К оглавлению

УДК 546.027:556.3(571.12)

Особенности формирования и нефтегазопоисковое значение изотопного состава пластовых вод и поровых растворов

На примере Советского нефтяного месторождения.

В.Е. ВЕТШТЕЙН, В.Г. АРТЕМЧУК (ИГФМ АН УССР), А.Д. НАЗАРОВ (Томск. политехн. ин-т)

В Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции на территории Советского нефтяного месторождения, расположенного на границе Тюменской и Томской областей (Обь-Иртышское междуречье), с целью выявления закономерностей распределения дейтерия и кислорода-18 по вертикальному разрезу и в пределах продуктивных пластов, а также выяснения возможности сохранения первичных седиментогенных вод в эоцен-верхнемеловом водоупоре проведено изучение изотопного состава поверхностных и подземных вод методами прецизионной масс-спектрометрии [8, 9]. Исследо вания носили комплексный характер и включали наряду с изучением изотопного состава пластовых вод и поровых растворов также определение ионно-солевого, газового, органического и микрокомпонентного состава.

Подземные воды Советского нефтяного месторождения. Советское нефтяное месторождение приурочено к Советскому, Соснинскому, Медведьевскому и Нижневартовскому поднятиям, осложняющим Сосновско-Медведьевский вал Нижневартовского свода [5]. В его геологическом строении принимают участие юрские, меловые, палеогеновые и четвертичные отложения. Вмещающие породы представлены чередующимися разновозрастными песчаниками с прослоями аргиллитов и алевролитов и глинистыми отложениями с прослоями алевролитов и песчаников ( табл. 1 ). Величины dD и d18О (относительно SMOW - средней пробы воды Атлантического, Тихого и Индийского океанов - международного стандарта) представлены в табл. 1 в виде усредненных значений для каждой части разреза. Благоприятные условия для сохранения залежей УВ отмечаются в юрских и нижнемеловых отложениях, где они и были открыты. Наиболее крупные залежи обнаружены в продуктивных пластах БВ10 и АВ1.

Анализ данных, приведенных в табл. 2 , позволяет выявить ряд особенностей в распределении изотопного и химического составов вод. В частности, в изученном гидрогеологическом разрезе (~2300 м) отмечается весьма низкое содержание тяжелых изотопов водорода и кислорода в водах (dD изменяется от -134 до -67 %о, d18О - от -18,9 до -10,2 %o) и низкая минерализация последних (0,14-26,73 г/л). Воды верхней части гидродинамического разреза существенно отличаются по изотопному, химическому и микрокомпонентному составу. Здесь наблюдается прямая корреляция между величинами dD и d18О и минерализацией вод. В водах нижних этажей она отсутствует. В разрезе прослеживается тенденция увеличения отношения D/H и 18O/16O в водах, минерализации, температуры и пластовых давлений с глубиной. В продуктивных пластах AB1 и БВ10 обнаружена повышенная концентрация тяжелых изотопов водорода и кислорода в водах зоны ВНК (см. табл. 2).

Верхняя часть разреза - зона активного водообмена - охватывает эоценовые, олигоценовые и четвертичные отложения. Мощность зоны составляет 350 м. Здесь выявлены наиболее низкие значения dD (от -134 до -120 %о), d18О (от -18,9 до -16,4 %о) и минерализации вод (от 0,14 до 0,3 г/л). Это объясняется метеоинфильтрационной природой вод, географическим расположением района в центральной части Евразийского континента, заметным влиянием Северного Ледовитого океана, климатическими условиями, характеризующимися холодной и длительной зимой, коротким и прохладным летом и низкой среднегодовой температурой (-1,5- -2°С). Метеоинфильтрационное происхождение этих вод подтверждается расположением точек вблизи прямой Крейга ( рис. 1 , прямая 1) и гидрохимическими показателями (см. табл. 2 ).

Нижняя часть разреза включает зоны замедленного (апт-альб-сеноманские, готерив-барремские и валанжинские отложения, разделенные кошайской глинистой толщей до 20 м на два водоносных комплекса - апт-сеноманский и неокомский) и весьма замедленного водообмена (нижнеюрские и келловей-оксфордские отложения). Повышенная концентрация тяжелых изотопов обоих элементов воды (dD составляет от -87 до -67%o,d18O - от -14,6 до -10,2 %о), несвойственная современным поверхностным водам данного региона приуроченность к морским отложениям, значения натрий-хлорного коэффициента (0,7-0,83), отвечающие водам морского происхождения, указывают на то, что источником формирования пластовых вод этой части разреза являются седиментогенные талассогенные (по А.А. Карцеву) воды, существенно разбавленные метеоинфильтрогенными. Доля метеогенной составляющей, вычисленная по усредненным значениям изотопов обоих элементов, довольно велика и изменяется от 55 до 75 %. При расчетах принималось, что исходная пластовая вода имела близкие к SMOW(Авторы придерживаются точки зрения, что морские воды образовались вследствие смешения океанических и метеорных вод и имеют промежуточные значения изотопного состава между ними.) значения, а метеогенная - усредненные значения приповерхностных вод региона (dD = -128%0, d18О = -17,4 %о). Таким образом, смешение талассогенных вод с метеогенными, по нашим представлениям, является главным, но не единственным, процессом, определяющим формирование изотопного состава пластовых вод. Если бы формирование изотопного состава этих вод было обязано только процессу смешения, то точки на диаграмме dD-d18О (см. рисунок ) должны были бы расположиться вдоль прямой 2 или в области, ограниченной прямыми 1 и 2. Прямая 2 характеризует процесс смешения SMOW с метеогенными водами. Как следует из рисунка, совокупность точек, относящихся к водам зоны замедленного водообмена, сдвинута влево не только относительно прямой 2, но и метеогенной прямой 1 и описывается уравнением регрессии dD = 3,9d18О-28 %о, полученным при обработке данных по методу наименьших квадратов (прямая 3).

Расположение точек вдоль прямой 3, угол наклона которой составляет 3,9 вместо 7,3 при смешении вод, указывает, что при формировании их изотопного состава могли происходить и другие процессы, такие как испарение, изотопный обмен и т д. При этом наблюдаемые небольшие вариации обязаны либо обогащению дейтерием на 10-20 %o, либо обеднению 18О на 1-2,5 %о, либо обоюдному их изменению.

Прямое определение палеотемператур мезозойских пород исследуемого региона не проводилось, поэтому трудно установить интенсивность испарительного процесса. Можно лишь сослаться на данные X. Крейга (1961 г.), согласно которым тангенс угла наклона в уравнении для вод, подвергшихся интенсивному испарению, принимает значения 3-5. Что касается изотопно-кислородных равновесий, то до сего времени неизвестны примеры обеднения 18О в водах при их взаимодействии с кислородсодержащими породами. Как правило, последние имеют высокие положительные значения d18О, и в условиях повышенных пластовых температур (48-73°С) сдвиг будет направлен в сторону обогащения воды 18О.

Изотопно-водородный обмен в системе вода - глинистые минералы приводит к фракционированию изотопов водорода. Его величину можно оценить на основании данных [11] о средних значениях dD для глинистых минералов и о коэффициенте фракционирования aD =0,93 - 0,97. Она составит 1-3 %0. Количественно определить долю dD за счет обмена с УВ в настоящее время очень сложно. Можно лишь по приближенной оценке изотопного баланса допустить, что она не более 4-7%0. При расчетах также принималось во внимание то, что при отжатии вод через глинистые мембраны вытекающий раствор обедняется dD на 2,5 %o, d18О - на 0,85 %о [10].

Однако рассмотренными процессами или их совокупностью нельзя объяснить наблюдаемые вариации в нефтяных водах, которые для пласта AB1 составляют 6%о по dD и 2,6 %o по d18О, а для пласта БВ10 - 11 %о по dD и 2,9 %о по d18О.

Повышенные значения величин dD и d18О в водах зоны ВНК связаны, на наш взгляд, с физическим явлением. Об этом свидетельствует изменение содержания изотопов обоих элементов в одном знаке, причем с высокой степенью сходимости: отношения dD/d18O = 6,2±0,2. Такими механизмами могут быть: диффузионный, радиационно-химический, адсорбции, нейтронное взаимодействие и др. Два из них нам представляются наиболее существенными - диффузионный и радиационно-химический. Первый осуществляется благодаря разной скорости диффузии легких и тяжелых изотопных разновидностей молекул воды через микропористые мембраны вмещающих пород. При частичной диффузии продиффундировавшая часть обогатится легким изотопным компонентом, а остаток - тяжелым. Проведенные в лабораторных и природных условиях эксперименты [2, 10] подтверждают вероятность такого процесса. Однако установленные величины фракционирования изотопов при этом значительно меньше наблюдаемых. Второй процесс обусловлен энергией распада радиоактивных элементов. На его мощность в земной коре впервые указал В.И. Вернадский [1], отметив, что пластовые воды нефтяных месторождений имеют повышенную концентрацию радиоактивных элементов. Дальнейшие исследования показали, что концентрация радия [6] и связанное с ним распределение свободного кислорода в этих же водах [4] также увеличиваются в направлении к ВНК. Учитывая взаимосвязь природных процессов, контролирующих распределение изотопов в контурных водах, а также влияние разнообразных примесей на величину радиационно-химического выхода [3], в настоящее время трудно количественно оценить долю участия каждого из них. Однако если выявленная авторами [4, 6] зависимость действительно характерна для всех нефтяных месторождений [4], то при радиолизе воды можно ожидать фракционирования изотопов пластовых вод в соответствии с установленным распределением и обнаруженное явление увеличения содержания D и 18О по мере приближения к ВНК может быть использовано при поисках залежей нефти и газа.

Поровые растворы Маастрихт-четвертичных отложений бассейна р. Чижапки. Поровые воды глинистых пород (поровые растворы) представляют собой воду, физически связанную с тонкрдисперсным минеральным веществом. Связанная в огромных количествах вода в последующем принимает активное участие в различных геохимических процессах и в то же время является основным источником питания глубоких водоносных горизонтов. Находясь в непосредственном контакте с минеральными и органическими частицами (на границе твердой и жидкой сред) и играя роль связующего звена между породами и пластовыми водами, поровые растворы способствуют перераспределению между ними минеральных, органических и газовых компонентов (и изотопов) и формированию рудных, нефтяных и газовых месторождений, первичных и вторичных ореолов рассеяния и т.п. Естественно, что состав поровых растворов не остается постоянным, а изменяется, отвечая определенной стадии преобразования пород.

В табл. 3 представлены результаты изотопно-гидрогеохимических исследований поровых растворов, отобранных из маастрихт-четвертичных отложений и отжатых по методу Крюкова. По этим данным, поровые растворы четвертичных и верхнемеловых отложений (до 100 м), как и пластовые воды соответствующих горизонтов континентальных отложений (см. табл. 2 ), являются пресными (0,22-0,54 г/л), гидрокарбонатными с несколько повышенным содержанием D (-117- -106 %о), 18О (-15,7-14,4 %o), жирных кислот (5-30 мг/л) и сульфатов (до 14 мг/л).

В морских эоцен-нижнеолигоценовых отложениях чеганской свиты (170-270 м) пластовые воды оказались пресными гидрокарбонатными с содержанием dD = -120 %о, d18О = -16,4 %о и сульфатов до 14 мг/л, а поровые растворы - солоноватыми (до 2,5 г/л), сульфатными с содержанием dD =-117- -107%о, d18О=-15,8- -14,6 %о и сульфатов до 1410 мг/л.

Поровые растворы палеоцен-эоценовых отложений (270-320 м) повсеместно сульфатные и хлоридно-сульфатные с минерализацией 2- 5 г/л и содержанием dD = -124 %0, а d18О = -17,2 %о, жирных кислот до 50 мг/л и сульфатов до 3 г/л.

Поровые растворы маастрихтских отложений (320-350 м) - хлоридно-натриевые соленые (3-5 г/л) с содержанием dD = -110 %o, d18О = -15,7 %o, жирных кислот до 76 мг/л и сульфатов до 288 мг/л.

Таким образом, возможность сохранения в полной мере первичных седиментогенных вод в эоцен-верхнемеловом водоупоре [7] не подтверждается. Ясно прослеживается окисляющее (до 300-320 м) и опресняющее (более 350 м) воздействие метеоинфильтрогенных вод не только в песчаных, но и в глинистых отложениях, на что указывают низкие (по сравнению с захороняющимися нормально морскими водами) концентрации в поровых растворах D, 18О и минеральных солей (минерализация) и высокая концентрация сульфатов.

Таким образом, впервые методами прецизионной масс-спектрометрии изучено распределение D и 18О в образцах подземных вод мезозойско-кайнозойских отложений Советского нефтяного месторождения и в поровых растворах маастрихт-четвертичных отложений бассейна р. Чижапки (Обь-Иртышское междуречье). При этом установлено, что подземные воды в целом обогащены легкими изотопами и характеризуются весьма широким диапазоном распределения D и 18О по гидрогеологическому разрезу. Изотопный состав вод изменяется в следующих пределах: в зоне активного водообмена - dD от -134 до -120%o, d18O от -18,9 до -16,4 %o; в продуктивных горизонтах зоны замедленного водообмена dD от -87 до -67 %о, d18О от -14,6 до -10,2 %o; в поровых растворах dD от -124 до -106 %o, d18О от -17,2 до -14,4 %о. С пластовыми водами, обогащенными D и 18О, связаны основные месторождения нефти и газа, иодо-бромных, минеральных и иодных промышленных вод.

Воды зоны активного водообмена Советского нефтяного месторождения, а также преимущественно поровые растворы бассейна р. Чижапки имеют метеоинфильтрогенную природу. Возможность сохранения в полной мере первичных седиментогенных вод в эоцен-верхнемеловом водоупоре, предполагаемая другими исследователями, не подтверждается. Пластовые воды зоны замедленного водообмена являются талассогенными седиментогенными, существенно разбавленными метеоинфильтрогенными водами. Доля последних составляет 55-75%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Вернадский В.И. Избранные сочинения. Т. IV. Кн. 2-я. М., Изд-во АН СССР,1960.
  2. Власова Л.С., Сойфер В.Н. Оценка масштабов диффузионного обмена изотопного состава природных вод на основе изучения диффузионных параметров горных пород. - В кн.: Новые методы и аппаратура ядерной геофизики и геохимии. М., 1970, с. 25-31.
  3. Воеводский В.В. О механизме радиолиза воды. - Кинетика и катализ, 1961, т. II, № 1, с. 10-12.
  4. Гуцало Л.К. Радиолиз воды как источник свободного кислорода в подземной гидросфере. - Геохимия, 1971, № 12,с. 8-11.
  5. Нестеров И.И., Салманов Ф.К., Шпильман К.А. Нефтяные и газовые месторождения Западной Сибири. М., Недра,1971.
  6. Радиохимические и изотопные исследования подземных вод нефтегазоносных бассейнов СССР / Ф.А. Алексеев, Р.П. Готтих, С.А. Сааков, Э.В. Соколовский. М., Недра, 1975.
  7. Смирнов С. И. Происхождение солености подземных вод седиментационных бассейнов. М., Недра, 1971.
  8. Ветштейн В.Ю. Швидкий масспектрометричний метод визначення вмicту 18O в природних водах. - Доп. АН УРСР, сер. Б, № 9, 1966, с. 16-21.
  9. Ветштейн В.Ю., Абашидзе I.В., Артемчук В. Г. та iн. Прецизiйний масспектрометр для визначення вмicту дейтерiю в природних сполуках. - Доп. АН УРСР, сер. Б, № 3, 1971, с. 6-9.
  10. Kharaka J.К., Berry P.A.F., Friedman J. Isotopic composition of oilfield brines from Kettlemen North dome, California.- Geochim. Cosmochim. acta. 1973,v. 37, No. 8.
  11. Savin S.M., Epstein S. The oxygen and hydrogen isotope geochemistry of clay minerals. - Geochim. Cosmochim. acta, 1970,v. 34, No. 1.

Поступила 20/VI 1979 г.

Таблица 1

Геологический разрез и изотопный состав водорода и кислорода водоносных комплексов Советского нефтяного месторождения

Ярус

Свита

Продуктивный пласт

Мощность, м

Фации

Зона

Водоносный комплекс

dD, %o

d18O, %o

Краткое литологическое описание

Четвертичные

35-47

Континентальные

Активного водообмена

Эоцен-четвертичный

-131

-17,8

Пески, глины, суглинки, торфа

Олигоцен

Новомихайловская-атлымская

 

125-130

Чередование песчанистых глин и разнозернистых песков

Олигоцен - эоцен

Чеганская

 

180-190

 

-120

-16,4

Чередование мелкозернистых песков с песчанистыми глинами

Эоцен

Люлинворская

 

184-214

Морские

Региональный водоупор

Эоцен-верхнемеловой

-112

-16,2

Глины с прослоями мелкозернистых песков, внизу опоковидные глины

Палеоцен

Талицкая

 

64-87

Глины с прослоями мелкозернистых песчаников

Маастрихт - даний

Ганькинская

 

152-170

Глины с прослоями песчаников и алевролитов

Кампан-сантон

Славгородская

 

64-84

Глины, внизу опоковидные

Сантон- коньяк-турон

Ипатовская

 

49-62

Переслаивание глин и песков

Кузнецовская

 

14-30

Алевролитистые глины

Апт-альб- сеноман

Покурская

 

707-728

Континентальные

Замедленного водообмена

Aпт-альб-сеноманский

-87

-14,6

Чередование разнозернистых песчаников, алевролитов и глин с редкими прослоями известняков

Апт

Алымская

AB1

30-50

Морские

Водоупор

-74*

-11,9*

Вверху - глины с прослоями алевролитов, внизу - песчаники с прослоями глин

Валанжин - готерив-баррем

Вартовская

AB1 БB1 БВ2 БВ3 БВ4-5

315-353

Неокомский

-73*

-11,5*

Чередование мелкозернистых песчаников, алевролитов и аргиллито-глинистых пород

Валанжин

Тарская

БВ7 БВ8

84-113

Мелко- среднезернистые песчаники с прослоями глин

Куломзинская

БВ10

200-248

Вверху - разнозернистые песчаники с прослоями аргиллитов; в середине- чередование аргиллитов и алевролитов с прослоями песчаников; внизу - глины с прослоями алевролитов и песчаников.

Региональный водоупор

Валанжин-верхнеюрский

Берриас

Ачимовская толща

БВ19

73-85

   

Вверху - песчаники с линзами аргиллитов; внизу - аргиллиты

Кимеридж - Оксфорд - келловей

Баженовская

 

25-39

Вверху - битумы; внизу - аргиллиты

Георгиевская Васюганская

Ю1

 

Весьма замедленного водообмена

Юрский

Вверху - чередование песчаников, алевролитов и аргиллитов; внизу - аргиллиты

Келловей - плинсбах

Тюменская

Ю2Ю11

115-204

Континентальные

Тонкое переслаивание мелкозернистых песчаников, аргиллитов и алевролитов

Триас

   

14-39

Аргиллитоподобная порода с обломками пород фундамента

Палеозой

               

Эффузивные пopoды типа диабазов, аргиллиты, известняки, алевролиты, туфо-песчаники, сланцы

*По усредненным значениям продуктивных горизонтов.


Таблица 2

Изотопный состав водорода и кислорода подземных вод Советского нефтяного месторождения

Площадь отбора, скважина

Возраст водовмещающих пород

Интервал опробования, м

Пластовые условия

Минерализация, г/л

г Na/rCl

Cl/Вr

rCa/rMg

Расстояние до ВНК, км

dD, %o

d18O, %o

Температура, °С

Давление, МПа

Приповерхностные

Соснинская, колодец

Четвертичный

6-10

5,4

0,1

0,15

0,01

2,6

-134

-18,9

Александровская

Новомихайловский

100-120

5,3

1,2

0,24

1,58

-

1,0

-

-128

-16,8

Соснинская

Атлымский

150

5,5

1,5

0,14

0,44

-

7,6

-

-132

- 17,7

Александровская

Чеганский

287

10,0

3,0

0,30

2,90

-

1,6

-

-120

-16,4

Верхнемеловые

Соснинская, 104-бис

Покурский

1300-1500

48,0

15,4

17,67

0,92

264

4,2

0,15

-87

-14,6

Нижнемеловые (нефтяная залежь, пласт AB1

Соснинская, 398

Вартовский

1665-1685

56,0

17,3

18,50

0,83

235

11,4

0,00

-71

- 10,9

319

То же

1729-1735

54,0

16,7

19,10

0,81

219

8,0

Подошвенная

-74

-11,4

Советская, 81

1699-1740

58,0

17,2

18,73

0,81

224

12,0

0,10

-77

-13,5

Нижнемеловые (нефтяная залежь, пласт БВ10)

Соснинская, 510

Куломзинский

2174-2189

73,3

22,0

26,37

0,75

228

37,5

0,60

-67

-10,2

18

 

2159-2164

72,0

21,8

26,34

0,70

204

3,0

Подошвенная

-76

-11,2

3

То же

2216-2222

73,0

22,0

26,73

0,75

171

-

3,00

-78

-13,1

Таблица 3

Изотопный состав водорода и кислорода поровых растворов бассейна р. Чижапки

Площадь отбора, скважина

Возраст водовмещающих пород

Интервал опробования, м

Минерализация, г/л

rNa/rCl

rCa/rMg

dD, %o

d18O, %o

Чижапская, 2-к

Четвертичный

10

0,54

0,98

0,9

-106

- 14,4

Новомихайловский

36

0,22

0,26

3,0

-115

-15,3

То же

93

0,47

0,22

2,4

-117

- 15,7

Чеганский

145

2,08

30,35

41,2

-107

-14,6

То же

164

2,20

11,54

1,3

-117

-15,8

Молинварский

242

1,89

1,74

0,5

-

-17,1

” 1-к

То же

284

2,30

0,89

1,5

- 124

-17,2

” 2-к

Ганькинский

295

2,93

1,10

0,7

-110

-15,7

Рисунок

Зависимость между содержанием дейтерия и кислорода-18 в водах Советского нефтяного месторождения и поровых растворах бассейна р. Чижапки.

Линии: 1- метеорных вод (dD=8d18O+10%o; по Крейгу, 1961). 2 - смешения метеогенных вод со SMOW (dD=7,3d18O+0,3 %o), 3 - вод зоны замедленного водообмена (dD=3,96d18O-28 %о). а - метеогенные воды; б - поровые растворы; в - воды продуктивного пласта АВ1; г - воды продуктивного пласта БВ10