Струйные ореолы рассеяния проявлений полезных ископаемых океанического дна по данным физико-математического моделирования

Актуальность проблемы.

В настоящее время высокими темпами идет изучение и использование минеральных ресурсов, залегающих под водной толщей Мирового океана.

Наиболее широко эксплуатируют нефтегазовые запасы шельфа, интенсивно подготавливают к эксплуатации рудные залежи глубоководных частей океана.

В связи с этим в работе рассмотрены вопросы формирования и использования специфических струйных ореолов рассеяния как залежей углеводородов (УВ) шельфа, так и глубоководных гидротерм океана.

Для России основным источником пополнения промышленных запасов нефти и в меньшей степени газа являются потенциальные ресурсы континентального шельфа. Потенциальные извлекаемые ресурсы углеводородов морской периферии России оцениваются как минимум в 100 млрд. т. в пересчете на нефть (К.А. Долгунов, В. Н. Мартиросян, 2000).

Основным методом поисков УВ на шельфе является быстроразвивающаяся сейсморазведка. Важной задачей, успешно решаемой сейсморазведкой, является детальное картирование строения геологического разреза. В комплексе с морской сейсморазведкой применяются гравиразведка и магниторазведка, также направленные на решение структурных задач.

Принципиально другие задачи могут быть решены геохимическими методами, основанными на исследовании вещественного состава залежей УВ.

Для поисков УВ на шельфе применяют геохимические методы, основанные на определении содержания углеводородных газов (УВГ), анализе расселения микроорганизмов, ассимилирующих УВГ в придонных водах и пробах донных осадков, определении содержания битумипоидных компонентов, степени преобразованное&tradeорганического материала под действием УВГ в пробах донных осадков (А.И. Обжиров, 1993, В. И. Авилов, 1997). Основной недостаток таких поисков заключается в большом количестве 5 ложных аномалий УВГ, связанных с деятельностью метанпродуцирующих бактерий и с процессами окисления органического вещества.

Широкое применение для поисков залежей УВ суши нашли геохимические методы поисков, основанные на исследовании специфического типа наложенных ореолов — струйных ореолов рассеяния металлов (V, Ni, Cu, Co, Mo, Zn и др.) — микрокомпонентов нефти и околонефтяных водтак называемые геоэлектрохимические методы: метод диффузионного извлечения (ТУЩИ), метод поисков по формам нахождения (МПФ) и термомагнитный геохимический метод (ТМГМ) (С.Г. Алексеев, С. А. Вешев, Н. А. Ворошилов, О. Ф. Путиков и др., 2000). Уникальность струйных ореолов заключается в их сильной вытянутости по вертикали, что позволяет обнаруживать залежи УВ на глубине свыше 3.5 км. Высокая эффективность этих методов для поисков ловушек различного типа, в том числе неструктурного, подтверждена экспериментальными исследованиями «ВИРГ-Рудгеофизики» в Западно-Сибирской и Волго-Уральской нефтегазоносных провинциях, в Калининградской, Астраханской, Самарской и Ульяновской областях (Т.Н. Михайлов, С. А. Вешев, Н. А. Ворошилов, С. Г. Алексеев, 2000).

Направленность геоэлектрохимических методов на исследование вещественного состава и большая глубинность поисков залежей У В в различных геологических условиях делает актуальным расширение сферы применения этих методов на районы акваторий.

В основу методики геоэлектрохимических поисков залежей УВ на шельфе, по аналогии с районами суши, может быть положен отбор проб донных грунтов. В этом направлении выполнены первые опытно-методические работы на шельфах Балтийского и Баренцева морей и получен положительный результат (С.А. Вешев, Н. А. Ворошилов, К. И. Степанов, 2000). С другой стороны, в основу методики поисков УВ на шельфе по струйным ореолам рассеяния может быть положено исследование распределение металловмикрокомпонентов нефти и околонефтяных вод в водной толще. По сравнению 6 с исследованием проб донных грунтов, изучение водной толщи имеет существенные преимущества. Например, при исследовании струйных ореолов в водной толще в перспективе возможно определение металлов in situ или одновременно со съемкой, что позволит проводить поиски УВ геохимическими методами в интерактивном режиме.

Так как распределение металлов в водной толще над залежами УВ не изучено экспериментально, в качестве метода исследования струйных ореолов рассеяния в водной толще выбрано их физико-математическое моделирование.

С другой стороны, струйные ореолы рассеяния залежей УВ на шельфе во многом аналогичны ореолам рассеяния высокотемпературных (до 412°С) гидротермальных источников на дне океана. Ореолы гидротерм, в отличии от струйных ореолов шельфа, исследованы экспериментально в различных районах Мирового океана (С.М. Судариков, Г. А. Черкашев, 1993, S.M. Sudarikov, А.В. Roumiantsev, 2000). Некоторые закономерности строения ореолов гидротерм могут быть применены для исследования струйных ореолов на шельфе. Исследование ореолов рассеяния гидротерм имеет и самостоятельное значение, т. к роль гидротерм в рудообразовании океана огромна: с гидротермальными источниками в водную толщу поступает большое количество рудных элементов, только несколько процентов из которых осаждается вблизи гидротермальных выходов, образуя скопления массивных сульфидных руд, перспективных для промышленного освоения в будущем, а остальные рассеиваются на значительное расстояние от источника (Гидротермальные сульфидные руды, 1992).

Цель работы: исследовать строение ореолов рассеяния высокотемпературных гидротермальных источников и струйных ореолов рассеяния залежей УВ в водной толще океана и обосновать возможность использования струйных ореолов рассеяния для поисков залежей УВ.

Основные задачи исследований: 1) обосновать физико-математическую модель ореола рассеяния высокотемпературного гидротермального источника, 7 учитывающую основные закономерности пространственного строения ореолов гидротерм океана- 2) выполнить численные расчеты распределения концентраций металлов в ореоле рассеяния гидротермального источника и сравнить с экспериментальными данными- 3) разработать физико-геохимическую модель струйного ореола рассеяния в водной толще шельфа от залежи УВ- 4) выполнить физико-математическое моделирование струйного ореола рассеяния и обосновать формирование повышенных концентраций металлов — микрокомпонентов нефти и околонефтяных вод в водной толще, связанных с залежами углеводородов.

Научная новизна исследований состоит в следующем: 1) обоснованы и разработаны физико-математические модели струйных ореолов рассеяния в водной толще гидротерм дна океана и залежей УВ шельфа- 2) изучены теоретические распределения концентраций растворенных металлов в ореоле рассеяния высокотемпературного гидротермального источника, расположенного на дне океана в стратифицированной водной толще для различных значений скорости вертикальной конвекции и горизонтальной скорости течения, коэффициентов турбулентной диффузии, перехода растворенного металла в твердую фазу в нижнем и верхнем слоях- 3) проведено сопоставление результатов численных расчетов ореолов рассеяния гидротерм и экспериментальных данных- 4) изучены теоретические распределения концентраций растворенных металлов в струйном ореоле рассеяния в водной толще от залежи УВ для различных значений скорости вертикальной квазиконвекции и горизонтальной скорости течения, коэффициентов турбулентной диффузии и перехода растворенного металла в твердую фазу- 5) обоснована возможность использования придонного слоя водной толщи для поисков залежей УВ геохимическими методами по струйным ореолам рассеяния.

Методы исследования: 1) аналитическое решение методами интегральных преобразований дифференциальных уравнений и систем 8 дифференциальных уравнений для концентраций растворенных металлов в водной толще океана- 2) численные расчеты концентраций металлов в растворенной форме в водной толще океана в ореолах рассеяния высокотемпературных гидротермальных источников и струйных ореолах рассеяния залежей УВ- 3) анализ и обобщение экспериментальных данных по содержанию металлов в придонных водах Баренцева моря, полученных в институте ВНИИОкеангеология.

Личный вклад автора заключается в выполнении следующих работ: 1) обоснование физико-геохимических и физико-математических моделей ореолов рассеяния металлов в водной толще океана- 2) разработка алгоритма численного расчета распределения концентраций металлов в ореолах рассеяния в водной толще- 3) выполнение численных расчетов распределений концентраций металлов в ореолах рассеяния в водной толще- 4) сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными.

Достоверность научных результатов обеспечивается достаточной корректностью использования математического аппарата аналитического решения задач и численного анализа при теоретическом исследовании ореолов рассеяния и сопоставлением с параметрами реальных ореолов.

Практическая значимость работы. Предложенная и обоснованная в диссертации методика геохимических поисков залежей углеводородов на шельфе с помощью изучения струйных ореолов рассеяния тяжелых металловмикрокомпонентов нефти в водной толще и методика детального изучения струйных ореолов гидротерм океана будут использованы при выполнении работ по программе «Интеграция" — грант на 2002;2006 гг. «Разработка теоретических основ и экспериментальное изучение струйных ореолов рассеяния в водной толще морей и океанов (головная организацияВНИИОкеангеология, соисполнитель — СПГГИ).

Результаты изложенных исследований автора планируется включить в монографию «Теоретическое и экспериментальное изучение струйных ореолов 9 рассеяния нефтегазовых и рудных месторождений», подготавливаемую в «ВИРГ-Рудгеофизике» с участием СПГГИ также по гранту программы «Интеграция».

Часть результатов включена в учебный курс «Геоэлектрохимические методы» для студентов-геофизиков СПГГИ.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на конференции молодых ученых и специалистов «Полезные ископаемые России и их освоение», СПГГИ, 1999 г., 2000 г., 2001 г., 2002 г., на международной конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-99», 1999 г., на международной геофизической конференция «Геологической службе России 300 лет», 2000 г., на конференции «10 лет Лукойл», Санкт-Петербург, 2001 г.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 научных работах.

1. Касьянкова Н. А. Теоретическое исследование закономерностей строения струйных ореолов над нефтегазовыми залежами в однородных и двухслойных средах // Международная конференция молодых ученых и специалистов «Геофизика-99». Тезисы докладов. — СПб, 1999. — С. 53−54.

2. Путиков О. Ф., Вешев С. А., Алексеев С. Г., Чжоу Цзыюн, Касьянкова Н. А. Струйные ореолы рассеяния над нефтегазовыми залежами в неоднородных породах // Геофизика. -2000. — №. 1. — С. 52 — 56.

3. Касьянкова Н. А. Учет нестационарности при изучении строения струйных ореолов рассеяния над залежами нефти и газа // Сборник трудов молодых ученых СПГГИ. — СПб: СПГГИ, 2001. — Вып.6. — С.6−8.

4. Путиков О. Ф., Вешев С. А., Алексеев С. Г., Ворошилов Н. А., Чжоу Цзыюн, Касьянкова Н. А. Влияние нестационарности струйных ореолов рассеяния на оценку параметров нефтегазовых залежей // Геологической службе России 300 лет. Международная геофизическая конференция. Тезисы докладов. -СПб, 2000.-С. 193−195.

5. Путиков О. Ф., Чжоу Цзыюн, Касьянкова Н. А. Физико-математическое и лабораторное физико-химическое моделирование двумерных нестационарных струйных ореолов рассеяния II Геологической службе России 300 лет. Международная геофизическая конференция. Тезисы докладов. — СПб, 2000. — С. 195−197.

6. Касьянкова Н. А., Лавренова Т. В. Исследование струйных ореолов рассеяния нефтегазовых месторождений на шельфе II Записки горного института. -2002.-Т. 150.-С. 12−14.

7. Касьянкова Н. А. Месторождения нефти и газа шельфа — перспективы применения геоэлектрохимических методов // Записки горного института. -2002. -Т. 151. — С. 17−20.

8. Касьянкова Н. А. Физико-математическое моделирование ореолов рассеяния гидротерм океанов // Записки горного института. -2002. -Т.151. — С. 21−24.

9. Алексеев С. Г., Вешев С. А., Ворошилов Н. А., Касьянкова Н. А., Путиков О. Ф., Штокаленко М. Б. Геоэлектрохимические технологии прогноза и поисков рудных и нефтяных объектов // Прикладная геохимия. -Вып.З. Прогноз и поиски. Сб. статей. -ИМГРЭ., 2002. — С.365−382.

Благодарности.

Работа по теме диссертации выполнена в СПГГИ (ТУ) на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки МПИ под руководством доктора геолого-минералогических наук проф. О. Ф. Путикова, которому автор выражает свою искреннюю признательность. Большую помощь при обсуждении работы оказал проф. А. Г. Марченко. Глубокая благодарностьсотрудникам кафедры ГФХМР — зав. каф. проф. А. А. Молчанову, проф. А. Н. Телегину, проф. В. В. Глазунову, проф. В. Х. Захарову, научным сотрудникам института «ВИРГ-Рудгеофизика», в особенности, зав. отд. геоэлектрохимии и геохимии, к.х.н. С. А. Вешеву, вед.н.с., к.г.-м.н. Н. А. Ворошилову, вед.н.с., к.г.-м.н. С. Г. Алексееву, с.н.с., к.т.н.

М.Б. Штокаленко, с.н.с. К. И. Степанову и научным сотрудникам института ВНИИОкеангеология — зав. отд., д.г.-м.н. М. А. Холмянскому и вед.н.с., д.г.-м.н. С. М. Сударикову за помощь при проведении работы, сборе материалов и обсуждении вопросов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Разработанная и исследованная физико-математическая модель ореола рассеяния высокотемпературного гидротермального источника, расположенного на дне океана, учитывающая явления стратификации водной толщи, естественной конвекции, морских течений, турбулентной диффузии, перехода растворенных металлов в твердую фазу, согласуется с экспериментальными данными и позволяет исследовать распределение концентрации элементов в ореоле.

2. Основным физико-геохимическим процессом формирования струйного ореола рассеяния в водной толще шельфа от углеводородородной залежи является квазиконвективный перенос потоком газовых пузырьков определенной группы тяжелых металлов (Cd, Sc, Y, Ni, Cr, Fe, Ti, Co, Cu, Zn, Pb, Zr, Mn и др.) -микрокомпонентов нефти.^.

3. На основании разработанной физико-математической модели струйного ореола рассеяния в водной толще шельфа от углеводородной залежи, учитывающей квазиконвективный перенос металлов в вертикальном направлении, конвективный перенос течением в горизонтальном направлении, турбулентную диффузию, переход растворенных металлов в твердую фазу, и способа численного анализа этой модели обоснован выбор придонного слоя водной толщи мощностью несколько метров для поисков углеводородных залежей по струйным ореолам рассеяния.

Выводы по главе 4.

Наиболее быстрый и экономичный способ изучения шельфа геохимическими методами с целью поисков месторождений углеводородовисследование ореолов рассеяния залежей в вод ной толще.

Основным спорным вопросом при рассмотрении возможности применения геохимического картирования водной толщи для поисков месторождений нефти и газа является вероятность сохранения ореолов рассеяния залежей углеводородов при высокой интенсивности перемешивания водной толщи.

Для разрешения этой проблемы при поисках углеводородов по струйным ореолам следует проводить анализ придонного слоя водной толщи на содержание химических элементов с высокими концентрациями в струйных ореолах рассеяния и низкими фоновыми концентрациями в морской воде. Например, Cd, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Sc, V, Ni, Cr, Fe, Al, Ti, Co, Cu, Se, Zr, Hg, Ga, Yb и др. По данным геохимических исследований в районе Штокмановского газоконденсатного месторождения, в придонном слое водной толщи отмечаются аномалии Pb, Cr, Fe, Zn и др. металлов.

Группой российских ученых [2,25,29] для проведения газогеохимических исследований с целью прогноза залежей углеводородов выбран придонный слой морей и океанов. Проанализировав экспериментальные данные по распределению углеводородных газов в донных осадках и водной толще, они пришли к выводу, что для проведения газогеохимических исследований следует использовать придонный слой воды в 1−3 м от дна [25]. Согласно [25] в придонном слое в аномальных районах содержания метана и тяжелых углеводородов в 10−100 раз больше, чем в фоновых районах.

Основной недостаток газогеохимических поисков (по придонным водам и по донным отложениям) — наличие большого количества ложных аномалий углеводородных газов, связанных с деятельностью метанпродуцирующих.

161 бактерий и с процессами окисления органического вещества. Этого недостатка лишены геохимические методы, основанные на исследовании струйных ореолов рассеяния микрокомпонентов нефти и околонефтяных вод. Распределение концентраций элементов в струйных ореолах может быть изучено в донных осадках или в водной толще.

Поиски залежей углеводородов по струйным ореолам непосредственно в водной толще по сравнению с отбором донным проб имеет ряд преимуществ.

1) При исследовании придонного слоя возможно определение концентрации исследуемых компонентов без отбора проб воды (например, методом ионоселективных электродов), в любом случае, пробоотбор из водной толще технически проще, чем отбор донных проб.

2) В связи с высокой изменчивостью в вертикальном направлении физико-химической обстановки в поверхностном слое донных осадков, распределение химических элементов в них неоднородно. При дискретном отборе проб возможен пропуск экстремальных значений концентрации элементов. При исследовании струйных ореолов в водной толще происходит осреднение значений концентрации элементов в результате турбулентного перемешивания.

3) При картировании придонного слоя возможно уточнение генезиса аномалии подвижных форм металла путем проведения исследований на нескольких горизонтах от дна.

Наличие повышенных концентраций микрокомпонент нефти и газа в придонном слое водной толщи обосновано физико-математическим моделированием струйных ореолов рассеяния (§ 4.3). На основании проведенных численных расчетов для различных значений параметров водной толщи исследованы зависимости изменения концентрации растворенного компонента в струйном ореоле с глубиной и показано, что концентрация компонента в ореоле рассеяния кольцевого источника подвижных форм нахождения в придонном слое (0−10 м от дна) уменьшается незначительно.

162 максимум в несколько раз, рис. 54,56). Данные физико-математического моделирования струйных ореолов в водной толще согласуются с газогеохимическими исследованиями морей и океанов. Так, например, А. И. Обжиров обосновывает выбор придонного слоя для газогеохимических поисков залежей углеводородов тем, что «уже в 10 м от поверхности дна газовая аномалия в некоторых случаях уменьшалась в 5 раз» [25].

Основным ограничением для увеличения высоты проведения геохимических исследований относительно поверхности дна является значительный снос ореола в направлении придонного течения. Следовательно, при поисках залежей нефти и газа для привязки к контуру месторождения необходимо исследовать придонный слой мощностью первые метры от дна. Выбрать горизонт проведения гидрогеохимических исследований для конкретного района работ, если для него имеется информация по скоростям придонных течений, можно на основании зависимости (4.29).

Таким образом, на основании физико-математической модели формирования струйного ореола над дном акватории, учитывающей турбулентную диффузию, течение воды, квазиконвективный перенос элементов в вертикальном направлении потоком газовых пузырьков, переход растворенных компонентов в твердую фазу, и анализа экспериментальных данных, обоснована возможность проведения геохимических исследований распределения элементов в водной толще с целью поисков залежей углеводородов.

Заключение

.

1. Широкое применение для поисков залежей углеводородов суши нашли геоэлектрохимические методы, основанные на исследовании специфического типа наложенных ореолов — струйных ореолов рассеяния металловмикрокомпонентов нефти и околонефтяных вод (V, Ni, Cu, Co, Mo, Zn и др.). Уникальность струйных ореолов заключается в их сильной вытянутости по вертикали, что позволяет обнаруживать залежи углеводородов на глубине свыше 3.5 км. Направленность геоэлектрохимических методов на исследование вещественного состава и большая глубинность поисков залежей углеводородов в различных геологических условиях делает актуальным расширение сферы применения этих методов на районы акваторий.

2. В основу методики геоэлектрохимических поисков залежей углеводородов на шельфе может быть положен отбор проб донных грунтов и исследование распределение металлов — микрокомпонентов нефти и околонефтяных вод в водной толще. По сравнению с исследованием донных проб, изучение водной толщи имеет существенные преимущества. Например, при исследовании струйных ореолов в водной толще в перспективе возможно определение металлов in situ или одновременно со съемкой, что позволит проводить поиски углеводородов геохимическими методами в интерактивном режиме.

3. Формирование струйных ореолов в горных породах связано с квазиконвективным переносом металлов в подвижной форме нахождения пузырьками газов (естественная ионная флотация металлов), что обосновано лабораторным моделированием и подтверждено экспериментальными полевыми исследованиями, проведенными ВИРГ-Рудгеофизикой.

4. Формирование струйных ореолов рассеяния микрокомпонентов нефти и околонефтяных вод в водной толще шельфа также обусловлено квазиконвективным газовопузырьковым переносом металлов. На основании оценок продолжительности растворения пузырьков и их скорости можно.

164 сделать вывод, что в придонном слое воды толщиной O-n-lO м возможно движение пузырьков газа радиуса R0=n (10″ 3−10″ 4) м даже в случае ненасыщения газом водной толщи из-за нестационарности процесса растворения газа. Кроме того, на прохождение значительных вертикальных интервалов водной толщи пузырьками газов указывают различные экспериментальные данные.

5. Для обоснования возможности формирования повышенных концентраций металлов в водной толще, связанных с наличием углеводородной залежи под дном шельфа, проф. О. Ф. Путиковым с участием автора разработана физико-математическая модель струйного ореола, учитывающая квазиконвективный перенос металлов в вертикальном направлении, конвективный перенос течением в горизонтальном направлении, турбулентную диффузию, переход растворенных металлов в твердую фазу.

6. Аналогичная физико-математическая модель разработана также проф. О. Ф. Путиковым с участием автора для ореолов гидротерм дна океана и обоснована, путем сравнения с экспериментальными данными, возможность применения этой модели для исследования основных закономерностей строения гидротермальных ореолов, а, следовательно, и струйных ореолов рассеяния в водной толще.

7. Для численной реализации рассмотренных физико-математических моделей ореолов рассеяния в водной толще разработан специальный алгоритм, включающий вычисление кратных интегралов.

8. На основании выполненных численных расчетов распределения концентрации компонента в струйном ореоле рассеяния в водной толще для проведения поисков залежей углеводородов в районах акваторий можно рекомендовать придонный слой мощностью 1−5 м от дна.

9. Наибольшей информативностью при поисках струйных ореолов рассеяния углеводородных залежей в водной толще должны обладать элементы с высокими содержаниями в струйных ореолах рассеяния и низкими фоновыми.

165 содержаниями в морской воде: Cd, Sc, V, Ni, Cr, Fe, Ti, Co, Cu, Zn, Pb, Zr, Mn и ДР.

10. Наличие повышенных концентраций металлов в водной толще, связанных со струйными ореолами рассеяния углеводородных залежей, подтверждается экспериментальными данными по распределению металлов в придонном слое водной толщи в районе Штокмановского газоконденсатного месторождения (М.А. Холмянский, 2001), где вблизи проекции контура залежи на поверхность дна отмечаются аномалии Pb, Cr, Fe, Zn и др. металлов.

В работе выполнено теоретическое обоснование возможности использования придонного слоя водной толщи при геохимических поисках залежей углеводородов по струйным ореолам рассеяния. Следующим шагом, вероятно, должно стать экспериментальное исследование водной толщи с целью отработки методики таких поисков.

На основании проведенного физико-математического моделирования ореолов рассеяния гидротерм дна океана выявлены основные закономерности распределения концентраций растворенных компонентов в гидротермальных ореолах. На основании выполненного совместного анализа результатов моделирования и экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что для более детального изучения распределения концентраций компонентов в гидротермальных ореолах в последующей физико-математической модели следует учесть возможность изменения осредненного вектора скорости горизонтальной конвекции во времени (приливные течения) и анизотропию коэффициента турбулентной диффузии в вертикальном и горизонтальном направлениях.