5.8 Катагенез органического вещества и его факторы

В широком понимании катагенез – это процесс изменения осадочных пород и отдельных их частей: рассеянного ОВ, минералов, флюидов и пустотного пространства после завершения диагенеза и до начала метаморфизма. Катагенез развивается при увеличении глубины погружения пород в осадочном бассейне (ОБ) и воздействии возрастающей температуры в интервале от 15-30 до 300 °С. Таким образом, понятие «катагенез» соответствует понятию «эпигенез».

На стадии катагенеза реализуется потенциальная возможность ОВ осадочных пород производить нефть и газ и начинается их эмиграция в породы-коллекторы.

Генерация УВ происходит в результате глубокой и закономерной внутримолекулярной перестройки ОВ, которая заключается в дальнейшей его конденсации, ароматизации и карбонизации при воздействии температуры и других факторов катагенеза. Эти преобразования сопровождаются потерей ОВ периферийных алкильных цепей, отдельных циклов и различных функциональных групп, содержащих гетероатомы. При этом образуются жидкие продукты в виде битумоидов и большое количество газообразных веществ: метана, углекислого газа, аммиака, азота и сероводорода.

Газы образуются в различных количествах на всех стадиях преобразования ОВ. Однако доля биохимического метана составляет всего около 10 % в объеме, который образуется из рассеянного ОВ при температурах до 200 °С (Дж. Хант, 1982).

Таким образом, в катагенезе происходит постепенное упорядочение молекулярной структуры керогена вплоть до образования в конце катагенеза – начале метаморфизма гексагонально-слоистой структуры графита. В результате масса ОВ значительно уменьшается и ОВ полностью реализует свой генерационный потенциал. В общем, процесс катагенеза ОВ представляет собой термическую деструкцию, при которой происходит выделение летучих веществ, то есть твердая фаза начинает выделять жидкие и газообразные продукты. При этом общий объём ОВ в породе сильно увеличивается.

Главным фактором катагенеза ОВ является температура, включая его динамокатагенез, затем следуют каталитические свойства вмещающих пород, время и пластовое давление. Давление как фактор катагенеза оказывает противодействие температуре.

5.9 Шкала градаций катагенеза органического вещества

В настоящее время широко известна шкала градаций катагенеза осадочных образований, составленная Н.Б. Вассоевичем, А.Э. Конторовичем, Н.В. Лопатиным и другими исследователями в 1976 году (рис. 11).

Рисунок 11 - Шкала градаций катагенеза осадочных образований

и её сопоставление со ступенями углефикации с упрощением

(по Н.Б. Вассоевичу, А.Э. Конторовичу, Н.В. Лопатину и др., 1976)

1 – нефть; 2 – жирный газ; 3 - метан

На этой шкале выделяются три подстадии катагенеза: протокатагенетическая (ПК), мезокатагенетическая (МК) и апокатагенетическая (АК). Эти подстадии разделены на ряд градаций: ПК – на три, МК – на пять, АК – на четыре.

Каждая подстадия и градация катагенеза соответствует определённому процентному содержанию ряда показателей: углерода (С); выхода летучих веществ (V^г); показателю отражательной способности витринита в масляной среде (R_о), и определенной стадии углефикации углей.

Стадии углефикации характеризуются изменением марок углей от бурых до антрацита, которые обозначены на шкале соответствующими индексами: Б₁ – бурые мягкие, Б₂ – бурые матовые, Б₃ – бурые блестящие, Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), К (коксовые), ОС (отощённо-спекающиеся), Т (тощие), ПА (полуантрациты), А (антрациты).

Начало катагенеза характеризуется исчезновением гуминовых кислот, которые переходят в нерастворимую форму ОВ, и соответственно появлением витринита, который является одним из наиболее распространённых микрокомпонентов ОВ гумусового типа и углей, и почти всегда в виде детрита содержится и в рассеянном ОВ смешанного происхождения. Кроме того, он обладает наибольшим блеском и геохимической устойчивостью по сравнению с другими микрокомпонентами ОВ.

Установлено, что при воздействии на витринит температуры, в результате углефикации, происходит закономерное увеличение его отражательной способности. На этом основании для различных значений были вычислены соответствующие значения палеотемператур. Таким образом, отражательная способность витринита (ОСВ) стала использоваться как «максимальный палеотермометр».

В практике исследований используется относительное значение ОСВ, выраженное в процентах, которое обозначают символом «R». Значения ОСВ получают при сравнении с эталоном данных, полученных на полированной поверхности витринита в масляной (R_о) или воздушной (R_а) среде.

По показателям ОСВ определяют степень катагенетического преобразования ОВ и выделяют подстадии и градации катагенеза.

В начале катагенеза содержание углерода в ОВ составляет 60 %, выход летучих веществ 63 % и ОСВ, R_о – 0,25 %. С повышением уровня катагенетической превращенности ОВ, от одной градации к другой, содержание углерода и ОСВ, R_о растет, а выход летучих веществ падает. При этом на границе катагенеза и регионального метаморфизма ОВ полностью реализует свой нефтегазовый потенциал и превращается в органический графит. Соответственно содержание углерода в ОВ достигает 100 %, выход летучих веществ становится равным нулю.

На шкале показаны главные зоны нефтеобразования (ГЗН) и газообразования (ГЗГ). Они выделяются по интенсивности генерации жидких и газообразных УВ.

В целом, процесс эволюции ОВ протекает как во времени, так и в пространстве неравномерно, импульсивно, с различным соотношением объемов образующихся жидких и газообразных продуктов диагенеза и катагенеза. Всё это предопределило приуроченность генерации наибольших объемов жидких и газообразных УВ к определенным глубинным зонам, существующим в разрезе осадочных пород. При этом газы в разных объемах образуются на всех стадиях литогенеза (см. рис. 11).