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 a_D =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%.

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.

Таблица 1

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

*По усредненным значениям продуктивных горизонтов.

Изотопный состав водорода и кислорода подземных вод Советского нефтяного месторождения

Таблица 3

Изотопный состав водорода и кислорода поровых растворов бассейна р. Чижапки

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