The role of organic matter in formation of the properties of a shale deposit

Full Text

Горючие сланцы представляют интерес на разных этапах своего существования: на ранних как энергетическое и технологическое сырьё, на более поздних — как нефтематеринские породы, генерирующие на катагенных глубинах жидкие и газообразные сланцевые углеводороды. Это даёт возможность использовать сланценосные толщи для познания ряда процессов и явлений, происходящих в чёрносланцевых отложениях на всех стадиях катагенеза.

Главное отличие горючих сланцев от других осадочных пород — повышенное (>10–15%) содержание твёрдого органического вещества (ОВ). Его роль в формировании некоторых свойств сланцевой залежи рассмотрена на примере прибалтийских горючих сланцев‑кукерситов. Залегающие ниже диктионемовые сланцы (O₁pk) здесь не рассматриваются. Автор изучала ОВ кукерситов в разных аспектах: проявление в карстовых процессах, создание эпигенетической пустотности, деформационные изменения сланцевых пластов, возможности утилизации ОВ суль­фатредуцирующей микрофлорой, его химико-битуминологические особенности ([1–6] и др.).

Сланценосная толща (O₂kk) Прибалтийского сланцевого бассейна мощностью ~30 м содержит многочисленные пласты кукерситов. Это породы, состоящие из трёх породообразующих компонентов: ОВ, карбонаты, терригенный материал. Пласты кукерситов переслаиваются с известняками, которые зачастую содержат ОВ. Большинство кукерситов массивные, реже тонкослоистые породы ([7, 8] и др.).

Сланцевая залежь — сближенные пласты кукерситов в сланценосной толще; они образуют так называемый промышленный пласт (промпласт) мощностью до 3,2 м. Из них собственно горючих сланцев — до 1,8 м (рис. 1). Содержание ОВ в пром­- пласте до 40 мас.% и более; ОВ — гетератомное, высокомолекулярное с элементным составом, %: C 76,5–77,5; Н 9,4–9,9; N 0,2–0,5; S 1,2–2,0; Cl 0,5–0,9; O 9,0–11,0; степень преобразованности — ранний катагенез. ОВ кукерситов сингенетичное, представлено остатками сине-зелёных водорослей ([8] и др.). Установлено, что содержание ОВ в сланце, теплота сгорания сланца и выход из него смолы при сухой перегонке находятся между собой практически в линейной зависимости ([8] и др.).

Наличие концентрированного органического вещества (КОВ) предопределяет ряд физико-механических особенностей самих сланцев и залежи.

При содержании ОВ ~5–10% карбонатные породы сланценосной толщи приобретают бежевую окраску. В целом цветовая гамма самих кукерситов ограничивается буровато-коричневыми тонами. В отдельных участках залежи в горных выработках кукерсит документируется как “почерневший”, “чёрный”, “порченный”. Здесь изменение цвета объясняют частичной потерей ОВ под воздействием различных факторов, в том числе избирательной утилизацией части ОВ сульфатредуцирующей микрофлорой ([8, 11] и др.).

Известно, что ОВ отличает от минерального вещества пониженная плотность (~1 кг/дм³). Это предопределяет пониженную плотность и самих кукерситов. Например, при 30%-ном содержании ОВ плотность этих сланцев ~1,8 кг/дм³ [8].

Пониженная плотность ОВ обусловливает его объёмную значимость: при равных массовых содержаниях минерального вещества и ОВ на долю второго приходится больший объём. Поэтому объёмные соотношения компонентов в кукерситах не совпадают с массовыми (табл. 1).

Объёмная значимость ОВ, в свою очередь, определяет:

а) более существенный вклад ОВ в мощность кукерситовых пластов;

б) более “терригенный” состав кукерситов по сравнению с массовыми соотношениями (табл. 1);

в) разный объём пустотности, образующийся при деструкции равных количеств органического и минерального вещества (в первом случае он будет больше). Роли ОВ в формировании вторичной пустотности посвящены многие работы, в том числе автора ([1, 3, 9, 10] и др.).

Прочностные показатели таких поликомпонентных образований, как кукерситы, зависят от многих факторов: пространственного соотношения компонентов, их количества, крупности, степени цементации между ними, наличия конк- реций и других неоднородностей¹. Тем не менее признано, что повышенные содержания ОВ пред­определяют пониженную прочность кукерситов. Для шахт Ленинградского месторождения проч­ность пород залежи составляет для кукерситов 200–300, известняков 440–650 кг/см² [11].

Рис. 1. Сланцевая залежь Прибалтийского бассейна горючих сланцев [7]. 1 — горючий сланец; 2 — известняк с содержанием ОВ 5–10%; 3 — известняк с содержанием ОВ < 5%; 4 — индексация пластов горючих сланцев на месторождениях: на Эстонском — А–F; Ленинградском — I–IV.

Таблица 1. Несоответствие массовых и объёмных содержаний в кукерситах

Примечание*. При плотности ОВ — 1,0; карбонаты — 2,5; терригенные компоненты — 2,0 мас.%.

Таким образом, переслаивание кукерситов и известняков создаёт плотностную и прочностную анизотропию залежи, обусловливая свое­образие её существования в массиве.

Изменчивость концентраций ОВ (и других породообразующих компонентов) в той или иной степени присуща многим сланцам ([12] и др.).

В нашем случае она контролируется текстурными неоднородностями, морфологией (равномерной, гнездообразной, линзовидной, слоевой и др.) скоплений ОВ, конкрециями и др. На Эстонском месторождении содержание ОВ 11,5–68,4%, т. е. ~20–80 об.%. “Сверхконцентрации” ОВ свидетельствуют о существовании в пластах участков с углеродистой (органической) матрицей, а не с минеральной. Известняки, разделяющие пласты кукерситов, также содержат ОВ до 5,0–10,0% ОВ [7, 8].

Изменчивость концентраций ОВ в пластах пред­определила мозаичное распределение участков с разными качественными (теплотворная способность и др.) и плотностно-прочностными свойствами, в том числе с углеродистой и минеральной матрицами. Всё это залог последующих внутрипластовых деформаций и многообразия форм пустотного пространства, фильтрационной неоднородности в сланцевых пластах в процессе утраты кукерситами своего ОВ.

В случае потери (частичной или полной) ОВ, уменьшение мощности и усадка пластов кукерситов будут неравномерными и обусловят разнообразные деформации в виде трещиноватости, ослабленных зон, нарушения целостности пластов, проседания вышележащих слоёв; уровень дислоцированности и флюидопроводимости повышается. Потеря ОВ на других месторождениях, например на угольно-сланцевом гиганте Фушунь (КНР) [13], может иметь свои особенности, но в любом случае нарастающее изъятие ОВ вызовет соответствующую реакцию залежи.

Утрата кукерситами ОВ происходила на локальных участках залежи, на которых под воздействием совокупности факторов (механичес ких, химических, биогенных) в условиях подземной гидро­сферы сланцы теряли своё ОВ (и карбонаты). Они постепенно превращались сначала в “почерневшие” разновидности, неравномерно сокращались в мощности, деформировались ([1, 11] и др.).

В конечном счёте от кукерситов осталась их терригенная компонента с обломками известняков, самих сланцев, эпигенетическими сульфидами (пирит, галенит и др.) по трещинам и кавернам ([7, 8, 11] и др.).

Здесь потеря кукерситами своего ОВ перио- дически происходила в условиях подземного карста, восстановительной анаэробной среды, проявилась мозаично и была сопряжена с генерацией сульфидной S. Избирательный характер утилизации ОВ кукерситов сульфатредуцирую- щей микрофлорой обусловил разукрупнение и деструкцию такого сложного высокомолекулярного материала, как ОВ этих сланцев, способствуя его частичному растворению, выносу подземными водами и другим преобразованиям. Геологические особенности (дефицит сульфатов и др.) обусловили прерывистый, мозаичный характер сульфатредукции. Это сохранило сланцевую залежь от полного уничтожения ([1, 11] и др.).

Таким образом, кукерситовая залежь в локальных зонах эпизодически становилась ареной генерации сульфидной S. Одна из причин этого явления — наличие ОВ, одно из следствий — утрата ею ОВ.

Органическое вещество кукерситов, как твёрдый компонент литосферы, на этих участках исчезло. Горючие сланцы стали обычными осадочными породами; здесь сланцевая залежь прекратила своё существование.

About the authors

И. Ф. Юсупова

Author for correspondence.
Email: t.p.romanova@gmail.com
Russian Federation, 3, Gubkin Street, Moscow, 119333

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Shale deposit of the Baltic combustible shale basin [7]. 1 - oil shale; 2 - limestone with an OM content of 5–10%; 3 - limestone with OM content <5%; 4 - indexation of layers of combustible shale in the fields: in Estonian - A – F; Leningradsky - I – IV.

Download (1MB)

Indexing metadata