Изотопно-геохимический метод базируется на эмпирически установленной и подтвержденной экспериментально зависимости изотопного состава углерода метана и вторичных карбонатных новообразований от степени преобразованности ОВ и УВ. Поисковые показатели относятся к числу прямых индикаторов нефтегазоносности в случае исследований метана и косвенных - в случае изучения карбонатных новообразований.
Известно наличие изотопной зональности процессов газообразования. В частности, в верхней части осадочного разреза, где преобладают процессы бактериального разложения ОВ, образуется метан, внаибольшей степени обогащенный легким изотопом: δ13С от -60 до -95 ‰. По мере погружения осадков и затухания бактериальной деятельности главную роль играют процессы термокаталитического (абиогенного) преобразования ОВ. В главной зоне нефтеобразования генерируется метан с δ13С от -57 до –35 ‰ (с этой зоной связаны основные месторождения нефти и конденсата). В нижней зоне газообразования за счет высокотемпературного преобразования ОВ образуется метан с изотопным составом от -30 до -20 ‰. Здесь же за счет высокотемпературной деструкции жидких УВ образуется метан со значениями δ13С от -40 до -50 ‰ (это зона метанизации нефтей).
Изотопное фракционирование при миграции газа несоизмеримо мало по сравнению с изотопными различиями, обусловленными первичными генетическими факторами. Поэтому изотопно-геохимический метод поисков нефти и газа используется для оценки генетической природы газогеохимических аномалий и газопроявлений, выявленных на различных уровнях разреза по комплексу изотопных и газогеохимических показателей.
Таким образом, если наблюдается проникновение газа из залежи в покрывающие отложения, то по ИСУ метана они будут находиться в контрасте с условиями генерации в покрывающих отложениях. В частности, если геохимическое зондирование проводится в биохимической зоне, представленной изотопно лёгким метаном, то наличие миграционного потока от нефтяной залежи выразится в смещении ИСУ в сторону менее отрицательных значений. Задача поисков сводится к выявлению в поверхностных отложениях контрастных изотопных аномалий. Поскольку величина изотопного смешения будет определяться количеством мигрирующего газа, установить источник метана и его глубину только по ИСУ не представляется возможным. Например, на сингенетичном фоне ИСУ метана = - 70‰ одна и та же величина δ13С=-60‰ может быть обусловлена как поступлением 50 % нефтяного газа (δ13С=-50 ‰), так и 20 % газа нижней газовой зоны (δ13С=-25 ‰). По той же причине не представляется возможным по ИСУ установить тип залежи, хотя в пределах одного бассейна газы нефтяных залежей, как правило, на 5-10 ‰ изотопно легче газоконденсатных. В ряде регионов генерация изотопно тяжёлого метана за счёт глубокого метаморфизма возможна практически на любой глубине (например, за счёт глубокого преобразования углистого вещества пермо-карбона Лено-Тунгусской НГНП процессами траппового магматизма).
Надежный прогноз нефтегазоносности с применением метода обеспечивается при достаточной изученности изотопного состава углерода (ИСУ) метана и карбонатных новообразований как в зоне поискового геохимического зондирования (ЗПГЗ), так и в газах и карбонатных минералах продуктивных горизонтов.
Появление во вмещающиъх породах карбонатов, аномально обогащённых изотопом 12С (δ13Скарб<0), свидетельствует о взаимодействии эпибитумоидов (углеводородов нефти) и карбонатов. В зоне анаэробгого гипергенеза (δ13Скарб может достигать -27 ‰ (приближаясь к ИСУ нефтяных углеводородов). Также возможность изотопной диагностики миграционного потока УВ предоствляет определение ИСУ бикарбонатов пластовых вод (δ13СНСО3 пласт.вод≈ δ13СУВ). Изотопно-геохимический метод используется при региональных и прогнозно-рекогносцировочных геохимических работах главным образом для оценки природы естественных проявлений углеводородных газов и карбонатной минерализации, для разбраковки выявленных аномалий. При поисково-оценочных и детальных работах – для оценки перспектив нефтегазоносности локальных площадей, выявления продуктивной части в конкретных геологических разрезах, определения местоположения в ней продуктивных пластов и прогноза типа залежи в этих пластах.
Эффективность метода значительно возрастает при комплексировании его с другими поисковыми методами, особенно с газогеохимическим, литогеохимическим и геомикробиологическим [Зорькин Л.М. и др., 1986 г.].
Информативными показателями являются: ИСУ метана, характер связи δ13С метана с относительным содержанием гомологов и содержанием метана в пробе (%).
В случае миграции газов от залежи и достижении ими верхней части осадочного разреза они будут находиться в контрасте с местными условиями газогенерации и отличаться по ИСУ метана от сингенетичных газов. Контрастность изотопной аномалии (δ13Саном) в поверхностных отложениях определяется соотношением ИСУ сингенетичного (δ13Ссинг) и эпигенетичного (δ13СЭпиг) метана:
δ13Саном = (1-Р/100) δ13Ссинг + (Р/100) δ13Сэпиг, где Р — доля сингенетичного газа.
При преобладании в ЗПГЗ сингенетичной составляющей контрастность газовой аномалии по абсолютному значению δ13С будет низкой.
На изотопный анализ отбирают пробы газа поверхностных газопроявлений, пробы керна и бурового раствора с последующей их термовакуумной дегазацией. Требования к методике и качеству отбора проб аналогичны требованиям, действующим при газогеохимическом методе.
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА
Как известно, наряду с широко распространенными в природе составляющими молекулы воды 16О и Н в ней в относительно незначительных количествах присутствуют изотопы 14О, 15О, 16О, 17О, 18О, D(2H) и Т(3Н). По отношению к основным изотопам они находятся в микроколичествах. Один атом тяжелого кислорода 18О приходится приблизительно на 500 атомов кислорода 16О, один атом дейтерия (2Н) – на 6,5 тыс. атомов водорода Н (протия). Атом трития (3Н) встречается в 1018 раз реже протия. Изотопы 14О, 15О, 17О и 3Н радиоактивны, остальные — стабильны.
Состав стабильных изотопов элементов воды изучается с помощью различных методов, в том числе путем определения плотности различных видов природных вод с предварительной очисткой их от солей. Наибольшее распространение получили фотонейтронный и масс-спектрометрический методы, подробное описание которых имеется в специальной литературе. При изотопном анализе физические константы воды сравниваются со стандартами. Обычно в качестве эталонов используют воду рек, атмосферные осадки. В последнее время принят международный стандарт SMOW, отвечающий содержанию изотопов в океанической воде.
Наиболее удобная и приемлемая форма выражения изотопного состава кислорода и водорода — это величины δ18О и δD в процентах или промилле, кроме того, результаты определения изотопного состава могут быть выражены в молярных долях, а также в относительных единицах (по сравнению, например, с московской водопроводной водой, используемой в кач-ве рабочего стандарта).
В последние годы при интерпретации гидрогеологических данных предпочтение отдается, как правило, масс-спектрометрическому анализу. Высокая точность измерений позволяет использовать полученные данные для установления генезиса подземных вод источников питания водоносных горизонтов, а также для решения других важных вопросов, в том числе и нефтегазопромысловой гидрогеологии.
Анализы стабильных изотопов обеспечивают получение достоверной генетической информации, поскольку в природных водах различного генезиса обнаружены систематические вариации содержаний дейтерия и изотопа 18О.
Океаническая вода на глубине 500 м и более исключительно однородна, стандарт океанической воды имеет следующее содержание изотопов водорода и кислорода: D/H (158±2) * 10-6, 18О/16О (1993,4±2,5) • 10-6.
Вариации изотопного состава молекулы Н2О дождевых вод, снега, ледникового льда, вод различных водотоков, озер и рек подчинены строгим закономерностям: чем выше географическая широта района или его высота над уровнем моря (а следовательно, ниже средняя годовая температура воздуха), тем ниже величины D/H и 18О/16О.
Мнения ученых о содержании дейтерия и 18О в эндогенной («ювенильной») воде расходятся. Согласно исследованиям большинства авторов, по различным районам земного шара наблюдается закономерное увеличение содержания тяжелых изотопов элементов воды с увеличением глубины, повышением температуры и закрытости недр. Установлена симбатность в изменении концентраций дейтерия и кислорода-18, объясняющаяся удалением, более легких изотопов при испарении воды.
Процессы, которые могли бы повлиять на фракционирование или изменение соотношения между изотопами водорода, следующие: 1) изменение климата во времени, в результате чего меняется изотопный состав атмосферных осадков; 2) изотопный обмен между водой и другими водородсодержащими соединениями, такими как УВ, сероводород, гидратные минералы; 3) выпаривание; 4) диффузия и связанные с ней изменения. По-видимому, к перечисленному можно добавить процессы кристаллизации и перекристаллизации, а также деятельность живых организмов. Последнее явл-ся совершенно неизученной областью.
В отличие от изотопов водорода изотопное фракционирование кислорода в подземных водах зависит от: 1) величины δ18О первичной, необменной воды; 2) величины δ18О твердого вещества, с которым может происходить обмен (в первую очередь карбонаты, силикаты и др.); 3) быстроты достижения равновесия между водой и породой; 4) температуры, при которой достигается равновесие. Наиболее существенные изменения происходят под влиянием температуры.
Необходимо подчеркнуть, что основной причиной фракционирования изотопов водорода в подземных водах являются не процессы, происходящие в осадочной оболочке, а генезис этих вод. Как известно, в глубоких зонах осадочной оболочки залегают преимущественно воды морского генезиса, в большей степени обогащенные тяжелыми изотопами, чем метеогенные (инфильтрационные) воды. Все остальные эффекты, обусловливающие формирование изотопного состава подземных вод, относятся к эффектам «второго порядка малости».
Многочисленными исследованиями вод различных бассейнов мира установлено, что основным процессом, формирующим изотопный состав вод, является смешение различных по генезису подземных вод.
Изучение содержания дейтерия, в водах и нефтях месторождений вблизи ВНК, проведенное Ф.А. Алексеевым и др. и В.С. Брезгуновым, А.С. Власовой, В.Н. Сойфером (1968 г.), показало в среднем одинаковое содержание этого изотопа в водах я нефтях и отсутствие изотопного эффекта в зоне ВНК.Названные исследователи отмечают незначительное повышение концентрации дейтерия в приконтурных водах по отношению к законтурным, которое они объясняют гидродинамическими особенностями нефтеносных структур.
Иное мнение высказывается в более ранних работах Ф.А. Алексеева, В.В. Концовой (1962 г.) и Р. Клейтона и др. (1966 г.), которыми установлено увеличение содержания дейтерия в пластовых водах с глубиной (рис. , а). Этот эффект является результатом изотопного обмена между водой и нефтяными УВ. Подтверждением этого служит график распределения дейтерия по разрезу (рис. ,б), на котором четко выделяются два пика, соответствующих нефтеносным горизонтам ДI и ДII. Аналогичные результаты получены при лабораторных наблюдениях изотопного обмена между нефтью и тяжелой водой, а также при анализе вод, наиболее прочно связанных с нефтью, в которых молярное содержание дейтерия достигает 4*10-2 ‰. Необходимо отметить, что этот вопрос изучен недостаточно.
Ж. Рот (J. Roth, 1957 г.) отмечает, что 85 частей дейтерия на миллион .частей водорода в сероводороде природного газа мест рождения Лак (Франция) соответствует равновесию с пластовыми водами; содержащими 150 частей дейтерия на миллион частей водорода при температуре резервуара 140°С. Это дает основание полагать, что вблизи залежей нефти и газа в восстановительной обстановке при наличии в составе газов сероводорода пластовые воды будут обогащены дейтерием.
Исследованиями В. В. Павленко (1978 г.) установлено, что в Иркутском нефтегазоносном бассейне на отдельных площадях резко снижается концентрация дейтерия (-253÷ -256 ‰) – до величины ниже среднего его содержания в поверхностных водах (-145 ‰). Этот факт объясняется реакцией обмена между водородом воды и сероводородом, в результате чего происходит обогащение воды протием, а сероводорода — дейтерием. Этот весьма важный вопрос нуждается в дальнейшем изучении.
Ф.А. Алексеевым и В.В. Концовой (1962 г.) были проведены опыты по установлению изотопного взаимодействия между водами и нефтями. В опытах были использованы эталонная (нормальная) и тяжелая вода с известным содержанием дейтерия и разными рН (1-10). В результате был сделан вывод, что на процесс изотопного обмена между водой и нефтью основное влияние оказывает содержание дейтерия в исходной воде (рис.). Из графика видно, что при любых значениях рН со временем происходит увеличение концентрации дейтерия для эталонной воды и уменьшение для тяжелой, что подтверждает существование изотопного обмена между водой и нефтью и отсутствие влияния рН на этот процесс. Этими же авторами установлена обратимость рассматриваемого процесса и равновесное содержание дейтерия в нефти и воде, которое соответственно составляет 2:1 и 3:1. Минерализация вод существенного влияния на содержание дейтерия не оказывает.
Опыты по выяснению возможности изотопного обмена водорода между водой и нефтью, проведенные В.В. Павленко (1978 г.), показали, что концентрация дейтерия в контактирующих с нефтью водах практически не увеличивается по отношению к исходной воде.
Однако окончательные выводы о возможности изотопно-обменных процессов на ВНК делать преждевременно, так как в первом случае бралась заведомо обогащенная дейтерием вода, во втором — обедненная (дистиллят воды из р. Ангары) по отношению к ПлВ. Кроме того, в пр-ссе эксперимента не были смоделированы пластовые термобарические усл-ия.
Благоприятными областями для нефтегазонакопления являются участки с высоким содержанием дейтерия в водах, близких к океаническому, и отсутствием трития, наличие которого свидетельствует о возрасте вод не более 50 лет.
Методами прецизионной масс-спектрометрии было изучено распределение концентрации дейтерия и кислорода-18 в подземных водах «пустых» и продуктивных структур ряда нефтегазоносных областей Советского Союза.
Особый интерес представляют детальные исследования поведения изотопов кислорода и водорода контурных вод непосредственно у ВНК. В отличие от Ф.А. Алексеева и др., В.В. Павленко (1978 г.) был установлен эффект увеличения концентрации дейтерия и кислорода-18 при приближении к ВНК. Для дейтерия это показано на рис.
Сходный характер распределения содержания радия, дейтерия и кислорода-18 в контурных водах позволили Н.П. Щербаку (1979 г.) высказать предположение о решающей роли радиолиза в процессе обогащения контурных вод тяжелыми изотопами. Механизм фракционирования изотопов в водах зоны ВНК объясняется этим исследователем следующим образом. При радиолизе воды и образования в продуктивных пластах большого набора реакционноспособных частиц (Н+, О2-, Н2, О2, ОН-, Н2О2 и т.п.) и их рекомбинаций, легкие изотопные разновидности благодаря большей подвижности уходят из воды первыми с необратимым расходованием водорода на гидрогенизацию УВ (В.А. Соколов, 1948 г.), реакцию восстановления Fe3+ и сульфатов (Н.Е. Hawkes 1972 г.), а кислорода — на окисление ОВ. Тяжелые изотопы в течение геологического времени будут накапливаться в остатке, создавая ореол «утяжеленных» вод вокруг залежей УВ.
