Полный текст

Введение В тектоническом отношении Вычегодский прогиб представляет собой древний протерозойский грабен, входящий в состав Предтиманского перикратонного прогиба [1, 2]. В административном положении простирается по территории севера Пермского края и юга Республики Коми от Полюдово-Колчимского поднятия на северо-запад на 400 км при ширине 50-120 км (рис. 1) [3, 4]. В строении принимают участие глубоко метаморфизованный и кристаллический архей-раннепротерозойский фундамент, а также осадочной чехол общей мощностью до 10 000- 12 000 м [5], выполненный карбонатно-терригенными отложениями рифея RF, терригенными - венда V и терригенно-карбонатными - верхнего палеозоя PZ2 [6, 7], перекрытые незначительной терригенной толщей мезозой-кайнозоя MZ-KZ. Вычегодский прогиб является одним из наименее изученных территорий Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. Поисково-разведочные работы, проводившиеся на территории исследования с 40-х гг. прошлого века [8], не позволили открыть промышленных залежей углеводородов (УВ). Однако многочисленным количеством скважин были выявлены различные по интенсивности битумо-, нефте- и газопроявления в верхнепротерозойском и верхнепалеозойском комплексах осадочного чехла [9-11]. Основным объектом, вызывающий интерес, является рифей-вендский комплекс, имеющий значительную мощность более 7000 м. Проблеме перспектив нефтегазоносности древних рифей-вендских отложений Вычегодского прогиба с геохимической точки зрения посвящены труды О.К. Баженовой [12-14], Т.К. Баженовой [15], В.Г. Гецена [16], В.А. Дедеева [17], Т.В. Карасевой [18], В.А. Конюховой [19], Д.А. Кузьмина [20]. В сумме их работы дают основание для прослеживания ряда нефтепроизводящих пачек рифейского и вендского возраста. Одной из главных проблем при прогнозировании нефтегазоносности рифейских и вендских пород является их значительная катагенетическая преобразованность [21-27] и, как следствие, низкие значения основных геохимических параметров [28, 29] - содержания органического углерода (TOC, %) и водородного индекса (HI, мг УВ/г TOC). Для решения данной проблемы применяется процедура восстановления палеозначений геохимических параметров нефтематеринских пород на начало генерации УВ. Восстановление палеовеличин TOC и HI позволяет оценить, каким начальным потенциалом обладали породы, определить генетический тип органического вещества (ОВ), продукты генерации и их объемы. Реконструкция палеогеохимических данных является актуальной задачей при прогнозировании нефтегазоносности слабоизученных территорий современными технологиями (например, бассейновым моделированием). Таким образом, объектом исследования в рамках данной работы являются палеогеохимические данные рифей-вендского комплекса Вычегодского прогиба. Цель исследования - восстановить исходные значения основных геохимических параметров нефтематеринских пород. Рис. 1. Обзорная схема района исследований Таблица 1 Объем фактического материала результатов пиролитических исследований Скважина Количество определений TOC, % HI, мг УВ/г TOC Tmax, °С A-1 64 29 31 B-2 23 5 5 C-3 31 12 12 D-4 3 3 3 E-4 1 1 1 E-6 5 5 5 E-7 4 4 4 F-8 1 1 1 F-9 7 7 7 G-10 9 - - Итого 148 67 69 Материалы и методика исследования Работа основана на анализе результатов пиролитических исследований рифейских и вендских отложений скважин Вычегодского прогиба. Суммарно из 10 скважин было проанализировано 189 определений TOC, 67 - HI, 69 - температуры максимального выхода УВ в процессе крекинга керогена (Tmax, °С). Общий объем фактического материала представлен в табл. 1. Для определения остаточного генерационного потенциала (S1 + S2, мг УВ/г породы) пород были проанализированы результаты их пиролитических исследований. В процессе анализа были применены методики McCarthy и др. [30] и Peters и др. [31, 32]. Исходные значения основных генерационных характеристик пород: исходные содержание органического углерода (TOC0, %), значение водородного индекса (HI0, мг УВ/ г TOC) и Таблица 2 Значения коэффициентов пересчета остаточных TOCх на исходные Градация катагенеза Методика С.Г. Неручев (1998) Т.К. Баженова и др. (1981) Сапропелевое ОВ Гумусовое ОВ TOCx > 0,50 % TOCx < 0,50 % ПК3 1,03 ∙ TOCх 1,08 ∙ TOCх 1,02 ∙ TOCх 1,05 ∙ TOCх МК1 1,14 ∙ TOCх 1,03 ∙ TOCх 1,10-1,30 ∙ TOCх 1,09-1,23 ∙ TOCх МК2 1,43 ∙ TOCх 1,10 ∙ TOCх 1,53-1,94 ∙ TOCх 1,44-1,70 ∙ TOCх МК3 2,32 ∙ TOCх 1,19 ∙ TOCх 2,35 ∙ TOCх 1,89 ∙ TOCх МК4 2,66 ∙ TOCх 1,21 ∙ TOCх 2,43 ∙ TOCх 1,90 ∙ TOCх МК5 - 1,22 ∙ TOCх 2,50 ∙ TOCх 1,98 ∙ TOCх АК1 3,01 ∙ TOCх 1,23 ∙ TOCх 2,56-2,75 ∙ TOCх 2,00-2,08 ∙ TOCх АК2 3,16 ∙ TOCх 1,26 ∙ TOCх ″-″ ∙ ″-″ ″-″ ∙ ″-″ АК3 3,23 ∙ TOCх 1,31 ∙ TOCх ″-″ ∙ ″-″ ″-″ ∙ ″-″ АК4 3,26 ∙ TOCх 1,33 ∙ TOCх ″-″ ∙ ″-″ ″-″ ∙ ″-″ Графит 3,27 ∙ TOCх 1,43 ∙ TOCх 2,85 ∙ TOCх 2,20 ∙ TOCх УВ потенциал (S20, мг УВ/г породы) могут быть рассчитаны различными способами. Отечественными учеными: С.Г. Неручевым (1998) [33] и Т.К. Баженовой и др. (1981) [34] разработаны методики, согласно которым TOC0 рассчитывается, умножая аналитическое содержание TOCх на коэффициент пересчета для данной стадии катагенеза (табл. 2). Для расчета требуется знать тип органического вещества (ОВ) и соблюдать условия TOCx > или < 0,50 %. HI0 обычно восстанавливают, используя модифицированную диаграмму Ван-Кревелена (зависимость HI от Tmax) - по тренду в зависимости от типа ОВ [35]. Кроме этого, часто применяют эмпирическую формулу, представленную в работе В.Ю. Керимова и др. (2019) [36]. Из зарубежных способов оценки исходных значений генерационных параметров пород наиболее используемыми являются методики Peters и др. (1996, 2007) [37, 38], Jarvie и др. (2007, 2012) [39, 40], Chen и Jiang (2016) [41] и Pelet (1985) [42], Banerjee и др. (1998) [43]. В совокупности их методы включает расчет TOC0, HI0 и S20, а также коэффициент трансформации (TR, доли ед. или %), показывающий количество ОВ, уже преобразованного в УВ. В данной работе HI0 реконструировалось по эмпирической формуле, предложенной в работе Керимова и др. Для расчета исходной величины используются пиролитические данные - аналитическое значение водородного индекса (HIх) и Tmax. Формула для расчета HI0 (1): (1) где HI0 - исходный водородный индекс (до начала процесса генерации УВ), мг УВ/г TOC; HIx - аналитическое значение водородного индекса, мг УВ/г TOC; Tmax - температура максимального выхода УВ при крекинге керогена, °С; 430 - температура на начало генерации УВ, °С. Для восстановления TOC0 применялись несколько методик из перечисленных ранее: 1. Восстановление TOC0 образцов, для которых по результатам геохимических исследований известны только аналитические значения общего органического углерода (TOCх), проводилось с применением методики, разработанной С.Г. Неручевым. 2. Восстановление TOC0 образцов, для которых по результатам геохимических исследований известен весь комплекс аналитических данных, полученных методом пиролиза Rock-Eval, проводилось в два этапа: а) на первом этапе, зная HIx и HI0, по формуле Pelet (2) вычислялась TR: (2) где TR (transformation ratio) - степень реализации нефтегазоматеринской породой своего исходного генерационного потенциала, доли ед.; HI0 - исходный водородный индекс (до начала генерации УВ), мг УВ/г TOC; HIх - аналитическое значение водородного индекса, мг УВ/г TOC; 1200 - коэффициент, учитывающий количество УВ, образующихся на единицу массы органического углерода, мг УВ/ г TOC; б) на втором этапе, с учетом полученного значения TR, по формуле (3), разработанной C. Peters et al., определялось TOC0: (3) где TOC0 - исходное содержание TOC (до начала генерации УВ), %; ТОСx - аналитическое содержание органического углерода, %; HI0 - исходный водородный индекс, мг УВ/г ТОС; HIx - аналитическое значение водородного индекса, мг УВ/г TOC; TR (transformation ratio) - степень реализации нефтегазоматеринской породой своего исходного генерационного потенциала, доли ед.; 83,33 - среднее процентное содержание углерода в сгенерированных УВ. Рис. 2. Сводный литолого-стратиграфический разрез рифей-вендских отложений Вычегодского прогиба S20 рассчитан по формуле (4) [44, 45]: (4) где S20 - исходный потенциал, мг УВ/г породы; TOC0 - исходное содержание органического углерода, %; HI0 - исходный водородный индекс, мг УВ/г TOC. Нефтематеринские свиты и их геолого-геохимическая характеристика В рифей-вендском комплексе на территории Вычегодского прогиба, по имеющимся геолого-геохимическим данным, прослеживается ряд нефтепроизводящих толщ: пезская свита RF2pz, оменская свита RF3om, няфтинская свита RF3nf, усть-пинежская свита V2up (рис. 2) и породы кудымкарской серии V2kd. Пезская свита RF2pz среднего рифея сложена красно-сероцветной толщей переслаивания аргиллитов, алевролитов и песчаников (нерастворимый остаток (НО) - 85,42-95,00 %) общей мощностью 447 м (скв. C-3). Нижняя часть разреза представлена красноцветными олигомиктовыми разнозернистыми песчаниками с линзами и прослоями угловатых, окатанных гравелитов, сменяющиеся вверх алевролитами и аргиллитами. Цемент преимущественно глинистый, либо хлорит-гидрослюдистый. Средняя часть свиты сложена алевролитами с линзами песчаников. Верхняя часть представлена переслаивающимися песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Песчаники и алевролиты олигомиктовые разнозернистые темно- и светло-серые горизонтально-, косо- и линзовиднослоистые. Аргиллиты темносерые, коричневые и черные горизонтально-, волнистослоистые. Цемент глинистый. Согласно результатам пиролитических исследований темноцветных аргиллитов верхней части разреза пезской свиты ТОС составляет 0,14-0,93 % (в среднем 0,29 %), при этом ОВ пород «зрелое» и «перезрелое» (Tmax - 449-535 °С). Свойственны низкие показатели S1 (0,02-0,18 мг УВ/г породы) и S2 (0,06-0,50 мг УВ/г породы), но в целом породы обладают удовлетворительным генерационным потенциалом S1 + S2 (0,20-0,54 мг УВ/г породы) (рис. 3, а). HI - 35-208 мг УВ/г TOC и индекс продуктивности (PI) - 0,09-0,43 в совокупности указывают на полную и/или частичную реализованность потенциала. Оменская (ышкмесская) свита RF3om (ysh) верхнего рифея мощностью от 92-223 (скв. B-2 и C-3) до 960 м (скв. A-1) состоит из терригенно-карбонатной толщи (НО - 16,00-94,30 %), представленная светло-серыми, а б Рис. 3. Остаточный генерационный потенциал пород: а - рифея (свита: RF2pz - пезская, RF3om - оменская, RF3nf - няфтинская, RF3ysh - ышкмесская, RF3vp - вапольская); б - венда (свита: V1vch - вычегодская, V2up - усть-пинежская; серия: V2kd - кудымкарская) темно-серыми и буроватыми, тонкокристаллическими или пелитоморфными слоистыми и микроритмично-слоистыми, средне-крупнозернистыми доломитами и известняками, иногда глинистыми, с маломощными прослоями красно-темноцветных алевролитов, аргиллитов и песчаников, с включениями ангидрита. Песчаники и алевролиты олигомиктовые мелкозернистые, несортированные, аргиллиты известковистые темно-серые, почти черные. Цемент глинистый или карбонатный. Текстуры пород волнисто- и линзовиднослоистые. Анализ результатов пиролитических исследований аргиллитов и глинистых известняков показал, что оменской свите соответствуют содержания TOC - 0,02-1,50 % (среднее 0,28 %) и высокая преобразованность ОВ пород (Tmax до 486 °С). Показатели S1 и S2 низкие (0,01-0,09 и 0,3-0,34 мг УВ/г породы) и в сумме говорят о значительной истощенности потенциала пород S1 + S2 - 0,07-0,35 мг УВ/г породы (см. рис. 3, а), что также подтверждается крайне низкими значениями HI (до 92 мг УВ/г TOC) и высоким PI (в среднем 0,56). Няфтинская (вапольская) свита RF3nf (vp) верхнего рифея мощностью от 218-270 (скв. B-2 и C-3) до 1033 м (скв. A-1) сложена терригенно-карбонатной толщей (НО - 4,66-63,00 %). Известняки и доломиты массивные строматолитовые кристаллические или пелитоморфные от красноцветных, светло-серых до темно-серых, темно-коричневых горизонтально-, волнисто-слоистые, слабоглинистые, пиритизированные, с прослоями сланцеватых мергелей. Алевролиты темно-коричневые слюдистые глауконитсодержащие и аргиллиты темноцветные известковистые. Песчаники мономиктовые средне- и грубозернистые серые или светло-серые с сульфатным и карбонатным цементом. По результатам пиролиза аргиллитов и глинистых известняков содержание TOC в няфтинской свите варьируется от 0,01 до 1,50 (среднее 0,20 %). ОВ пород катагенетически «зрелое» и «перезрелое» (Tmax до 495 °С). Параметры S1 и S2 низкие (0,01-0,22 и 0,02-0,62 мг УВ/г породы), но при этом в отдельных пачках с повышенными концентрациями TOC, генерационный потенциал S1+S2 удовлетворительный (до 0,72 мг УВ/г породы) (см. рис. 3, а). HI - 29-564 мг УВ/г TOC и PI - 0,13-0,56 указывают на то, что часть пород истратила свой потенциал, а другая часть, с повышенными S1 + S2 и TOC, способны в небольших количествах генерировать УВ. Усть-пинежская свита V2up редкинского горизонта верхнего венда сложена переслаиванием аргиллитов, алевролитов и песчаников (НО - 80,00-95,00 %) общей мощностью от 429-482 (скв. A-1, B-2) до 1158 м (скв. C-3). Аргиллиты зеленовато-серые, темно-серые, реже темно-коричневые, горизонтально-слоистые, тонкоплитчатые, известковистые. Алевролиты зеленовато-серые или коричневатые, иногда сильно известковистые. Песчаники от мелко- до грубозернистых, зеленовато-серые или коричневато-серые, горизонтально-слоистые, олигомиктовые или полимиктовые, с линзовидными прослоями гравелитов. Встречаются прослои туффов базальтового состава зеленовато-серого цвета. Цемент карбонатный или глинистый. Иногда породы содержит небольшое количество аутигенного глауконита. Результаты пиролитических исследований аргиллитов усть-пинежской свиты показали, что породы имеют содержания TOC - 0,02-0,82 % (среднее 0,14 %) и расположены преимущественно в «нефтяном окне» (Tmax - 432-466 °С). Показатели S1 (0,01-0,71 мг УВ/г породы) и S2 (0,01-0,68 мг УВ/г породы) низкие, тем не менее породы в скв. C-3 и B-2 обладают удовлетворительным и хорошим потенциалом S1 + S2 - 0,33-1,39 мг УВ/г породы (см. рис. 3, б). Значения HI - 100-725 мг УВ/г TOC (в среднем 365 мг УВ/г TOC) и PI - 0,12-0,51 (в среднем 0,27) говорят о незначительной истощенности потенциала и способности пород генерировать УВ. В юго-восточной части Вычегодского прогиба по результатам литолого-петрографических исследований пород из скважин E-4, E-6, E-7, F-8, F-9 и G-10 верхневендские образования подразделяются на бородулинскую V2br и кудымкарскую V2kd серии. Бородулинская серия соответствует редкинскому биостратиграфическому горизонту, кудымкарская - котлинскому. Породы представлены переслаиванием аргиллитов, алевролитов и песчаников (НО - 84,44-95,60 %) общей мощностью до 1500 м. Бородулинская серия сложена аргиллитами темно-серыми, зеленовато-серыми, шоколадно-коричневыми, слюдистыми, тонкослоистыми, с многочисленными прослоями серых мелкозернистых известковистых песчаников и алевролитов. Кудымкарская серия выполнена коричневато-зелеными и коричневато-серыми алевролитами и мелкозернистыми песчаниками, с прослоями и редкими пластами шоколадно-коричневых аргиллитов. Анализ результатов пиролиза верхневендских аргиллитов юго-востока Вычегодского прогиба показал, что содержание TOC изменяется в диапазоне 0,09-0,59 % (в среднем 0,18 %). Породы залегают в главной зоне нефтеобразования (ГЗН), что подтверждает показатель Tmax - 433-454 °С. Аргиллиты данной серии относительно усть-пинежской свиты имеют повышенные показатели S1 (0,03-0,99 мг УВ/г породы) и S2 (0,13-1,51 мг УВ/г породы), что позволяет их отнести к породам с удовлетворительным и хорошим потенциалом (S1 + S2 - 0,28-2,04 мг УВ/г породы) (см. рис. 3, б). HI колеблется в интервале 58-1080 мг УВ/г TOC (в среднее 366 мг УВ/г TOC), PI - 0,07-0,86 (в среднее 0,35), что свойственно преимущественно неполной реализации потенциала. Породы обладают генерирующими свойствами. Таким образом, всего на территории Вычегодского прогиба в рифей-вендском комплексе прослеживаются 5 нефтепроизводящих уровней, из которых 3 - в рифее и 2 - в венде. В целом породы имеют удовлетворительный и зачастую хороший остаточный нефтематеринский потенциал. Восстановление палеогеохимических данных позволит определить начальный генерационный потенциал пород, что более достоверно при прогнозировании нефтегазоносности. Результаты реконструкции палеогеохимических данных На основании приведенных выше методик были получены результаты восстановления исходных значений TOC и HI протерозойских нефтепроизоводяших толщ Вычегодского прогиба. На данный момент степень реализации пезской свитой исходного генерационного потенциала составляет TR - 59-89 %. Породы на начало вступления в ГЗН имели содержания TOC0 - 0,32-2,56 %. Значения HI0 - 209-675 мг УВ/г TOC (среднее 440 мг УВ/г TOC) свойственны сапропелевому (II) типу ОВ - источнику генерации жидких УВ. Исходный S20 составил 0,21-8,49 мг УВ/г породы, что соответствует преимущественно породам с хорошим и очень хорошим потенциалом (рис. 4, а). Степень преобразованности ОВ оменской свиты равна TR - 59-71 %. Удалось установить, что породы до начала генерации УВ обладали исходными TOC0 - 0,13-3,99 % и HI0 ~ 300 мг УВ/г TOC. Отложения обогащены сапропелевым (II) типом ОВ и в целом имеют хороший исходный генерационный потенциал S20 - 0,39-3,44 (в среднем 1,92) мг УВ/г породы (рис. 4, а). Степень выработанности потенциала TR няфтинской свиты изменяется от 50 до 100 % (в среднем 70 %). На основании полученных данных, породы при вхождении в ГЗН имели исходные значения TOC0 - 0,14-3,99 % и HI0 - 340-730 мг УВ/г TOC, что указывает на сапропелевый (I/II) тип ОВ и способность отложений генерировать жидкие УВ. S20 равен 0,29-5,12 мг УВ/г породы, т.е. породы имели удовлетворительный, хороший и очень хороший начальный потенциал (см. рис. 4, а). а б Рис. 4. Исходный генерационный потенциал пород: а - рифея; б - венда (названия свит см. на рис. 3) Реализованность исходного нефтематеринского потенциала усть-пинежской свиты в настоящий момент - TR = 9-51 %. Палеозначения на начало генерации УВ составляли TOC0 - 0,11-0,93 % и HI0 - 533-785 мг УВ/г TOC. ОВ пород представлено сапропелевым (I/II) типом. Исходный потенциал относительно других свит невелик S20 - 0,38-1,98 мг УВ/г породы и в целом удовлетворительный и хороший (рис. 4, б). Что касается верхневендских образований юго-восточной части Вычегодского прогиба, то степень выработанности их генерационного потенциала TR - 10-59 %, исходное содержание TOC0 - 0,13-0,83 % и исходная величина водородного индекса HI0 ~ 574 мг УВ/г TOC идентичны усть-пинежской свите. Однако большинство значений HI0 > 600 мг УВ/г TOC, что свойственно I типу ОВ. Отложения по сравнению с усть-пинежской свитой обладают более высоким исходным нефтематеринским потенциалом. Показатель S20 составляет 0,26-8,47 мг УВ/г породы, что соответствует преимущественно породам с хорошим и очень хорошим потенциалом (см. рис. 4, б). На рис. 5-6 приведены зависимости всей совокупности рассчитанных палеогеохимических данных TOC0 и HI0 от их аналитических значений отдельно для рифейских и вендских отложений. Связь между TOCx и TOC0 как для рифейских, так и для вендских пород достоверная, что подтверждают коэффициенты корреляции равные R = 0,9762 и R = 0,8422 соответственно. Связь между HIx и HI0 для отложений рифея и венда также а б а б Рис. 5. Зависимость между TOCx и TOC0 пород: а - рифея; б - венда Рис. 6. Зависимость между HIx и HI0 пород: а - рифея; б - венда сильная, на что указывают высокие коэффициенты корреляции (R = 0,9545 и R = 0,9923). Итак, зная аналитические значения TOCx и HIx, можно с уверенностью воспользоваться полученными уравнения для расчета TOC0 и HI0 пород протерозоя Вычегодского прогиба. Заключение Таким образом, из анализа фактического материала и результатов реконструкции палеогеохимических данных рифей-вендских отложений Вычегодского прогиба следуют следующие выводы. На исследуемой территории в рифей-вендском комплексе прослеживаются пять нефтепроизводящих уровней: темноцветные аргиллиты пезской свиты среднего рифея, темноцветные аргиллиты и глинистые известняки оменской и няфтинской свит верхнего рифея, а также темно-окрашенные аргиллиты усть-пинежской свиты и кудымкарской серии верхнего венда. ОВ нефтематеринских свит оценивается как «зрелое» и «перезрелое», а остаточный потенциал пород - как преимущественно удовлетворительный. Нефтематеринский потенциал рифейских пород реализован на 50-100 %, а вендских - на 9-59 %. Восстановленные значения водородного индекса позволили определить генетический тип исходного ОВ пород - как сапропелевый (I/II). Исходный генерационный потенциал рифейских пород преимущественно хороший и очень хороший, а вендских - варьируется от удовлетворительного до очень хорошего. Построены зависимости восстановленных значений TOC0 и HI0 от их аналитических TOCх и HIх и выведены уравнения для расчета TOC0 и HI0 отдельно для рифейских и вендских нефтематеринских пород. В совокупности достаточно большие мощности рифей-вендских отложений, высокие исходные концентрации органического углерода и значения водородного индекса позволяют предполагать значительные масштабы генерации УВ. Достигнутые результаты исследования имеют ключевое значение при прогнозировании нефтегазоносности изучаемого района современным методом - бассейновым моделированием.

Об авторах

А. Н. Боталов

ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг»; Пермский национальный исследовательский политехнический университет

С. Н. Кривощеков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 68

PDF (Russian) - 40

PDF (English) - 6

Ссылки

• Ссылки не определены.