Гидрогеохимия инертных газов юга россии

В.С. Назаренко

В кн. «Гидрогеология на рубеже веков», межвузовский сб. – Новочеркасск: Набла,  2001 г. с. 55-59.

В работе проанализированы закономерности распределения гелия и аргона в водорастворенных газах глубокозалегающих водоносных горизонтов Восточно-Предкавказского, Донецко-Донского и севера Азово-Кубанского артезианских бассейнов. Выявлены зоны наиболее высокого содержания гелия. Изучены связи гелия и аргона с другими газами подземных вод.

При проведении поисково-разведочных работ на нефть газ в пределах юга России в составе свободных и водорастворенных газов изучалось, в том числе и содержание инертных газов. Эта информация не находила практического использования, хотя её анализ может способствовать повышению эффективности геологоразведочных работ на нефть и газ. Кроме того, проведенный В.П. Якуцени (1998) анализ показывает, что на протяжении свыше 40 лет динамика производства гелия сохраняет тенденцию к постоянному росту в объеме 4-5 % в год. Основным производителем гелия в мире является США. На его долю приходится 91 % мировой добычи. Таким образом, изучение закономерностей распределения гелия в недрах юга России является актуальной задачей. Нами ранее изучались некоторые особенности геохимии гелия в свободных и водорастворенных газах мезо-кайнозойских отложений северо-западной части Азово-Кубанского бассейна и палеозойских отложениях Донецко-Донского артезианского бассейна (Назаренко, 2000). В настоящей работе анализируется поведение гелия и аргона, как в вышеописанных районах, так  и в мезозойских отложениях Восточно-Предкавказского артезианского бассейна.

Гелий возникает при α-распаде радиоактивных элементов урана и радия, а также при распаде самария и других α-излучателей (Крайча, 1980). По данным А.Н. Воронова (1992) главными факторами, от которых зависит концентрация гелия в водах, являются гелиепроизводящий потенциал пород, мощность и возраст осадочной толщи, относительное положение водоносного горизонта в этой толще, характер и интенсивность движения вод.

Концентрация гелия в пределах Азово-Кубанского артезианского бассейна изменяется от 0 до 0,38 об. % (скв. Касеновская, 1). В скважине № 1 Касеновской наблюдается максимальная концентрация гелия во всех водоносных комплексах – нижнемеловом (0.38 об. % при глубине 1805 м  и газонасыщенности 475 см3/л), верхнемеловом (0.12 об. % при глубине 1560 м и газонасыщенности 440 см3/л) и палеогеновом (0.095 об. % при глубине 790 м и газонасыщенности 704 см3/л). Среднее содержание гелия в водорастворенных газах района 0.08 об. %, медиана 0.05; мода 0.03. В максимальной степени описывает поведение гелия относительно глубины полиномиальная зависимость, при которой коэффициент корреляции равен 0.59. При других видах связи этот коэффициент ниже. Данная зависимость нарушается резким увеличением содержания гелия вблизи зоны сочленения Скифской плиты и Восточно-Европейской платформы.  Причем здесь нарушается связь между глубиной и концентрацией рассматриваемого элемента, что объясняется взаимосвязью между водоносными горизонтами, слагающими разрез данной зоны. В водорастворенных газах Азово-Кубанского артезианского бассейна наиболее высокая корреляционная зависимость гелия определена для водорода. Она составляет 0.92. В Восточно-Предкавказском артезианском бассейне гелий изучался главным образом в нижнемеловых отложениях. Его концентрация  варьирует от 0,014 об. % до 0,638 об. %, при среднем содержании 0,079 об. %. Слабой корреляционной зависимостью гелий связан только с концентрацией азота в водорастворенных газах (r=0.68).

Водорастворенные газы Донецко-Донского бассейна характеризуются очень высоким (по Якуцени, 1999) гелиесодержанием в газах. Максимальная его концентрация 0,6- 1,0 об. %  зафиксирована вблизи  сочленения Южного склона Воронежской антеклизы и Сарматско-Туранского лениамента. Максимальная концентрация гелия – 1.27 об. %  выявлена в водорастворенных газах нижнекаменноугольных отложений скв. Первомайская,1 на глубине 2360 м, газонасыщенность 832 см3/л. Высокая концентрация гелия 0.85 об. % выявлена вблизи регионального тектонического нарушения в скв. Вязовская.1 в отложениях мелекесского горизонта на относительно небольшой глубине 1450 м при высокой газонасыщенности 1917 см3/л. Еще более высокая концентрация гелия – 1.18 об. % была выявлена в скв.2 Гусевской на глубине  1270 м в верейском горизонте при газонасыщенности 903 см3/л.  По мере удаления на север от Главного Каменского надвига содержание гелия в водах каменноугольных отложений уменьшается. Средняя концентрация гелия в водорастворенных газах района 0.34 об. %, что в 4 раза выше по сравнению с Азово-Кубанским бассеном. Гелий в данном районе характеризуется медианой 0.27, модой 0.19. Водорастворенные газы данного района характеризуются примерно в 1.5 раза меньшим: эксцессом – 5.56 и асимметричностью 1.95 по сравнению с Азово-Кубанским бассейном. Концентрация гелия определяется не столько глубиной залегания горизонта, сколько расположением структуры относительно Сарматско-Туранского лениамента. О связи тектонической нарушенности и содержании гелия сообщает А.И. Зося (1988), изучавший газовую зональность угленосных отложений Южного Донбасса. В.В. Шершуков и др. (1984) пришли к такому же выводу, анализируя особенности природных газов в дизъюнктивных зонах угленосных толщ Донбасса. Е.В. Стадник (1992) установил, что чем больше запасы залежей углеводородов, тем меньше концентрация гелия в газах. Проверка этого на примере Северо-Донбасского НГР не принесла положительных результатов, вероятно вследствие отсутствие здесь крупных залежей углеводородного газа. Для усиления контрастности  использовали также величину коэффициента Не/Аr. В целом наблюдается уменьшение величины коэффициента Не/Аr от Донецко-Донского бассейна (4,70) к Восточно-Предкавказскому (1,91) и Северной части Азово-Кубанского (0,82). В отличие от Азово-Кубанского в Донецко-Донском бассейне отсутствует связь между гелием и водородом, а также глубиной. Общая тенденция регионального увеличения содержания азота и гелия в наиболее стабильных положительных структурных элементах фундамента была выявлена А.Н. Вороновым и В.В. Тихомировым (1987). Подсчет запасов гелия в каменноугольных отложениях района не производился. Однако, исходя из классификации рентабельности газогелиевых месторождений в США (Якуцени, 1999), данные месторождения относятся к категории рентабельных. Ориентировочная себестоимость извлечения гелия составляет 0.2-0.4 дол. за м3 при мировых ценах на гелий, меняющихся в пределах 2-10 долл/м3. Наиболее высокие концентрации гелия на юге России были обнаружены в пределах Центрально-Кавказского бассейна пластовых вод на площадях Фроловская и Черкесская в юрских отложениях. Содержание гелия здесь варьировало от 1.028 до 1.62 об. %. По классификации В.П. Якуцени (1998) это очень высокое гелиесодержание в газах.

Таблица 1

Статистические характеристики распределения гелия и аргона в водорастворенных газах юга России

Артезианский бассейн Северная часть Азово-Кубанского бассейна Восточно-Предкавказский бассейн Донецко-Донской бассейн
Наименование характеристик гелий аргон гелий Аргон Гелий Аргон
Среднее 0,065 0,123 0,079 0,159 0,258 0,149
Стандартная ошибка 0,015 0,023 0,024 0,033 0,022 0,022
Медиана 0,03 0,09 0,055 0,09 0,235 0,1
Стандартн. отклонение 0,078 0,112 0,119 0,166 0,147 0,150
Дисперсия выборки 0,006 0,014 0,0143 0,027 0,022 0,023
Эксцесс 10,094 6,909 22,307 -0,571 1,007 4,036
Асимметричность 2,884 2,406 4,607 1,031 1,042 1,965
Минимум 0,01 0,01 0,014 0,008 0,04 0,01
Максимум 0,382 0,565 0,638 0,51 0,7 0,66

Нами была проанализирована зависимость коллекторских свойств от газов насыщающих коллектор. Выборка состояла из 42 объектов. Значимые коэффициенты парной корреляции были вычислены для пары открытая пористость – С02 (r = -0.53), слабая, но значимая корреляция определена для величин открытой пористости и концентрации гелия в газах (r = -0.36). При проведении многомерного линейного регрессионного анализа лучшие результаты получены при использовании 6 переменных: глубины, СаСО3 в породах, СО2, Не, СН4 и N2. Уравнение будет иметь следующий вид:

n = 26.98 – 12,98H – 0.09CaCO3 + 0.05N2 – 1.69CO2 – 20.14He + 0.17CH4 5.84

R = 0.87

Использование состава газов позволяет осуществлять более точный прогноз открытой пористости.

Таким образом, в зоне сочленения южного склона Воронежской антеклизы с Восточным Донбассом концентрация гелия на порядок более высокая по сравнению с зоной сочленения Восточно-европейской платформы  и Скифской плиты. Содержания гелия и метана в водорастворенных газах не коррелирует, что объясняется разными источниками их поступления в газы.

Основным источником аргона в водах земной коры служит радиоактивный распад калия (Воронов, 1992). В отличие от гелия, аргон, как более тяжелый газ, сохраняется в атмосфере Земли, почти не подвергаясь диссипации в космическое пространство (Крайча, 1980). Содержание аргона в воздухе составляет 0.93%. Среднее содержание аргона в водорастворенных газах мезозойских отложений Азово-Кубанского бассейна составляет 0,099 об.%. Самая высокая концентрация аргона на юге области зафиксирована в скважине Манычская № 1 и составляет 0,565 об. %. В верхнемеловых отложениях скважины  № 1 Касеновской обнаружены также как и гелия, высокие концентрации аргона (0,407 об. %). Не выявлено связи концентрации аргона в газах с глубиной. Из других водорастворенных газов наиболее высокая корреляционная зависимость аргона с азотом 0,84. Зависимость аргона и гелия значимая, но очень слабая 0,44. Среднее содержание аргона в водорастворенных газа Восточно-Предкавказского бассейна 0.16 об.%, варьируя от 0,008 до 0,5095 об. %. В данном бассейне не выявлено корреляции аргона с другими газами, в том числе и с азотом.

Максимальная концентрация аргона в Донецко-Донском бассейне выявлена в скважине № 6 Тишкинской в прикамском горизонте среднего карбона и составляет 0,66 об. %. Среднее содержание аргона в водорастворенных газах Донецко-Донского артезианского бассейна 0,149 об.%, медиана 0,1, мода 0,03. Концентрация аргона в водорастворенных газах не коррелирует ни с глубиной ни с содержанием гелия. Очень высокая корреляционная зависимость вычислена между аргоном и азотом (r=0,92), что позволяет считать высокие концентрации аргона в водорастворенных газах отрицательным признаком нефтегазоносности.

Анализ имеющихся данных показывает, что наиболее перспективным районом в пределах юга России  для проведения поисково-оценочных работ на гелий является южная часть Донецко-Донского артезианского бассейна. Другой участок перспективный для получения гелия расположен в пределах Центрально-Кавказского бассейна подземных вод.

Литература

  1. Воронов А.Н. Водорастворенные инертные газы нефтегазоносных бассейнов //Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии. – М.: Недра, 1992. – с. 85-102.
  2. Воронов А.Н., Тихомиров В.В. Закономерности изменения состава природных газов нефтегазоносных провинций и методы прогноза качества газового сырья //Закономерности размещения углеводородных газов и сопутствующих им компонентов. – Санкт-Петербург: ВНИГРИ, 1987. – с. 38-42.
  3. Крайча Я. Газы в подземных водах. – М.: Недра, 1980. – 343 с.
  4. Назаренко В.С. Гидрогеология гелия центральной части Сарматско-Туранского линеамента //Радон, гелий и другие радиогенные компоненты в природных водах: экологические и научные аспекты. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский гос.университет,  2000. – С. 53-55.
  5. Стадник Е.В. Водные ореолы нефтяных и газовых залежей //Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии. – М.: Недра, 1992. – с.161-182.
  6. Якуцени В.П. Минеральное сырье. Газы инертные //Справочник. – М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998. – 33 с.
  7. Якуцени В.П. Гелий, его ресурсы и проблемы рационального освоения //Нефтегазовая геология на рубеже веков. Прогноз, поиски, разведка и освоение месторождений.- Санкт-Петербург: ВНИГРИ.-1999. - т. 3. – С. 137-141.

Авторы: 

Тематические разделы: