ارزيابي سنگ منشأ (Source Rock Evaluation)سنگ منشأ از نظر تعريف، سنگ دانه‌ريز غني از ماده آلي است كه قادر است دراثر تكامل حرارتي توليد هيدروكربن نمايد. سنگ‌هاي منشأ را مي‌توان در سه گروه قرار داد: سنگ منشأ مفيد (effective source rock) كه نفت خود را توليد و از خود خارج نموده است؛ سنگ منشأ محتمل (Possible source rock) كه پتانسيل منشأ بودن آن هنوز ارزيابي نشده است، ولي احتمال دارد نفت توليد كرده باشد؛ و سنگ منشأ بالقوه (Potential source rock) به سنگ رسوبي نابالغي گفته مي‌شود كه توانايي توليد هيدروكربن را در صورت رسيدن به درجه بلوغ دارد.
در اين بخش روش‌هاي ارزيابي و محيط‌هاي رسوبي سنگ‌هاي منشأ مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
سنگ منشأ (Source rock):سنگ دانه ريز غني از مواد آلي كه قادر است در اثر تكامل حرارتي توليد هيدروكربن نمايد.
سنگ منشأ به 3 گروه تقسيم مي شود:
1.سنگ منشأ مفيد كه خود نفت را توليد و از خود خارج مي نمايد.
2.سنگ منشأ محتمل كه پتانسيل منشأ بودن آن هنوز ارزيابي نشده است وليكن احتمال دارد كه نفت توليد كرده باشد.
3.سنگ منشأ بالقوه كه به سنگ رسوبي نابالغي اطلاق مي شود كه توانايي توليد هيدروكربن را در صورت رسيدن به درجه بلوغ دارد. طرفداران منشأ آلي نفت معتقدند كه هيدروكربن از مواد آلي بوجود مي آيد. تا دهه 1930 نظريه آنها فقط بر اساس شباهت هايي بود كه بين هيدروكربن ها و مواد آلي وجود داشت. اين شباهت ها به قرار زير است :
• تركيب هيدروكربن بسيار شبيه تركيب پروتئين ها و چربيها و اسيدهاي چرب است،
• مهمترين قسمت چرخه كربن در طبيعت، در گياهان و جانوران قرار دارد،
• همراهي هيدروكربن ها با سنگ هاي رسوبي و تجمعات فسيلي آنها.
از سال 1930 به بعد با توسعه علوم و تكنولوژي، مدارك مستندي در حمايت از منشاء آلي نفت بدست آمد. بكارگيري ايزوتوپهاي پايدار، تأييد كننده اصلي اين تئوري است. ميزان ايزوتوپ پايدار كربن سيزده (δ13C) در نفت خام حدود 36- تا 22- است. اين مقدار بسيار نزديك به ميزان آن در گياهان و جانوران (براي موجودات دريايي به طور متوسط 23- مي باشد). ميزان δ13C در سنگ هاي كربناته بسيار زياد ااست (4+ تا 4- ) و براي كربن هاي حاصل از سنگ هاي ماگمايي حدود (20- تا 2-) مي باشد. اين موضوع ثابت مي كند كه منشأ هيدروكربن ها بايد از موجودات باشد.
حضور هيدروكربن ها در فواصل زغال سنگي ( نظير حوضه كوپر در استراليا)، حضور پورفيرين در نفت ها كه تركيبش خيلي شبيه به هموگلوبين است از مدارك ديگري اند كه منشأ آلي نفت را تأييد مي كنند. حضور هيدروكربن در بدن و بافت بعضي موجودات نيز تأييدي بر منشأ آلي نفت است.
مثال هاي زير انواعي از آنهاست:
• درخت Euphorbia نوعي شيره از خود ترشح مي كند كه تركيبش بسيار شبيه هيدروكربن ها است.
• در قسمت شمالي مكزيك بعضي از دانه هاي لوبيا حدود 40% مواد روغني دارند كه به منظور روغن هاي روان كننده مورد استفاده قرار مي گيرند.
• جلبكهاي آبهاي شيرين Botryococcus داراي روغن، چربي و هيدروكربن هاي مايع اند.
•در داخل سلول دياتوميت و بعضي از انواع فرامينيفرها قطرات ريز نفت وجود دارد.
توليد و حفظ مواد آلي :
ماده اصلي که از آن هيدروکربن شکل مي گيرد، ماده آلي (Organic matter ) تشکيل شده در سطح زمين است. فرآيند تشکيل ماده آلي با فتوسنتز شروع مي شود. گياه در حضور نور خورشيد، طبق فرمول زير، آب و CO2 را به گلوکز، آب و اکسيژن تبديل مي کند :
گلوکز ماده آغازين جهت ساختن ترکيبات پيچيده تر مي باشد. فتوسنتز قسمتي از چرخه عظيم کربن است. معمولاً بيشتر مواد آلي توليد شده توسط فتوسنتز مجدداً به صورت CO2 به اتمسفر بازگردانده مي شود.
اين بازگشت از طريق تنفس حيوانات يا اکسيداسيون و تخريب باکتريايي موجود مرده حاصل مي شود. مقادير کمي از مواد آلي، در حدود 001/0 در صد معمولاً از اين چرخه فرار کرده و دفن مي شوند.
در طول زمان زمين شناسي، اين حجم کم، مقادير بسيار عظيمي از ماده آلي فسيل را توليد مي کند.
اغلب اين ماده به طور گسترده در داخل رسوبات پراکنده است که نهايتاً نهشته هاي زغال سنگ، نفت و گاز طبيعي را توليد مي کند.
بيشتر مواد آلي در محيط هاي آرام و کم انرژي حفظ شده و رسوب مي کنند و در محيط هاي پر انرژي و متلاطم، از داخل رسوب شسته مي شوند.
بنابراين ماده آلي مي تواند در انواع سنگ هاي دانه ريز مانند شيل ها و گل هاي آهکي يافت شود. حفظ ماده آلي به نکات ذيل بستگي دارد :
1- ميزان بالاي توليد مواد آلي
2- ميزان پائين تخريب مواد آلي
3- سرعت رسوبگذاري مناسب
4- وجود آب هاي فقير از اکسيژن (محيط غير اکسيدان يا احيايي)
اگر سرعت رسوبگذاري خيلي کم باشد، ميزان اکسيداسيون زياد و تجزيه و تخريب مواد آلي به شدت صورت مي گيرد و اگر سرعت رسوبگذاري خيلي زياد باشد، مواد آلي با درصد کمتري در رسوب پراکنده خواهند شد.
در واقع سرعت رسوبگذاري، مقدار ماده آلي را کاهش نمي دهد بلکه باعث پراکندگي بيشتر ماده آلي در حجم رسوبات مي شود.
عمده مواد آلي موجود در اقيانوس ها، در اثر فرآيند فتوسنتز ايجاد مي شوند و توليد کنندگان اصلي مواد آلي، فيتوپلانکتون ها ( Phytoplanctons) هستند که گياهان شناور ميکروسکوپي چون :
دياتومه ها (Diatoms)، اسفنج ها، داينوفلاژله ها ( Dinoflagellates) و جلبک هاي سبز – آبي ( blue-green algae)مي باشند.
مقدار توليد ساليانه فيتوپلانکتون ها در اقيانوس هاي امروزي به طور متوسط حدود 20 تا 30 گيگا تن است. دومين عامل مهم توليد مواد آلي، ميزان ورود مواد مغذي به زون حاوي نور مي باشد که مهمترين اين مواد مغذي شامل فسفات ها و نيترات ها مي باشند که از تجزيه مواد آلي به دست مي آيند و براي رشد گياهان و جانوران حياتي هستند. مرگ و مير گياهان و جانوران نيز سبب انباشته شدن مواد آلي مي شود که اين مواد آلي مي توانند به صورت انواعي از مولکول هاي زيستي مانند ليپيد ها، پروتئين ها، کربوهيدرات ها و ليگنين مي باشند.
باکتري ها نقش مهمي در تجزيه و تخريب مواد آلي دارند. عمده فعاليت باکتري ها محدود به 30 تا 60 سانتي متري بالاي رسوب است.
• باکتري هاي هوازي با استفاده از اکسيژن محلول در آب، مواد آلي رسوب را به CO2 و آب تبديل مي کنند :
• باکتري هاي بي هوازي کمي پائين تر از سطح رسوب، مواد آلي را با استفاده از اکسيژن موجود در نيترات، سولفات و خود مواد آلي تجزيه مي کنند.اين فرآيندها توليد نيتروژن، CO2، H2S و متان مي کند.
شرايط لازم براي تشكيل نفت:•شرايط احيايي؛ شرايط اكسيدان ماده آلي را متلاشي كرده و H2O + CO2 را ايجاد مي کند.
•محيط بايستي براي فعاليت جانوران مرده خوار نامساعد باشد.
محيط هاي مناسب:
الف) بستر اقيانوس خصوصاً گودالها كه آب عمقي ساكن مي باشند.
ب) مردابها
ج) شورابهاي بسته
د) ماندابهاي شور
تشكيل نفت:سقوط مواد آلي به بستر حوضه باعث متلاشي شدن ماده آلي توسط باكتريهاي بي هوازي يا نفتي شدن نموده و ساپروپل (زغال سياه ) ماده مادر نفت را تشکيل مي دهد.
• در درياي سياه، گردش آب محدود است و رسوبات بستر 35% مواد آلي دارند و ميانگين مواد آلي رسوبات دريايي %5/2 است.
تبديل كربوهيدرات به هيدروكربن: كربوهيدرات ها (CH2O)n تحت تأثير فرايندهاي بيوشيميايي به اسيدهاي چرب تبديل شده و سپس بر اثر فيزيون، تقطير، حلقوي شدن و آب زدايي به هيدروكربن nCO2 + y CH2 تبديل مي شود.
واكنش تبديل كربوهيدرات ها به هيدروكربن را اكسيداسيون و احياء رفت وبرگشتي مي گويند زيرا در طي آن بخشي از مواد آلي به طور كامل به CO2 اكسيده شده و بخشي نيز به طور كامل به هيدروكربن احيا مي شوند.
بالا بودن غلظت 12C نفت ناشي از منشأ آن (متلاشي شدن اسيدهاي چرب) مي باشد.
نقش رس:
رس به عنوان كاتاليزور عمل كرده و با جذب سطحي بالا (جذب مولكولهاي بيگانه) امكان واكنش را فراهم مي كند.
سه مرحله اصلي در طي دفن و تكامل مواد آلي به هيدروكربن ها وجود دارد كه عبارتند از: دياژنز(Diagenesis)، كاتاژنز(Katagenesis) و متاژنز (Metagenesis).
مرحله دياژنز (Diagenesis):مرحله دياژنز مواد آلي از همان لحظه اي كه رسوبات دفن مي شوند، آغاز مي گردد. گل هاي تازه نهشته شده بدون استحكام بوده و ممكن است كه بيش از 70% آب و خلل و فرج داشته باشند. اين گل ها پس از دفن به سرعت فشرده مي شوند. بيشتر تخلخل ها در 500 متر اول دفن از بين مي روند. پس از آن فشردگي شيل ها خيلي آهسته تداوم مي يابد. همچنين هر ماده آلي كه داخل شيل باشد تغييرات پيچيده اي را تحمل مي كند.
بيوپلي مرها (biopolymers) كه متشكل از پروتئين ها، ليپيدها، هيدرات هاي كربن و ليگنين هستند. منشا زيستي داشته و داراي ساختمان منظمي مي باشند. در طي تجزيه بيوشيميايي بيوپلي مرها، پروتئين ها سريعتر از بقيه تجزيه مي شوند و هيدرات هاي كربن در مرحله بعدي قرار دارند. ليپيدها و ليگنين معمولاً بدون تغيير يا با تغييرات كمي باقي مي مانند.
در طي دياژنز، بيوپليمرها به مولكول هاي ساده تري به نام ژئومنومر (geomonomers) شكسته مي شوند. بعضي از اين تركيبات كه بيشتر فعال هستند با يكديگر به طور خودبخود واكنش انجام داده تا در نهايت ژئوپليمرهاي (geopolymers) پيچيده پايدارتري به وجود بيايد.
اين تغييرات در آغاز توسط فرآيندهاي باكتريايي و شيميايي انجام مي شود و سپس با شكست حرارتي (thermal cracking) دنبال مي شود. با افزايش عمق تدفين، مواد آلي عمده نيتروژن، اكسيژن و گوگرد و كمي از هيدروژن و كربن خود را از دست مي دهند. تنها هيدروكربن توليد شده در اين مرحله متان مي باشد. اين هيدروكربن گاز بيوژنيك (biogenic gas) يا گاز مرداب (marsh gas) ناميده مي شود و از تجزيه مواد آلي توسط باكتري هاي بي هوازي بوجود مي آيد. محصول نهايي در طي مرحله دياژنز مواد آلي، كروژن است. در طي دياژنز مواد آلي از منشأهاي مختلف، به يكي از انواع اصلي كروژن بلوغ پيدا مي كنند.
مرحله كاتاژنز(Katagenesis):در طي تدفين با افزايش حرارت و فشار، ساختمان كروژن از لحاظ ترموديناميكي ناپايدار شده و شرايط جديد فيزيكوشيميايي باعث تغيير آن مي شود. به اين ترتيب در كروژن كه در اثر افزايش فشار و حرارت، در طي زمان زمين شناسي بوجود مي آيد، بلوغ (maturation) مي گويند كه شامل تجزيه حرارتي (thermal degradation) و شكستن (cracking) كروژن به مولكول هاي كوچكتر و تبديل آن به يك ماده پايدارتر غني از كربن، نظير هيدروكربن است.
در طي مرحله دوم يا كاتاژنز مولكول هاي هيدروكربن به صورت نفت و گاز مرطوب از كروژن شكسته و جدا مي شوند و در نتيجه نسبت H/C كروژن باقي مانده كاهش مي يابد.
مرحله متاژنز (Metagenesis):در نهايت در مرحله بعدي يعني متاژنز توليد مستقيم هيدروكربن از كروژن متوقف مي شود، اما متان قابل توجهي مي تواند كماكان از نفت توليد شده قبلي توسط دگرساني حرارتي توليد شود.
در نهايت اين مرحله، تركيب كروژن به كربن خالص يا گرافيت نزديك مي شود. شكل ذيل تكامل مواد آلي و شكل گيري هيدروكربن ها از كروژن و فسيل هاي ژئوشيميايي را در طي دياژنز، كاتاژنز و متاژنز نشان مي دهد. فسيل هاي ژئوشيميايي (geochemical fossils) تركيبات هيدروكربني با وزن مولكولي بالايي هستند كه در بسياري از نفت هاي خام وجود دارند. اين هيدروكربن ها، مولكول هايي هستند كه از موجودات زنده در طي رسوبگذاري سنگ منشأ بوجود آمده و حفظ شده است و لذا مي توانند به عنوان نشان هاي زيستي (biomarkers) در شناسايي نوع ماده آلي بوجود آورنده نفت به كار برده شوند. از انواع فسيل هاي ژئوشيميايي مي توان پارافين هاي زنجيره طويل و استروئيدها يا الكل هاي حلقوي پيچيده را نام برد.
تکامل حرارتي مواد آلي با افزايش عمق تدفين(تکامل مواد آلي و شکل گيري هيدروکربن ها از کروژن و فسيل هاي ژئوشيميايي در طي دياژنز، کاتاژنز و متاژنز)
دياژنز، کاتاژنز و متاژنز
توليد هيدروكربن از سنگ منشأ با افزايش عمق تدفين: از آنجايي كه حرارت با عمق تدفين افزايش مي‌يابد، عمق واقعي براي يك سنگ منشأ خاص براي توليد هيدروكربن به همان ميزان كه به نوع كروژن و تاريخچه تدفين بستگي دارد، به شيب زمين گرمايي ناحيه نيز وابسته است. در اعماق خيلي كم، متان بيوژنيك يا گاز مرداب از مواد آلي اوليه توليد مي‌شود. به خاطر داشته باشيد كه اين رويداد در آغاز دياژنز يا زون نابالغ رخ مي‌دهد. در عمق حدود 1 تا 2 كيلومتري، مرحله كاتاژنز شروع مي‌شود. مرحله آغازين كاتاژنز تا عمق حدود3 كيلومتري مطابق با زون اصلي توليد نفت است. سنگ‌هاي منشأ كه در اين محدودة عمقي تدفين شده‌اند، گفته مي‌شود كه در پنجره نفتي (oil generation window) واقعند .كاتاژنز پاياني در عمق حدود 3 الي 5/3 كيلومتري قرار دارد كه وزن اصلي توليد گاز مي‌باشد. نخست گاز مرطوب (wet gas) و متان با نرخ توليد يكسان حاصل مي‌شوند، اما در عمق بيش از 4 كيلومتري سنگ منشأ بسيار بالغ مي‌شود. در اين نقطه متاژنز شروع شد و فقط متان از شكست حرارتي ديگر هيدروكربن‌ها توليد مي‌شود.از نقطه‌نظر حرارتي، پنجرة نفتي وقتي شروع مي‌شود كه سنگ منشأ در حرارتي تقريباً بيش از 60 درجه سانتيگراد قرار گرفته باشد. نفت حاصله در اين درجه حرارت پايين، نسبتاً سنگين و نابالغ است. با افزايش درجه حرارت، نفت سبكتر زايش مي‌يابد. حداكثر توليد نفت (peak generation) در درجه حرارت حدود 100 درجه سانتيگراد رخ مي‌دهد و سپس كاهش مي‌يابد. در دماي حدود 175 درجه سانتيگراد، پنجرة نفتي بسته و زون اصلي توليد گاز شروع مي‌شود. توليد هيدروكربن در دماي حدود 225 درجه سانتيگراد متوقف مي‌شود، اما متان همچنان تا دماي بالاتر از 315 درجه سانتيگراد در نقطه‌اي كه سنگ منشأ متحمل دگرگوني ناحيه‌اي مي‌شود از شكسته‌شدن نفت توليد مي‌شود.
قوانين شيمي بيان مي‌كند كه نرخ واكنش‌هاي شيميايي، تابع حرارت و زمان است. شكل 5ـ2 كه با استفاده از اطلاعات بسيار زيادي ترسيم شده است، درجه حرارت تشكيل نفت را در مقابل سن سنگ منشأ نشان مي‌دهد. در اين شكل مي‌توان ديد كه دماي توليد نفت براي سنگ‌هاي منشأ پالئوزوئيك، كمتر از 60 درجه سانتيگراد است، درصورتي كه اين دما به بيش از 150 درجه سانتيگراد براي سنگ‌هاي منشأ سنوزوئيك افزايش مي‌يابد
زايش نفت از سنگ منشا در اينجا بايد متذكر شد كه ممكن است زمان، اثر درجه حرارت و درجه حرارت، اثر زمان را جبران كند. به طور مثال، سنگ منشأهايي كه هميشه نسبتاً سرد باقي مانده‌اند ممكن است يكصد ميليون سال يا بيشتر را پشت سر بگذارند تا نفت توليد كنند، درحالي كه سنگ منشأهاي جوان، ممكن است فقط در طي چند ميليون سال هيدروكربن توليد كنند، چنانچه در معرض درجه حرارت بالا و مناسب قرار گيرند. لازم به ذكر است كه معمولاً درجه حرارت، نقش مهم‌تري نسبت به زمان در بلوغ سنگ منشأ دارد. اگرچه توليد هيدروكربن در يك فاصله زماني كوتاه اتفاق مي‌افتد، اما ضرورتاً بدين معنا نيست كه اين روند بلافاصله پس از نهشته شدن صورت مي‌گيرد. تمامي سنگ منشأها عمدتاً به مدت خيلي طولاني درهمان عمق كم باقي مي‌مانند و سپس توسط رسوبات ضخيم در يك فاصله زماني كوتاه پوشيده شده و در انتها توليد هيدروكربن مي‌كنند. مثال آن در سنگ منشأهاي سيلورين غرب الجزاير مي‌باشد كه تا لحظه‌اي كه توسط رسوبات مزوزوئيك دفن نشده بود، هيچ هيدروكربني توليد نكرد. در مناطق پلاتفرمي كه نرخ فرونشيني متوسط است، توليد ممكن است پس از يك دوره زماني بسيار طولاني اتفاق بيافتد. مثال آن، سنگ منشأ ژوراسيك حوضه پاريس مي‌باشد. در اين حوضه هيدروكربن پس از گذشت دوره زماني بيش از يكصد ميليون سال كه سنگ منشأ به وسيله رسوبات كرتاسه و ترشيري به طور تصاعدي دفن شده، توليد شده است.
كروژن (kerogen):كروژن به مواد آلي موجود در سنگ هاي رسوبي گفته مي شود كه در حلال هاي الي حل نمي شود. بخشي كه در حلال هاي آلي، قابل حل است، بيتومن (bitumen) ناميده مي شود.
عدم حلاليت كروژن به دليل اندازه بزرگ مولكول هاي متشكله و ساختمان پيچيده آن است. كروژن در واقع منشأ تركيبات نفتي است و نوع آن، نوع هيدروكربن توليد شده را كنترل مي كند.
kerogen types
انواع كروژن ها (kerogen types):انواع كروژن را مي توان با استفاده از مطالعات ميكروسكوپي و يا استفاده از پارامترهاي حجمي، نظير نسبت اتمي H/C در مقابل O/C كه از تجزيه كروژن بدست مي آيد، تفكيك نمود.
براين اساس، با استفاده از نمودار ون-كرولن (van krevelen diagram) مي توان چهار نوع كروژن و مسير بلوغ انواع آن را نشان داد.
كروژن هاي نفترا (oil prone) معمولاً ممكن است بيش از 65% اگزينايت و قطعات آمورف داشته باشند. نمونه هايي با درصد پايين تر اغلب گاز مرطوب و نفت ميعاني (condensate) توليد مي كنند.
