Термобарические и катагенетические условия в литолого-флюидальной системе пород мела и юры Гыданской области

Любые физико-химические процессы и явления, происходящие в реальных земных условиях (в недрах Земли, на ее поверхности и в атмосфере), определяются наличием следующих необходимых составляющих: вещество - энергия (тепловое состояние) - пространство - время. Кроме того, многие реакции ускоряются в присутствии веществ катализаторов, значительно «облегчающих» как начало, так и течение процессов. В связи с энергетикой процессов, происходящих в литосфере Земли и в ее верхней осадочной оболочке, бесспорна ведущая роль геотермического фактора в процессах онтогенеза УВ в породах осадочного чехла бассейнов различного типа и возраста, что подтверждено в ряде публикаций [19, 37, 89, 92, 106, 116, 123 и мн. др.].

Тепловой поток, зарождающийся в глубоких недрах Земли и поступающий к ее поверхности, совместно с солнечной радиацией и другими экзогенными факторами определяет тепловой режим верхних горизонтов земной коры, который, в свою очередь, играет главную роль в различных физико-геохимических процессах, происходящих в осадочных, метаморфических и магматических породах. Важнейшей производной поля тепловых потоков является геотемпературное поле, т.е. распределение геотемператур по площади и разрезу Земли. Именно температура и давление (горное - литостатическое и импульсное - тектонодинамическое, а также флюидальное) определяют состояние и изменение вещества в ее недрах.

Тепловое поле и его важнейшая производная - геотемпературное поле - в объеме осадочного чехла нефтегазоносных и/или углегазоносных бассейнов является важнейшим фактором, влияющим на все этапы онтогенеза газа и нефти в земных недрах, начиная от возникновнения УВ, кончая разрушением их скоплений. В первую очередь это влияние сказывается на масштабах и направленности процессов генерации УВ. Кроме того, геотемпературы и их динамика в рамках геологического времени вместе с литологическими и тектоническими условиями (параметрами) контролируют масштабы и особенности процессов миграции и аккумуляции УВ, а также сохранность их скоплений в ловушках. В связи с этим геотермические параметры должны использоваться при анализе условий формирования и эволюции скоплений УВ и, как следствие, в прогностических целях.


К ведущим геотермическим параметрам относятся: плотность теплового потока (ПТП, q, мВт/м²), теплопроводность различных горных пород (А.), современные и палеогеотемпертуры и их распределение в объеме осадочного чехла и фундамента (СТ, ПТ, °С), в том числе на различных глубинных срезах и по структурно-литологическим и стратиграфическим поверхностям, геотермоградиенты средние и частные (ССГ и ЧСГ), в том числе в литологически однородных толщах [19, 37, 51].

Поле геофлюидальных давлений определяется по абсолютным значениям пластовых давлений (рпА, МПа) и коэффициентам превышения пластовых давлений над условным гидростатическим (К_прев = Р_пл/Р_у.г) или коэффициентам аномальности (Ка, традиционное название). Для обозначения «аномальных», т.е. отличающихся от условных гидростатических флюидальных давлений, В.А. Скоробогатовым введены понятия «выше гидростатического» и «ниже гидростатического» пластовые давления - ВГПД-АВПД, НГПД [19, 38].

Пространственно-временные вариации значений параметров геотермического и флюидобарического полей незамедлительно сказываются на изменении состояния вещества Земли и ее верхних оболочек, включая осадочный чехол седиментационных бассейнов. В связи с анализом энергетического механизма различных геологических процессов и явлений особый интерес представляет взаимоотношение факторов температура - давление - время (продолжительность). Для изучения одних процессов и реакций, происходящих в течение длительных периодов геологического времени, необходимо знать интегральную величину полученного импульса тепла - интегрального прогрева, которая определяется динамикой изменения геотемператур в анализируемый отрезок времени. Показателем суммарной энергии, прошедшей через литолого-флюидальную систему и частично затраченной на изменение ее состояния, может являться тот или иной уровень преобразованности минеральной и органической компонент вещества пород косвенно определяемый экспериментальными или расчетными методами по уровню катагенетической преобразованности (стадиям катагенеза) органического вещества (ОВ). Для других необходимо знание абсолютных температур, поскольку длительность их воздействия оказывает весьма слабое, второстепенное влияние на динамику и конечные результаты этих процессов и явлений. В нефтегазовой геологии, например, для анализа генерационных и консервационных условий в осадочных толщах наибольшее значение имеет оценка стадий катагенеза ОВ материнских и вмещающих залежи УВ пород, для изучения же миграционных и аккумуляционных условий важнее анализ их геотемпературной истории и современные термобарические условия.


Теоретические и прикладные вопросы изучения термобарических условий земных недр и их влияния на формирование, эволюцию и разрушение УВ-скоплений обсуждаются в ряде работ [19, 21, 37, 50, 78].

Изучение геотермического поля Западно-Сибирской плиты проводилось с 1953 г. Г.Д. Гинзбургом, Ю.Г. Зиминым, Н.М. Кругликовым, С.И. Сергиенко, Б.П. Ставицким, А.Р. Курчиковым, В.А. Скоробогатовым и др.

Региональные исследования геотермического поля Западно-Сибирской, плиты обобщены в ряде работ [23; 37; 51; 99; 114; 125; 126].

По результатам этих работ построены карты плотностей теплового потока (ТП) и геоизотерм по различным геологическим поверхностям, карты-срезы изотерм на глубинах 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и 3,0 км, карты ССГ и ЧСГ.

Плотность ТП и теплопроводность пород в Западной Сибири изучались Э.Э. Фотиади, В.И. Роменко, С.И. Сергиенко, Я.Б. Смирновым, Б.Л. Ставицким, А.Р. Курчиковым, Л.А. Цыбулей и Л.С. Смирновой и др. [23, 50, 51, 114, 125, 128].

Среднее значение плотности ТП для Западно-Сибирской плиты оценивается в 52 мВт/м² при среднеквадратичном отклонении 10 мВт/м², интервал изменения - от 29 до 98 мВт/м [51], по данным же [114] средние значения ПТП на севере составляют 55-60 мВт/м².

В схемах различных лет данные по замеренным и расчетным величинам ПТП для Гыдана часто противоречили друг другу. Единым было общее признание современного состояния геотермополя в осадочном чехле Гыданской области как относительно малонапряженного [37, 50].

Б.П. Ставицким и А.Р. Курчиковым, (1987 г.) Гыдан был охарактеризован интервалом величин ПТП 48-53 мВт/м², при этом для центральных и северных районов ПТП менее 50 мВт/м². По последней уточняющей схеме А.Р. Курчикова (2001 г.) Северо-Гыданский район характеризуется величиной ПТП, равной 44 мВт/м², Центрально-Гыданский - 50, Напалковский - 54, при этом значительная часть территории полуострова располагается в поле величин ПТП около 50 мВт/м². По данным [125] и в Северо-Гыданском районе ПТП значимо больше 50 мВт/м².

Исследования геотемпературного поля осадочного чехла ЗСП, проводившиеся авторами настоящей работы в период 1981-2002 гг. на региональном, областном и зональном уровнях [37, 98, 107], были дополнены в последние годы анализом геотермополя Гыданской и Пур-Тазовской областей. При этом была привлечена вся информация по опробованиям и испытаниям поисково-разведочных скважин всех разбуренных площадей.


В результате анализа и обобщения первичных геотермических данных была построена серия схем современных геотемператур по отдельным областям, включая Гыдан и Большехетскую впадину, по кровле сеномана, апта, неокома, средней юры, и схемы средних геотермоградиентов в диапазоне подошва мерзлоты - кровля средней юры (горизонт Ю_2-3).

Подошва многолетнемерзлых пород с температурой 0 °С на суше Гыдана залегает на средних глубинах 450-550 м, а во впадинах и на северо-востоке - возможно и до 600 м.

Анализ геотермических построений показывает следующее. На Гыдане в кровле сеномана (горизонт ПК_1-2) в силу охлаждающего влияния мерзлоты, значения СТ не превышают 27-31 °С (рис. 4.1). При этом ЧСГ в глинисто-кремнистой толще турона-олигоцена в интервале подошва мерзлоты -кровля сеномана изменяются от 3,8 до 4,8 °С/100 м.

В кровле апта (горизонт ТП_1-2) диапазон изменения СТ увеличивается до 16 °С (от 37-43 до 53-54 °С), при этом геотемпературное поле становится более рельефным: в пределах даже одной площади ACT может достигать 10-12 °С.

В средней части танопчинской свиты (горизонт ТП_20-21) СТ изменяются от 55 до 72 °С. В нижней части танопчинской (горизонт ТП_25-26) и в ахской (горизонт БГ_1-12) свитах, где резко увеличивается глинистость разреза готерива-валанжина, дифференциация СТ по площади существенно увеличивается, вместе с тем снижается точность определения геотемператур: на большинстве площадей глубже 2500-2600 м число опробованных горизонтов резко уменьшается. На срезе глубин 3000 м (валанжин) в пределах Гыдана СТ варьируют в пределах 73-88 °С. Относительно достоверные данные по величинам СТ в кровле средней юры (горизонт Ю_2-3) получены только по Геофизической (87-89 °С), Штормовой (96-97 °С) и Тота-Яхинской (96 °С) площадям. В целом геотермополе характеризуется как малонапряженное. Для расчета схемы СТ по кровле средней юры построена схема ССГ в интервале: подошва мерзлоты - нижний испытанный горизонт в валанжин-готеривских породах (чаще всего, это ТП_24-25 - БГ_8-12, до глубин 2600-3100 м). Установлено, что значения ССГ в меловой толще изменяются в диапазоне 2,73-3,60, наиболее часто - 3,20-3,30 °С/100 м. По прямым определениям величина ССГ составляет 3,10 °С/100 м на Тота-Яхинской, около 3,20 на Геофизической, 3,28 °С/100 м на Штормовой площадях (рис. 4.2). По данным о глубинах залегания горизонта Ю² на Гыдане с привлечением материалов о значениях меловых ССГ на конкретных площадях рассчитаны СТ в кровле нижне-среднеюрской проницаемой толщи (рис. 4.3). При этом, согласно региональным тенденциям, конкретные значения меловых ССГ были увеличены на 5-7 % для учета высоких величин ЧСГ в глинисто-кремнистой толще верхней юры - среднего валанжина (до 4,0-4,2 °С/100 м). Современные геотемпературы в горизонте Ю₂ варьируют по площади области в интервале 85-130 °С.

Согласно региональным исследованиям В.И. Ермакова и В.А. Скоро-богатова [37, 38, 40) величины ЧСГ в нижне-среднеюрской субугленосной уплотненной толще, повсеместно обогащенной ОВ, а также микро-и макроскоплениями УВ, существенно превышают меловые ССГ (обычно на 20-40 % и более), причем, конкретные величины ЧСГ достигают 4,0-4,7 °С/100 м, редко опускаясь ниже 3,5 °С/100 м.

В частности, при испытании среднеюрских горизонтов в скв. 122 Штормовой площади замерены СТ на глубинах 3460-3466 м (горизонт Ю₃) - 97 °С, 3630-3636 м (Ю₆) - 107 °С, 3902-3907 м - 115 °С, что дает среднюю величину ЧСГ около 4 °С/100 м, вероятно, несколько заниженную, так как были получены или крайне низкие притоки воды (0,6 м³/сут) или «сухо». С учетом установленных тенденций и мощностей нижне-среднеюрской толщи проведена экстраполяция величин СТ от горизонта Ю₂ до базальных горизонтов юры. На большей части Гыданской области СТ в низах юры предполагаются 140-180 °С, а в днищах глубокопогруженных впадин - до 200 °С и более.


Эти данные об очень высоком уровне прогрева нижней части осадочного чехла (юры и тем более доюрских осадочных образований - триаса и верхнего палеозоя) должны учитываться при прогнозе газо- и, особенно, нефтеносности глубокопогруженных горизонтов. Приводимые геотермические материалы в особых - детальных - комментариях не нуждаются... Результаты геотермических исследований необходимы при анализе влияния геотермического фактора на онтогенез УВ в Гыданской области.

Интегральным выражением динамики изменения (нарастания до раннего олигоцена) геотемператур является катагенез ОВ и минеральной компоненты пород применительно к северным и арктическим областям ЗСП. Этот вопрос обсуждается в ряде работ [21, 24, 26, 34, 37, 40, 44, 58, 66, 99, 101, 119 и др.]. Бесспорный приоритет в исследованиях катагенеза именно для севера мегапровинции принадлежит геологическим школам ВНИИГАЗа и ИГИРГИ (работы 1966-2004 гг.). По результатам многочисленных определений показателя отражения витринита в масле (ПОВ, R°, %) из угольных включений в нижнемеловой и нижне-среднеюрской толщах периодически строились и в дальнейшем уточнялись схемы катагенеза в кровле сеномана (ПК_1-6), апта (ТП_1-2 = ПК_16-17). валанжина (БУ₁₀ Надым-Тазовского междуречья), ачимовской толщи (берриас-низы валанжина), средней юры (Ю_2-3), в подошве нижней юры [34, 37, 40, 99, 107]. Детальные, хорошо обоснованные фактическим материалом и определениями ПОВ схемы имеются для Надым-Пурской, Пур-Тазовской и Ямальской областей. В силу ряда причин для Гыданской области схемы катагенеза ОВ строились методом экстраполяции и по редким фак+ическим определениям R°. В последнее десятилетие и для Гыдана построены региональные катагенетические схемы и разрезы [119]. В табл. 4.1 приведены данные о величинах ПОВ в породах нижнего мела Гыданской области. Необходимо отметить, что важнейший катагенетический рубеж перехода бурых углей в длиннопламенные (R° = 0,5 %) проходит на Гыдане в интервале глубин от 2200 до 2600 м в средних горизонтах неокома. Для сравнения приведены данные по Средне-Мессояхской площади. С привлечением данных табл. 4.1, а также с помощью графиков зависимости R°, %, от современных глубин погружения пород юры центральных районов НПТР и Ямала, сходных по геотермическим условиям с Гыданом, оценен уровень катагенеза ОВ в кровле средней юры различных зон анализируемой области. В качестве контрольных служили данные, приведенные в работе [119]. Совместный анализ приводимых материалов свидетельствует о том, что они не противоречат друг другу. Таким образом, в горизонтах Ю_2-3 величина ПОВ изменяется от 0,90-1,00 до 1,10-1,1 % (R°) (градации катагенеза - переходные МК₃ и МК₃ - газово-жирные и жирные угли в разрезе).


Установлено, что диапазон «закрытия» (окончания) «нефтяного окна» (R° = 1,25-1,30 % для всех типов ОВ) проходит в средних горизонтах нижнесреднеюрской толщи в 300-500 м ниже кровли горизонта Ю_2-3, а в низах юры должен наблюдаться очень высокий уровень катагенеза (градации MK₅-AK₁) [26, 30, 68]. Таким образом, в зависимости от локальных термо-катагенетических условий глубинный интервал «нефтяного окна» для сапропелевого РОВ (R° = 0,45-1,30 %) в пределах Гыданской области изменяется от 1,8-2,0 до 3,8-4,0 км, для гумусового РОВ и КОВ (R° = 0,55-1,251%) - от 2,3-2,4 до 3,6-3,7 км, при этом значительная часть данного интервала (400-600 м) приходится на глинисто-кремнистую толщу верхней юры-среднего валанжина, практически лишенную коллекторских горизонтов. В конечном итоге, с учетом результатов проведенных исследований геотермическую и катагенетическую «напряженность» в породах нижнего мела-юры Гыданской области следует характеризовать как невысокую (относительно пониженную), что в целом характерно для восточных и северо-восточных областей Западно-Сибирского мегабассейна.

Одной из актуальных и в то же время наиболее трудно решаемых проблем нефтегазовой геологии является проблема генезиса и прогноза ВГГТД (выше гидростатического или аномально высоких пластовых давлений - АВПД) при проведении поисково-разведочных работ.

Параметры геофлюидальной системы природных резервуаров раннемелового и ранне-среднеюрского возраста арктических областей провинции изучены также по результатам испытаний и опробований различных продуктивных и водоносных горизонтов в процессе поисково-разведочного бурения. В отличие от Ямальской ГНО, где «аномальность» геофлюидальных давлений начинает ощущаться уже в изолированных песчано-алевролитовых горизонтах валанжинской существенно заглинизированной толщи, на Гыдане даже в низах мела пластовые давления превышают условные гидростатические не более чем на 5-7 %, в то же время достоверные замеры р_пл в среднеюрской толще отсутствуют. Аварийные фонтаны газа с конденсатом, полученные при вскрытии среднеюрских песчаников на Геофизической площади (скв. 41, 53) свидетельствуют о развитии ВГПД с К_прев до 1,6 и более. Согласно региональным тенденциям, установленным для других областей и районов Севера ЗСП, в нижне-среднеюрской толще Гыдана, погруженной на глубины 3200-3700 м (кровля) - 4200-5000 м и более (подошва), значения /СпреВ будут повсеместно составлять 1,5-1,8 и более на юго-западе и в центре, с постепенным снижением до 1,3-1,20 и менее в области северо-восточных моноклиналей, на границе с Красноярским краем, в соответствии со «смягчением» термоглубинных условий залегания юрских коллекторов.