Битуминозные коллекторы: от керогена до палеотектоники
За возможность написания этого поста должен сказать особую благодарность моим учителям в области исследования керна и геохимии - Яну Ирековичу Гильманову и Элле Александровне Вторушиной! Понимание концепции битумов я получил благодаря этим людям.
По определению битуминозные коллекторы содержат высоковязкий битум. Битум - это углеводороды, которые находится в твердой или полутвердой фазе при обычных температурах.
Из-за высокой вязкости битума проницаемость горных пород становится низкой. Из-за чего они становятся неколлекторами.
Интересно, что не существует единой концепции образования и единого определения «битума» применимо к пластовым условиям. С нефтепереработкой понятно, а вот что находится в пласте не так ясно.
С одной стороны, битумами должны являться нефти, представленные тяжелыми и неподвижными углеводородами, с другой стороны исследования показывают, что фракционный состав битумов слабо отличается от обычных нефтей [1].
Существует основные две концепции происхождения битумов в пустотном пространстве горных пород:
- Диагенез и катагенез органического вещества: преобразование органики под давлением и температурой в недрах (коллекторы с органическим веществом).
- Прохождение вторичных процессов в залежах:
- Эвапорация летучих компонентов нефти: потеря легких фракций нефти, что приводит к концентрации более тяжелых соединений.
- Биохимическое воздействие: распад нефти под действием бактерий и микробов (биодеградация).
Коллекторы с органическим веществом
Коллекторы нефти, осложненные органическим веществом, представляют собой особый тип нефтеносных горных пород, в которых содержится значительное количество органики, включая кероген и битуминозные компоненты.
Необходимо отметить, что битум и кероген хотя и связаны с единымы процессами формирования углеводородов, но имеют разные характеристики и происхождение.
Кероген - это твердая нерастворимая органическая масса, содержащаяся в осадочных породах. Он образуется из остаточных органических материалов (таких как растения и микроорганизмы), которые подвергались процессам разложения и преобразования в течение миллионов лет в условиях высоких давлений и температур.
Он представляет собой предшественник нефти и газа, т.к. при разложении керогена образуются углеводороды, такие как нефть и природный газ.
Битум - это уже жидкая и вязкая, черная масса, состоящая из более простых молекул углеводородов по сравнению с керогеном, из которого он образуется.
Давайте рассмотрим эти отложения на главном “баянистом” примере - Бажене! Наверное, при упоминании битутов и керогена, у всех на ум приходит именно этот объект.
Баженовская свита Западной Сибири – одно из крупнейших и наиболее известных нефтематеринских образований, представляющее собой уникальный и сложный коллектор. Она относится к позднеюрскому периоду и располагается на глубине 2–3 км в большей части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции.
Баженовская свита содержит значительные запасы нефти, которые образовались благодаря высоким концентрациям органического вещества (содержание керогена до 20%). При повышении температуры и давления в глубинных слоях земной коры кероген постепенно преобразуется в битум, нефть и газ, которые затем мигрируют по разрезу или накапливаются непосредственно в баженовских отложениях. Так считается, что до 80% углеводородов Западной Сибири образовалось именно в горных породах баженовской свиты.
Еще особенностью баженовской свиты является то, что она является одновременно источником углеводородов и их коллектором. В её составе выделяются основные два типа горных пород:
- кремнисто-сланцевые породы, обогащенные органическим веществом (являются основным нефтематеринским материалом)
- глинисто-карбонатные породы в зависимости от условий осадконакопления, могут быть с высоким содержанием кальцита, доломита и пирита (считаются основным дренирующим материалом).
В баженовской свите нет коллекторов в обычном понимании этого слова. Считается что приточными интервалами являются карбонизированные растресканные разности (2 тип), по которым идет движение нефти, дренируемой из глины/керогена (1 тип).
Остается вопрос объема запасов в таких отложениях – в трещинах карбонатизированных разностей не может содержаться большой объем углеводородов (считается что пористость трещин меньше 1 %), а подпитка из нефтенасыщенных глин и выделение нефти из керогена пока не изученные процессы. И еще вопрос - сколько будет работать такой коллектор??
И как раз особенностью органического вещества (в том числе керогена) является повышенная радиоактивность по урановой компоненте. Это связано с тем, что органическое вещество эффективно абсорбирует и удерживает уран из подземных вод или растворов благодаря его химическим и физическим свойствам и способности создавать восстановительную среду.
Сейчас в целях стандартизации подходов к определению подсчетных параметров для баженовской свиты приняты методические рекомендации [2], однако большинство вопросов еще остается изучить.
Коллекторы с природными битумами
Примеры таких коллекторов часто встречаются в Восточной Сибири – вследствие палеотектонической активности региона встречаются разрушенные залежи: предположительно из-за нарушения целостности покрышки легкие углеводороды мигрировали вверх по разрезу, оставив тяжёлые фракции в пустотном пространстве. В последствии такие залежи были повторно заполнены «новыми» углеводородами.
Другая гипотеза также связана с палеотектоникой – битумы образовались вследствие взаимодействия с мигрирующим пластовыми водами. Примером, таких отложения является верхнечонский горизонт, где на контакте нефти и воды (ВНК) находится битуминозный слой, являющийся экраном для подстилающей воды и обеспечивающий безводные дебиты.
То есть исходным веществом для формирования таких типов битумов является нефть, а не органика.
При исследованиях керна возникает ряд вопросов [3], в частности, с возможностью экстракции битума из пустотного пространства – может ли битум быть экстрагирован, полностью или частично и каким растворителем? И является ли нерастворенное вещество действительно битумом или его наличие обосновано невозможностью растворителя зайти и тонкие поры/капилляры?
В таких отложениях существует большая сложность разделения углеводородов на соответствующие типы – что является битумом, а что является остаточной нефтью?
Т.к. геофизические методы не могут определять динамические параметры флюида, а только фиксируют статические характеристики около скважинного пространства, то по методам ГИС битум не отличим от обычной нефти. Таким образом, битуминозные интервалы выделяются по ГИС как хорошие нефтенасыщенные коллекторы, но при этом не дают приток флюида.
Т.к. такой битум не является результатом разложения керогена (органики), то и урановой компоненте не откуда взяться.
Битум можно выделить только и использованием комплексирования ядерно-магнитной метода (ЯМК) с показаниями методов ГГКп, НК и АК.
Т.к. битум является вязким веществом, то релаксация водорода в ЯМК проходит намного быстрее чем в свободной нефти и из-за ограничения и несовершенства аппаратуры (невозможность регистрировать малые времена релаксации), а также влияния скважинных условий, битум не фиксируется на показаниях ЯМК (скорее всего, но не факт). Таким образом, коэффициент пористости по данным ЯМК будет занижен.
С другой стороны, на показания методов ГГКп, НК и АК битум сказываться не будет. И сопоставлением коэффициента пористости по ЯМК с коэффициентом пористости, определенным по другим методам ГИС, можно прогнозировать наличия битума в пустотном пространстве.
Таким образом, по способу происхождения существует минимум два типа битумов, которые различаются по своему составу и характеристикам.
Литература:
- Вторушина Э.А. Геохимическая характеристика нафтидов венд-нижнекембрийских карбонатных отложений центральной части Непско-Ботуобинской нефтегазовой области / Э. А. Вторушина, М. Г. Кульков, Г. Т. Салахидинова, Р. И. Бутырин, А. Э. Алиев, В. В. Марков, К. С. Савичев // Георесурсы, 2025.
- Методические рекомендации по подсчету запасов нефти в отложениях баженовского горизонта Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции: утверждены приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 01.11.2013 № 477. — М.: Минприроды России, 2013. — 45 с.
- Фадеев, А. М. Изучение битуминозных интервалов карбонатных пластов Восточной Сибири по данным керна / А. М. Фадеев, Я. И. Гильманов // Каротажник. – 2023. – № 5(325). – С. 84-95. – EDN RLUXXQ.