Способ геохимических поисков залежей нефти и газа

Изобретение относится к геологоразведочным работам, в частности к геохимическим поискам залежей нефти и газа. Сущность изобретения заключается в том, что на подготовленную пробу воздействуют электронным пучком с длительностью импульса 1-10 нс и плотностью энергии, варьируемой в диапазоне от 0,1 до 0,5 Дж/см², измеряют спектрально-кинетические характеристики импульсной катодолюминесценции отобранных пород в диапазоне от 200 до 1200 нм, определяют значения интенсивностей, характеристических полос люминесценции, присутствующих в пробах минералов, наносят их значения на карту и по полученным значениям интенсивностей полос, превышающих фоновые, определяют площади, перспективные на нефть и газ. Техническим результатом является повышение эффективности прогнозирования и поисков месторождений углеводородов. 7 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к геологоразведочным работам, в частности к геохимическим поискам залежей нефти и газа, и может быть использовано при прогнозировании нефтегазоносности локальных структур до постановки глубокого бурения.

Известен способ обнаружения месторождений нефти и газа путем бурения скважин, отбора проб пород и их физико-химического анализа, в том числе на содержание рассеянного органического углерода и углеводородных газов [Методические рекомендации по геохимическим методам поисков месторождений нефти и газа. М., ОНТИ ВНИИЯГГ, 1975, с.81-82]. Однако этот способ не совсем эффективен вследствие того, что в выделяемых горизонтах не обеспечиваются условия аккумуляции и длительного сохранения углеводородных газов, возможны их латеральные перетоки, приводящие к смещению аномалий, затруднено определение генетической природы углеводородов, что снижает надежность прогноза нефтегазоносности ловушек по данным геохимических поисков.

Известен также способ поисков залежей нефти и газа по ореолам вторичного минералообразования [Митропольская Г.Л., Герасимова Е.Т., Мухутдинова М.К. и др. Некоторые особенности терригенных отложений девона и карбона на востоке Русской платформы как критерий нефтеносности. ДАН СССР, т.194, №4, с.930-932], при котором отбирают пробы пород, выделяют из них фракцию 0,5-0,1 мм, проводят минералогический анализ с целью определения изменения состава карбонатов по направлению от периферии к сводам структур - от известняков до доломитов-анкеритов. По увеличению содержания доломита-анкерита судят о наличии залежей нефти и газа. Недостатком этого способа является то, что изменение состава карбонатов от известняков к доломитам-анкеритам, которое принимается в качестве поискового критерия, не может трактоваться однозначно.

Наиболее близким к предлагаемому является способ геохимического поиска залежей нефти и газа [Авторское свидетельство СССР №1631484, МПК 5 G01V 9/00, опубл. 28.02.91, Бюл. №8], заключающийся в отборе пробы пород из подпочвенного слоя, их дроблении, выделении фракции размером не более 0,5 мм, измерении в выделенной фракции светосуммы термолюминесценции в спектральном диапазоне 300-750 нм в бескислородной среде, и по полученным значениям светосуммы, превышающими фоновые, оконтуривают площади, перспективные на нефть и газ. Способ основан на том, что в породах, подвергавшихся воздействию углеводородов, происходят изменения количества и типа структурных точечных дефектов, приводящих к созданию характерных центров свечения. Суммарное количество этих центров определяется по интегральной интенсивности термолюминесценции.

К недостаткам этого способа следует отнести, во-первых, то, что для осуществления указанного способа необходимо проводить измерения в среде сухого азота, т.к. породы из нефтегазоносных районов часто обладают интенсивной хемилюминесценцией, создающей сильное мешающее свечение при измерении термолюминесценции; во-вторых, способ является разрушающим и предполагает однократное использование пробы, т.к. запасенная светосумма полностью высвечивается в процессе однократного нагрева образца; в-третьих, способ требует высоких энергетических затрат и обладает низкой экспрессностью. Перечисленные выше недостатки известного способа снижают его эффективность при поисках нефти и газа.

Задачей изобретения является повышение эффективности поисков залежей нефти и газа за счет выявления участков миграции углеводородных газов к дневной поверхности.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в геохимическом способе поисков залежей нефти и газа, включающем отбор проб пород из подпочвенного слоя, их высушивание, дробление, выделение фракции не более 0,5 мм, возбуждение и регистрацию в выделенной фракции люминесценции, по характеристикам которой оконтуривают площади, перспективные на нефть и газ. Согласно изобретению выделенную фракцию наносят с толщиной слоя больше пробега электронного пучка с помощью силикатного клея на металлическую пластинку, на подготовленную пробу в условиях вакуума воздействуют электронным пучком с длительностью импульса 1-10 нс и плотностью энергии в диапазоне от 0,1 до 0,5 Дж/см², измеряют спектрально-кинетические характеристики импульсной катодолюминесценции отобранных пород в диапазоне от 200 до 1200 нм, определяют амплитудные значения интенсивности характеристических полос люминесценции и по полученным значениям интенсивностей, превышающим фоновые, оконтуривают площади, перспективные на нефть и газ. При необходимости быстрого получения качественной и полуколичественной характеристик катодолюминесцентных минералов пробы фотографируют в катодолюминесцентных лучах.

Известно, что в минералах пород, находящихся в зоне углеводородного насыщения, происходит формирование характерных центров. При возбуждении пробы суммарное количество этих центров определяет интенсивность люминесценции.

Кроме того, установлено, что увеличение количества центров люминесцентного свечения также осуществляется за счет вхождения в результате диффузии в кристаллическую решетку катодолюминофорных минералов таких химических элементов, как железо и марганец, которые активно перераспределяются в условиях физико-химического преобразования пород над залежами нефти и газа.

Длительность импульса электронного пучка 1-10 нс выбрана из условия возможности регистрации кинетических параметров центров люминесценции, присутствующих в большинстве известных минералов. Время затухания центров свечения, как известно, не превышает единиц наносекунд, а в подавляющем большинстве имеет в своем составе более длинновременные компоненты, микро-, милли- и секундной длительности. Кроме того, указанный диапазон времен является предельным для регистрации кинетических параметров люминесценции современными фотоэлектронными умножителями.

Диапазон плотности энергии электронного пучка от 0,1 до 0,5 Дж/см² выбран исходя из двух условий, с одной стороны, возможности при плотности энергии электронного пучка более 0,5 Дж/см² механического разрушения проб или отслоения от подложки, на которую они предварительно наносятся с помощью связующего материала; во-вторых, возможности развития электрического пробоя (возникающего в результате формирования сильного электрического поля в образце, связанного с инжектированным отрицательным зарядом электронного пучка) и появления плазменного свечения, искажающего спектр люминесценции анализируемых проб. Выбор плотности энергии электронного пучка для возбуждения люминесценции твердых тел различных классов является эмпирическим и основан на результатах многочисленных измерений порогов механического разрушения и электрического пробоя диэлектрических и полупроводниковых материалов [Олешко В.И., Штанько В.Ф. Механизм разрушения высокоомных материалов под действием мощных электронных пучков наносекундной длительности. ФТТ, 1987, т.29, вып.2, с.320-324]. С другой стороны, низкая плотность энергии электронного пучка (менее 0,1 Дж/см²) приводит к уменьшению интенсивности импульсной катодолюминесценции и существенному ограничению круга анализируемых минералов.

Выбор диапазона длин волн катодолюминесценции от 200 до 1200 нм определяется тем, что в указанном диапазоне сосредоточено большинство характеристических полос импульсной катодолюминесценции известных минералов [Горобец Б.С., Рогожин А.А. Спектры люминесценции минералов: Справочник. - М.: Изд-во ВИМС, 2001. - 312 с.], что достаточно для их идентификации. Кроме того, указанная оптическая область спектра удобна для регистрации современными быстродействующими фотоприемниками.

Повышение эффективности предлагаемого способа по сравнению с прототипом достигается за счет следующих факторов:

1) Увеличения достоверности и информативности способа. Возможность многократного измерения импульсной катодолюминесценции проб без их разрушения увеличивает достоверность полученных данных. Увеличение информативности предлагаемого способа достигается в результате возможности получения дополнительной информации о пробе из изменения спектрального состава люминесценции со временем после окончания импульса возбуждения и кинетических характеристик затухания свечения. Так как в пробе может присутствовать несколько типов центров, отличающихся спектрально-кинетическими характеристиками люминесценции, то при измерении кинетики затухания свечения таких проб регистрируется изменение во времени интенсивности люминесценции, которое в большинстве случаев описывается совокупностью экспоненциальных функций вида:

I=I₀ехр(-t/τ),

где τ - характеристическое время затухания свечения;

I₀ - интенсивность в момент окончания импульса возбуждения;

-t - время после окончания импульса возбуждения.

Поэтому при измерениях с высоким временным разрешением величина измеряемого сигнала в момент окончания возбуждающего импульса пропорциональна сумме амплитуд интенсивностей свечения I_0i присутствующих компонентов люминесценции с характерными для них временами релаксации τ_i. В дальнейшем, после окончания возбуждения, наблюдается последовательное исчезновение свечения центров с возрастающими характеристическими временами релаксации. В этом случае интенсивность регистрируемого свечения I_ст. равна совокупности высвечиваемых за единицу времени светосумм, которые пропорциональны произведению I_0i·τ_i. Поэтому в спектрах стационарного свечения, как правило, доминирующими являются полосы, за которые ответственны центры свечения с большими временами затухания τ_i. Таким образом, в случае использования при катодолюминесцентных измерениях метода импульсной спектрометрии с наносекундным временным разрешением и с наносекундной длительностью возбуждающего импульса становится возможным обнаруживать и измерять свечения с малыми τ, но большими I₀, которые трудно фиксировать стационарными методами, в том числе и методом термолюминесценции. При этом, измеряя разницу характеристических времен затухания свечения τ_i, достаточно просто выделять из суммарного спектра люминесценции пробы отдельные (характеристические) полосы. Сложные спектры люминесценции являются типичными для природных объектов (почв, грунтов), в состав которых входит группа катодолюминофорных минералов. Процесс разложения спектров на отдельные полосы заключается в следующем. Последовательно при каждой длине волны выделяются компоненты с одинаковыми характеристиками затухания свечения. Затем для каждого из них строятся спектры люминесценции по точкам, соответствующим одинаковым моментам времени относительно момента окончания возбуждающего импульса. Возможность регистрации характеристических полос импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), различающихся на порядки как по интенсивности, так и по временным характеристикам, позволяет получать дополнительную информацию о пробе: определять тип минералов, входящих в ее состав, вид собственных и примесных центров люминесценции.

2) Увеличения чувствительности. Высокая мощность электронного пучка при использовании метода ИКЛ дает возможность получить высокую мощность люминесценции и, следовательно, увеличить в процессе измерения отношение сигнал/шум. Это позволяет расширить круг минералов и контролировать люминесцентными методами минералы, не являющиеся классическими термо- и катодолюминофорами.

3) Увеличения экспрессности. Исследования люминесцентных характеристик проб свидетельствует, что все пробы, отобранные на одной площади, из-за близких условий осадконакопления имеют одинаковые спектральные и кинетические параметры ИКЛ, но отличаются амплитудными значениями интенсивности люминесценции. Установленная закономерность позволяет увеличить экспрессность предлагаемого способа путем измерения интенсивности ИКЛ в максимуме одной из характеристических полос, что составляет 5-10 секунд для одной пробы, в то время как для измерения светосуммы термостимулированной люминесценции требуется 40-60 секунд.

4) Уменьшения энергетических затрат. Энергетические затраты, которые требуются для измерения спектра импульсной катодолюминесценции одной пробы, составляют 50 Дж против 3000 Дж, которые требуются для реализации способа прототипа.

Таким образом, в предложенном способе благодаря применению для возбуждения люминесценции импульсного электронного пучка увеличены достоверность, информативность, чувствительность, экспрессность и экономичность геохимического способа поисков нефтяных и газовых месторождений.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, с помощью которого реализован предлагаемый способ.

На фиг.2 представлен спектр импульсной катодолюминесценции пробы №2С22.

На фиг.3 представлен спектр импульсной катодолюминесценции пробы №2С42.

На фиг.4 приведена фотография пробы №2С22 в катодолюминесцентных лучах.

На фиг.5 приведена фотография пробы №2С42 в катодолюминесцентных лучах.

На фиг.6 представлен характер изменения интенсивности импульсной катодолюминесценции проб в максимуме полосы при λ₁=580 нм.

На фиг.7 представлен характер изменения интенсивности импульсной катодолюминесценции проб в максимуме полосы при λ₁=740 нм.

В таблице 1 представлены значения интенсивности импульсной катодолюминесценции (I) пробы №2С22, полученные при проведение измерений в граничных и срединном значениях предлагаемых диапазонов длительности импульса (τ) и плотности электронного пучка (W).

В таблице 2 представлены значения интенсивности импульсной катодолюминесценции проб грунта, отобранных над различными частями нефтегазоносных структур.

По геохимическому профилю, пересекающему Ново-Михайловскую газоносную структуру в Южно-Минусинском нефтегазовом районе, из подпочвенного слоя были отобраны пробы грунтов. Вес пробы составлял 200-300 грамм. Пробы высушивали, дробили, просеивали с выделением фракции менее 0,5 мм и наносили с помощью силикатного клея на металлические пластинки. Выбор металлической подложки при регистрации ИКЛ является эмпирическим. Толщина наносимого слоя пробы составляла 0,5-1 мм и была выбрана из расчета того, что она больше длины пробега электронного пучка. Силикатный клей в качестве связующего материала для сыпучих проб был выбран из условия, что интенсивность ИКЛ силикатного клея на порядок меньше, чем интенсивность люминесценции любой из характеристических полос ИКЛ исследованных проб, и, следовательно, не создавала значимых помех при регистрации полезного сигнала.

Измерение ИКЛ проб производили с помощью устройства (импульсный спектрометр), блок-схема которого приведена на фиг.1.

Импульсный спектрометр состоит из вакуумной камеры 1, совмещенной с вакуумным диодом импульсного сильноточного ускорителя электронов 2, который электрически связан с блоком питания 3 (БП 1). Внутри вакуумной камеры 1 установлен держатель 4. На оптической оси с выходным окном вакуумной камеры 1 последовательно расположены оптическая линза 5, монохроматор 6 и фотоэлектронный умножитель 7 (ФЭУ), который электрически связан с блоком питания 8 (БП 2). Ускоритель электронов 2 и фотоэлектронный умножитель 7 электрически связаны с осциллографом 9.

В качестве блоков импульсного спектрометра использовали: вакуумную камеру объемом 0,001 м³, ускоритель электронов - на базе генератора импульсного напряжения ГИН-400, блок питания ускорителя электронов - ВС-22, оптическую линзу с фокусным расстоянием 0,14 м, монохроматор - МДР-23, фотоэлектронный умножитель - ФЭУ - 118; блок питания ФЭУ - ВС-22, осциллограф - Tektronix TDS.

Металлическую пластинку с нанесенной на ее поверхность пробой закрепляли в держателе 4, имеющем калиброванное отверстие, центр которого совпадает с осью электронного пучка. Держатель устанавливали под углом 45° к направлению распространения электронного пучка и к оптической оси регистрирующего тракта. Отверстие в держателе выполняло две функции: коллиматора электронного пучка и диафрагмы, через которую осуществляется светосбор импульсной катодолюминесценции. После установки пробы вакуумную камеру 1 откачивали до давления 10^-3 торр, что определялось рабочим давлением, необходимым для формирования электронного пучка на основе взрывной электронной эмиссии. Затем производили включение блока питания ускорителя электронов 3 (БП 1) и блока питания фотоэлектронного умножителя 7 (БП 2). При достижении заданного зарядного напряжения на ступенях генератора импульсного напряжения с блока питания ускорителя выдавался импульс на запуск ускорителя электронов 2. Одновременно с помощью синхроимпульса ускорителя запускалась развертка регистрирующего осциллографа 8. Импульсная катодолюминесценция пробы возбуждалась электронным пучком с параметрами: средняя энергия частиц в энергетическом спектре пучка 300 кэВ, длительность импульса тока на полувысоте регулировалась от 1 до 10 нс, плотность энергии пучка варьировалась от 0,1 до 0,5 Дж/см² с помощью диафрагм с калиброванными отверстиями, которые устанавливались на пути распространения пучка (на фиг.1 не показаны). Световой поток люминесценции распространялся через выходное кварцевое окно в вакуумной камере 1 и попадал на линзу 5, которая строила изображение люминесцирующей поверхности пробы на входной щели монохроматора 6. При этом входная щель монохроматора 6 выполняла функцию дополнительной диафрагмы и вырезала центральную зону люминесцирующей поверхности пробы. Ширина входной и выходной щелей в процессе измерений не изменялась. С выходной щели монохроматора 6 световой поток люминесценции поступал на фотоэлектронный умножитель 7, электрический сигнал с которого, пропорциональный мгновенной интенсивности люминесценции пробы, поступал на запоминающий осциллограф 9, который одновременно измерял изменение интенсивности люминесценции от времени, т.е. кинетику люминесценции на данной длине волны. Спектрально-кинетические измерения люминесценции проб производились методом последовательного измерения осциллограмм свечения проб при различных длинах волн в диапазоне от 200 до 1200 нм после электронного возбуждения. Постоянство параметров электронного пучка, геометрии возбуждения пробы и регистрации люминесценции позволили измерять относительную интенсивность свечения в максимуме каждой из характеристических полос в различных пробах и тем самым реализовать предлагаемый способ. Характеристика интенсивности импульсной катодолюминесценции пробы №2С22, полученная при проведении измерений в граничных и срединном значениях предлагаемого диапазона длительности импульса и плотности электронного пучка, приведена в таблице 1.

На фиг.2 приведен типичный спектр люминесценции пробы №2С22, отобранной из зоны влияния газовой залежи, а на фиг.3 пробы №2С42, отобранной за контуром газоносности. В спектрах ИКЛ обеих проб наблюдается две полосы люминесценции: "желтая", имеющая максимум при λ₁=580 нм и время релаксации τ₁=10 мс, и "красная" при λ₂=740 нм и времени релаксации τ₂=1,5 мс. Установлено, что спектры ИКЛ проб идентичны, а интенсивность в максимумах полос у пробы №2С22 по сравнению с пробой №2С42 больше для λ₁=580 нм в 4 раза, а для λ₂=740 нм в 7 раз. Значительные различия значений интенсивности ИКЛ между пробами, отобранными в контуре газоносности, и пробами, отобранными за его пределами, подтверждены еще на двух месторождениях углеводородов (см. таблицу 2).

По спектрально-кинетическим характеристикам импульсной катодолюминесценции проводилась диагностика люминесцирующих минералов, входящих в состав проб, и определялось наличие в них элементов примесей. Сравнение спектральных и кинетических параметров ИКЛ проб, взятых с месторождения, с параметрами ИКЛ известных минералов свидетельствует о том, что люминесценция проб связана с примесями марганца Mn²⁺ и железа Fe³⁺, входящими в кристаллическую решетку одной из подгрупп полевых шпатов - плагиоклазов.

Для получения дополнительной информации о катодолюминесцентных минералах, входящих в состав отобранных проб, проводилось фотографирование проб в катодолюминесцентных лучах. Свечение проб регистрировали на цветную фотопленку FUJICOLOR SUPERIA 400. Проведение этой операции не является обязательным, и проводится в случае необходимости быстрого получения качественной и полуколичественной информации о катодолюминесцентных минералах, присутствующих в отобранных пробах. Интегральные по времени цветные фотографии позволяют сравнительно быстро разделить сложную смесь минералов на отдельные составляющие (зерна) по цвету ИКЛ, оценить количество зерен каждого из цветов, выделить аномальные люминесцентные зоны на исследуемой площади. На фиг.4 представлена фотография проб №2С22, отобранной из зоны влияния газовой залежи, а на фиг.5 - пробы №2С42, отобранной за контуром газоносности.

После измерения относительной интенсивности характеристических полос всех проб по полученным данным по профилю строился график распределения интенсивности ИКЛ. По стандартной методике рассчитывалось минимальное аномальное значение, и по его превышению выделялись участки, перспективные на нефть и газ [Григорян С.В., Соловов А.П., Кузин М.Ф. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений. - М.: Недра, 1983. - 191 с.]. На фиг.6 и 7 представлен характер изменения интенсивности импульсной катодолюминесценции проб, отобранных по профилю на Ново-Михайловской газоносной структуре, в максимумах характеристических полос λ₁=580 нм и λ₂=740 нм соответственно. Аномалии интенсивности импульсной катодолюминесценции проявили зоны водоуглеводородных контактов и позволили определить горизонтальную проекцию углеводородных залежей.

Таблица 1 Способ геохимических поисков залежей нефти и газа
	τ, нс	W, дж/см2
1	5	10	0.1	0.25	0.5
I, отн.ед.	35	195	400	80	205	400

Таблица 2 Способ геохимических поисков залежей нефти и газа
Месторождение	Проба	Интенсивность катодолюминесценции в максимуме полосы при λ=740 нм
в контуре нефтегазоносности	за контуром нефтегазоносности
Южно-Минусинский нефтегазоносный район (газопродуктивная площадь)	2С22	34	-
	2С25	28	-
	2С29	29	-
	2С51	-	5
	2С34	- -	5 4
2С47
Нижневартовский нефтегазоносный район (нефтяное месторождение)	9735	35	-
	9718	30	-
	9711	30	-
	9713	-	12
	9742	- -	5 12
9719
Васюганский нефтегазоносный район (газоконденсатное месторождение)	9820	48	-
	989	50	-
	9816	47	-
	9815	-	14
	9824	- -	22 21
9814
Примечание: в таблице представлена характеристика отдельных проб

Способ геохимических поисков нефти и газа, включающий отбор проб пород из подпочвенного слоя, их высушивание, дробление, просеивание до фракции менее 0,5 мм, возбуждение и регистрацию в выделенной фракции люминесценции, по характеристикам которой оконтуривают площади, перспективные на нефть и газ, отличающийся тем, что выделенную фракцию наносят с толщиной слоя больше пробега электронного пучка с помощью силикатного клея на металлическую пластинку, на подготовленную пробу в условиях вакуума воздействуют электронным пучком с длительностью импульса 1-10 нс и плотностью энергии в диапазоне от 0,1 до 0,5 Дж/см², измеряют спектрально-кинетические характеристики импульсной катодолюминесценции отобранных пород в диапазоне от 200 до 1200 нм, определяют амплитудные значения интенсивности характеристических полос люминесценции и по полученным значениям интенсивностей, превышающим фоновые, оконтуривают площади, перспективные на нефть и газ, при необходимости быстрого получения качественной и полуколичественной характеристик катодолюминесцентных минералов, пробы фотографируют в катодолюминесцентных лучах.