Роль органического вещества в формировании свойств сланцевой залежи

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В качестве примера использовали прибалтийские горючие сланцы-кукерситы; в них органическое вещество (ОВ) — один из породообразующих компонентов. Показана объёмная значимость ОВ этих сланцев (из-за малой плотности) в объёме и мощности сланцевых пластов. Утверждается, что повышенное содержание ОВ предопределяет пониженную прочность этих сланцев по сравнению с карбонатными породами залежи. Подчёркнуто, что изменчивость концентраций ОВ и другие неоднородности сланцевых пластов (текстура, конкреционные тела и др.) — факторы мозаичного распределения участков с разными плотностно-прочностными свойствами и, как следствие, неравномерного сокращения пластов и их деформации в случае утраты ОВ (полной или частичной). Сделан вывод: переслаивание кукерситовых и известняковых пластов создаёт плотностную, прочностную анизотропию сланцевой залежи. Рассмотрена эпизодическая потеря сланцами ОВ (и карбонатов) в локальных участках сланцевой залежи. Здесь от кукерситов остаётся лишь их терригенная компонента с эпигенетическими сульфидами, обломками известняков и сланцев. Потеря ОВ объясняется сульфат­редукционными процессами в подземной гидросфере.

Полный текст

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

Содержания

Усредненный состав кукерситов, %

ОВ

карбонаты

терригенные компоненты

Массовые [8]

35

40

25

Объёмные*

54

25

21

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.

×

Об авторах

И. В. Юсупова

Институт проблем нефти и газа Российской Академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: t.p.romanova@gmail.com
Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, 3

Список литературы

  1. Юсупова И.Ф. // ДАН. 2008. Т. 420. № 2. С. 213–216.
  2. Юсупова И.Ф. // ДАН. 1991. Т. 316. № 3. С. 697–701.
  3. Юсупова И.Ф., Абукова Л.А, Абрамова О.П. // ДАН. 2007. Т. 414. № 1. С. 74 –77.
  4. Абукова Л.А., Юсупова И.Ф., Абрамова О.П. // ХТТ. 2014. № 2. С. 19–24.
  5. Абукова Л.А., Абрамова О.П., Юсупова И.Ф. Актуальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа. М.: Геос, 2004. С. 24–27.
  6. Юсупова И.Ф., Абукова Л.А. Ресурсовоспроизводящие, малоотходные природоохранные технологии освоения недр. М.: Изд-во РУДН, 2015. 71 с.
  7. Геология СССР. Эстонская ССР / Под ред. П. Я. Антропова. М.: Гостехиздат, 1960. Т. 28. 512 с.
  8. Формации горючих сланцев / Под ред. Б. А. Котлукова, С. С. Баухова. Таллин: Валгус, 1973. 150 с.
  9. Балушкина Н.С., Калмыков Г.А., Кирюхина Т.А. и др. // Геология нефти и газа. 2013. № 3. С. 48–61.
  10. Pommer M., Miliken K. // AAPG Bull. 2015. V. 99. № 9. P.1713–1744.
  11. Газизов М.С. Карст и его влияние на горные работы. М.: Наука, 1971. 204 с.
  12. Цветков Л.Д., Киселева Н.Л., Цветков Д.Л. Неф­­тегазоматеринские толщи мира. Ярославль: Аверс Плюс, 2015. 492 с.
  13. Wu Сhonglong, Yang Qi, Zhu Zuoduo, Liu Gang, Li Xing // Intern. J. Coal Geol. 2000. V. 44. P. 149.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. 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.


© Российская академия наук, 2019