarbon source rocks // Geochim. et Cosmochim. Acta. 2009. Vol. 73. P. 594-695.

Popov E, Kalmykov A., Cheremisin А. et al. Laboratory investigations of hydrous pyrolysis as ternary enhanced oil recovery method for Bazhenov formation // J. Petrol. Sci. and Engineering. 2017. Vol. 156. P. 852-857.

Shvarov Y.V. Algorithmization of the numeric equilibrium modeling of dynamic geochemical processes // Geochem. Intern. 1999. Vol. 37, N 6. P. 571-576.

Поступила в редакцию 16.11.2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.