|
УДК 553.981.061.15(477.5) |
Тектонодинамическая оценка условий формирования месторождений - новое направление изучения нефтегазоносных территорий
Н.Н. СОЛОВЬЕВ (ВНИИгаз)
Природные системы, включающие ОВ, УВ и вмещающие их водонасыщенные породы, эволюционируют как термодинамически необратимые. Поэтому уже сама локализация нефти и газа в определенных участках земной коры свидетельствует о том, что природа периодически «включает» механизмы принудительного перевода хаотично рассеянных продуктов преобразования ОВ в упорядоченные фазы в виде залежей нефти и газа.
Генерацию УВ общепринято ставить в прямую зависимость от выноса эндогенного тепла (теплового потока). Однако то, что этот источник энергии обеспечивает прогрессирующую эволюцию ОВ, еще не означает, что его мощность всегда достаточна для удельного выхода УВ с интенсивностью, необходимой для формирования их скоплений. Во всяком случае, выводы о возможности формирования нефтяных и газовых месторождений при существенно растянутом во времени процессе преобразования ОВ следует признать далеко не бесспорными [12]. Проблематично энергообеспечение таких энергоемких процессов, как первичная и собирательная миграция УВ.
«В литосфере протекает множество экзотермических процессов, энергия которых может быть использована для превращения (включая перемещение) ОВ и его дериватов» [6, с. 23]. Среди них наибольшего внимания заслуживают процессы, причинно связанные с тектоническими проявлениями. В течение многих десятилетий последние традиционно считались главными при формировании осадочных бассейнов разных типов и их структурно-морфологической дифференциации, что оказывает лишь опосредованное влияние на нефтегазоносность. Возможность активного участия энергии тектонических движений в процессах, составляющих онтогенез нефти и газа, как правило, не обсуждалась. Исследования же последних лет показали, что именно динамика тектонических процессов может играть определяющую роль в эволюции нефтегазоносных бассейнов (НГБ) [1, 4, 11, 12, 13], (Г.И. Амурский, Н.Н. Соловьев, 1983 г.; Э.М. Галимов, 1973 г.; Н.А. Еременко, 1978, 1984 гг.; К.И. Микуленко, 1978 г.; Н.Н. Соловьев, Г.И. Амурский, 1982 г.; А.А. Трофимук и др., 1982 г.; Н.В. Черский и др. 1977, 1979, 1980 гг. и др.). При этом принципиально важно, что наиболее эффективным оказывается тот путь эволюции генерирующих и аккумулирующих систем, при котором их прогрессирующее развитие происходит не только за счет дополнительного привнося энергии, а главным образом благодаря снижению энергетических барьеров химических превращений и массопереноса.
Почти все теоретические построения и выводы в области геологии нефти и газа базируются на логическом анализе, лишь в редких случаях подкрепляемом результатами экспериментального воспроизведения частных явлений. Именно по последнему показателю «...геология нефти явно отстает от эндогенной геологии...» [2, с. 48]. Вместе с тем результаты даже немногочисленных экспериментов далеко не всегда представительны, так как условия их проведения часто лишь весьма приближенно отвечают природным. Одним из главных невоспроизводимых показателей природных нефтегеологических систем, постоянно «ускользающих» от экспериментаторов, является геодинамическое поле напряжений. Поэтому горным породам чаще отводится лишь роль пассивного каркаса, внутри которого (независимо от изменения его напряженного состояния) эволюционирует нафтидная фаза. Однако именно принудительному энерго- и массообмену в системе водонасыщенная горная порода - ОВ - УВ, происходящему при тектонодинамических флуктуациях напряженного состояния осадочного выполнения, принадлежит решающая роль во всех процессах и явлениях, в итоге завершающихся формированием месторождений нефти и газа [1,4, 11-13 и др.].
На рисунке сделана первая попытка обобщения наиболее вероятных генетических связей некоторых процессов онтогенеза нефти и газа и физико-механических эффектов тектонодинамической природы. При этом генерационная составляющая представлена фрагментарно, преимущественно в аспектах, почти не рассматривавшихся ранее.
Бурное развитие механохимического направления в современной химии обнаружило принципиально новые механизмы инициирования химических превращений. Наиболее полный анализ (в том числе экспериментальный) возможностей их реализации в процессе эволюции ОВ выполнен Э.М. Галимовым (1973 г.), Н.В. Черским и В.П. Царевым (1979, 1980 гг.), что в комплексе с результатами других исследований ВНИИЯГГа и ряда научных подразделений СО АН СССР позволило рассматривать сейсмотектонические явления как активный фактор преобразования ОВ [11]. На наш взгляд, к числу важных производных тектонодинамического возбуждения горных пород, влияющих на характер преобразования ОВ, относятся также ударные и электромагнитные воздействия. В частности, ударно-волновым механизмом (в том числе и за счет ударных волн при кавитационном схлопывании пузырьков газа) могут характеризоваться реакции полимеризации биомономерных молекул, входящих в состав преобразованных в раннем диагенезе органических остатков. Кроме того, заслуживает внимания оценка масштабов активации ударным сжатием природных катализаторов, например алюмосиликатов.
Изучение влияния магнитных полей на химические превращения с участием радикалов становится предметом многочисленных исследований в химии (Р.З. Сагдеев и др., 1977 г., А.Л. Бучаченко и др., 1978 г. и др.). Однако в нефтегазообразовании этот вопрос остается практически не изученным. Радикальный механизм генерации УВ, предложенный С.П. Максимовым, Н.А. Еременко и др. (1959 г.), наиболее детально был разработан Э.М. Галимовым (1973 г.) Под влиянием переменных магнитных полей даже небольшой амплитуды возрастает вероятность рекомбинации радикальных пар за счет изменения ориентации спинов. По существу, «это новое универсальное явление, природа которого имеет не энергетический, а «управляющий» характер» [7, с. 32].
Экспериментально изменение магнитной восприимчивости горных пород при упругих напряжениях впервые было воспроизведено А.Г. Калашниковым и С.П. Капицей (1952 г.), которые предполагали, что активизация тектонических процессов на поверхности Земли должна отражаться флуктуациями магнитного поля. Этот вывод все чаще подтверждается при наблюдениях за аномалиями вековых геомагнитных вариаций на геофизических полигонах в сейсмоактивных зонах. «Всплески» повышенного электромагнитного излучения над сейсмическими очагами были зафиксированы со спутников, проекции орбит которых были удалены от эпицентров на 140-480 км [3]. Механо-электрические эффекты обнаружены в различных экспериментах при деформации разнообразных материалов, в том числе полевых шпатов и содержащих их горных пород. Это говорит о том, что движущей силой эффектов электромагнитной природы при землетрясениях являются тектонические напряжения [15]. Представляет интерес изучение характера проявления в земной коре высокочастотных электромагнитных импульсов, впервые зафиксированных В.И. Уломовым, между электродами, установленными в скважине глубиной 500 м, пробуренной в плейстосейстовой области землетрясения в Ташкенте в 1966 г.
Из сказанного становится очевидной возможность природной реализации радикально-магнитного механизма генерации УВ в ореолах сейсмоактивных зон. Следует подчеркнуть также пространственно-временную сопряженность процессов механохимической (в частности, сейсмоакустической) активации пород и ОВ, деструкции полимерных соединений ОВ с образованием свободных радикалов и флуктуаций электромагнитных полей тектонодинамического генезиса, которые могут обеспечивать магнитное усиление химических реакций.
Несмотря на чрезвычайно важную роль массопереноса при формировании месторождений УВ, механизм этого процесса на различных его уровнях до сих пор остается одним из наименее изученных в проблеме нефтегазонакопления, а «разработка этих вопросов значительно отстала от разработки вопросов генерации нефти и газа» [8, с. 32]. Еще менее изучены масштабы, темпы и виды рассеивания УВ на всех этапах эволюции НГБ при определении продолжительности формирования их месторождений. Этот аспект обычно остается вне оживленных дискуссий о роли геологического времени в процессах нефтегазообразования и накопления. Хотя едва ли можно сомневаться в том, что чем они медленнее, тем более существенной при прочих равных условиях становится негативная роль диссипативных процессов, тем менее вероятна прогрессирующая аккумуляция УВ. А поскольку природные системы, включающие рассеянные нефть и газ, при формировании их месторождений уходят все дальше от равновесного состояния, оно может поддерживаться лишь при условии значительных энергетических затрат. Другой важной предпосылкой аугментации миграционных процессов является хотя бы кратковременное периодическое увеличение проницаемости пород, которое может обусловить повышение коэффициента полезного действия таких затрат.
Попытки оценки роли естественной трещиноватости горных пород в процессах первичной миграции и аккумуляции УВ предпринимались неоднократно. Но все тот же «статический» взгляд на эти явления не позволял получить удовлетворительное решение. Н.А. Еременко (1968, 1984 гг.) считает, что раскрытость, а следовательно, и фильтрующая способность трещин в тонкодисперсных породах регулируются микрообъемной неравномерностью генерации УВ. Близкие взгляды развивают Б. Тиссо и Р. Пеле (1971 г.), К. Салле и Ж. Дибизер (1978 г.) и другие исследователи. Очевидно, что возникновение резко анизотропного поля внутрипоровых давлений с формированием активных центров избыточного давления при генерации УВ (особенно газа) в естественных условиях происходит неоднократно. Но следует иметь в виду, что такие системы в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна ведут себя как автозатухающие. Кроме того, импульс движения, приобретаемого УВ в таких условиях, чрезвычайно мал. Поэтому их развитие происходит настолько медленно, что не в состоянии обеспечить возможность сколько-нибудь масштабного массопереноса.
Вероятность возникновения импульсов первичной миграции и аккумуляции УВ при проявлении арочного эффекта при знакопеременных движениях блоков фундамента рассматривалась Ю.А. Пецюхой (1967 г.). Широкая гамма эффектов, усиливающих массо-перенос в горных породах при периодических сейсмоакустических пульсациях их трещинно-порового пространства, рассмотрена в работах Н.А. Еременко (1961 г.), Э.М. Галимова (1973 г.), В.К. Громова и др. (1981 г.), A.А. Трофимука и др. (1982 г.), B.П. Царева (1979 г.), Н.В. Черского и др. (1977, 1978 гг.) и др. Под их влиянием система порода - флюиды трансформируется благодаря изменению как петрофизических характеристик пород, так и физико-химического состояния флюидов. При этом характер движения УВ в значительной мере может определяться вибро(сейсмо) миграционными эффектами, под влиянием которых происходит как бы активное перекачивание флюидов горной породой [4 и др.].
Сейсмоакустическая вибрация земной коры - наиболее заметная производная сейсмотектонической активизации литосферы. По оценке Гидрографического управления США, среднесуточное число только регистрируемых землетрясений за 1961-1969 гг. составляло 5-25. Причем «влияние любого крупного землетрясения можно зафиксировать по всему земному шару» [3, с. 15]. Только современная сейсмотектоническая активность длится, по крайней мере, не менее 10 тыс. лет. Даже при магнитудах более трех (слабое сейсмическое явление) энергия землетрясений достаточна для возбуждения ощутимых сейсмоакустических колебаний на площади в тысячи квадратных километров. При сильнейших же радиусы зон сейсмоакустических возмущений возрастают до многих сотен километров. Однако сейсмоакустическое воздействие на нефтегазосодержащие пласты может быть далеко не единственным фактором тектонодинамического контроля процессов миграции УВ. На это, в частности, указывают многочисленные случаи проявления ложных гидродинамических, гидрохимических, физико-механических, электромагнитных сигналов, обычно предваряющих землетрясения. Поэтому для принципиального описания тектонодинамического механизма первичной миграции и аккумуляции УВ первостепенное значение имеет оценка наиболее значимо зависимых от тектогенеза характеристик системы водонасыщенные породы - УВ.
Прежде всего обращает внимание следующий характер объемно-петрофизических преобразований горных пород при являющемся лишь частным случаем тектонодинамических воздействий единичном сейсмическом событии. Большинство графиков изменения отношения скоростей продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн (В.Т. Мячкин, 1978 г.; Т. Рикитаке, 1978 г. и др.) имеет вид ярко выраженной синусоиды. За этапом упрочения пород (Vp/Vs уменьшается) следует процесс их объемного разрыхления (дилатансия), при котором величина этого отношения начинает расти. При дальнейшем повышении давления и закрытии трещин последняя вновь снижается. Такие изменения горных пород отмечаются на расстоянии в тысячи километров [9], они могут быть причиной многократно описанных многочисленных гидродинамических предвестников и последствий землетрясений (И.Г. Киссин, 1981 г.; Д.Г. Осика, 1981 г. и др.).
В схематическом виде тектонодинамический механизм первичной и собирательной миграции УВ может быть представлен следующим образом (см. рисунок). Все, даже однотипные, горные породы, в том числе и глинистые, характеризуются неоднократным строением как по объему, так и по структуре порового пространства. Все они в той или иной мере трещиноваты, причем в тонкодисперсных средах трещиноватость является определяющей характеристикой проницаемости. При тектонодинамических воздействиях раскрытость трещин (как и пор) периодически изменяется, причем степень изменения значительно зависит от физико-механических свойств пород. Это обстоятельство уже предопределяет вероятность динамической дифференциации фильтрационно-гидравлического потенциала флюидонасыщенных толщ. В результате дилатансионного разуплотнения в основном за счет раскрытия микротрещин возникает перепад давлений между межтрещинной матрицей пород (т. е. порами) и трещинами. В экстремальных условиях, по данным [10], его величина может достигать 20 МПа.
При возникающем таким образом импульсном «вакуумировании» вновь формирующихся пустот не только усиливается эмиграция УВ, но может происходить и парообразование в жидкой (микронефть) фазе. А это, естественно, существенно повышает возможность их эвакуации из тонкодисперсных сред.
По крайней мере, какая-то часть газообразной фазы, оказывающейся в коллекторе, будет переходить в растворенное состояние, остальная (как и большинство частиц нефти) будет рассеяна в водонасыщенной среде. Если в таком новом состоянии система не получит энергетического импульса, диссипативные процессы приведут к дальнейшему рассеиванию УВ. Однако при продолжающемся тектонодинамическом воздействии за счет дилатансии, коалесценции (возможно, и кавитации), механического срыва (Сорбированных и образующих так называемую «мертвую» нефте- и газонасыщенность УВ.) первично-рассеянная углеводородная составляющая может быть мобилизована до состояния свободной фазы, способной уже к самостоятельному перемещению.
Возможность возникновения принудительной сейсмоакустической предкавитационной (коалесцентной), а может быть, и кавитационной дегазации газонасыщенных подземных вод практически не исследована. В экспериментально подтвержденных проявлениях кавитации, сопровождающей течение многих технологических процессов, дегазация жидкостей начинает зарождаться даже при значительном дефиците упругости, что в итоге приводит к слиянию разрозненных пузырьков гага в более крупные гомогенные ассоциации (А. Казале, Р. Портер, 1983 г. и др.). Поэтому, если в пористой среде в естественном сейсмоакустической поле Земли происходит реализация таких процессов (чему может способствовать сейсмоакустическая десорбция пузырьков газа с поверхности пород), то формирование гомогенных газовых ассоциаций может происходить и при начальном дефиците упругости растворенного газа.
Очевидно, что в естественных условиях нет четкого разграничения этапов первичной и собирательной миграции. К формированию самостоятельных скоплений УВ, перемещение которых периодически может усиливаться флуктуациями гидродинамического потенциала, приводит их совместно-последовательное проявление. Причем до тех пор, пока возникший объем нефти или (и) газа будет мигрировать в динамически «пересыщенной» среде, его величина будет возрастать. Если же учесть, что в наведенных сейсмоакустических и тектономагнитных полях увеличивается проницаемость пород и снижается вязкость насыщающих их жидкостей, реальность предлагаемого тектонодинамического механизма эмиграции и собирательной миграции УВ становится более очевидной. Следует подчеркнуть, что его природная реализация может обеспечить весьма малую продолжительность формирования месторождений УВ, что имеет важное значение для «преодоления барьера» естественного рассеивания (диффузия, химическое разрушение, вынос пластовыми водами и др.).
Рассмотренный подход к оценке условий формирования месторождений УВ в первую очередь применим к НГБ межгорных впадин и пограничного типа, включающих предгорные прогибы и сопредельные части плит. Последние являются «продуктами» переработки древних пассивных окраин плит, содержащих около половины разведанных ресурсов нефти и газа (В.Е. Хаин, Б.А. Соколов, 1984 г., К.Н. Кравченко, 1984 г. и др.). Однако было бы неверным считать, что и такие крупнейшие НГБ рифтогенного типа (современных пассивных окраин или их аналогов) , как Северного моря, Мексиканского залива, Западно-Сибирский, Прикаспийский и другие, не испытывали в процессе развития активного тектонодинамического воздействия. Примеры современных рифтовых зон, многие из которых отличаются, в частности, не меньшей, чем зоны коллизии плит, сейсмичностью, показывают, что вклад энергии тектоногенеза в эволюцию НГБ такого типа может быть весьма значительным. В частности, в истории развития Западно-Сибирского НГБ насчитывается по крайней мере пять эпох сейсмотектонической активизации продолжительностью от 2-3 до 10 млн. лет каждая (К.И. Микуленко, 1978 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амурский Г.И., Берето Я.А. Роль горизонтального сжатия при газогенерации и газонакоплении.- Геология нефти и газа, 1980, № 8, с. 22-26.
2. Высоцкий И.В. Методические вопросы нефтяной геологии.- В кн.: Вопросы методологии нефтегазовой геологии. М., 1982, с. 42-50.
3. Гохберг М.Б., Пилипенко В.А., Похотелов О.А. О сейсмических предвестниках в ионосфере.- Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли, 1983, № 10, с. 17-21.
4. Динамика формирования месторождений полезных ископаемых/В.К. Громов, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов и др.- Докл. АН СССР, 1981, т. 256, № 5, с. 1197-1200.
5. Еременко Н.А. Геология нефти и газа. М., Гостоптехиздат, 1961.
6. Еременко Н.А. Возможные изменения уровня энергии в цикле нефтегазообразования.- Геология нефти и газа, 1983, № 3, с. 22-27.
7. Молин Ю.K. Магнитные поля и химические реакции.- Природа, 1981, № 11, с. 24-32.
8. Неручев С.Г. Обоснованные и еще не решенные вопросы генезиса нефти и газа и их значение для прогноза нефтегазоносности.- В кн.: Условия образования нефти и газа в осадочных бассейнах. М., 1977, с. 30-34.
9. Периодические вариации параметров сейсмических волн при просвечивании литосферы мощными взрывами/Н.Г. Гамбурцева, Е.И. Люкэ, В.Н. Николаевский и др.- Докл. АН СССР, 1982, т. 266, № 6, с. 1349-1353.
10. Райс Дж. Механика очага землетрясения. М., Мир, 1982.
11. Сейсмотектонические процессы - фактор, вызывающий преобразование органического вещества (ОВ) осадочных пород/А.А. Трофимук, Н.В. Черский, В.П. Царев и др.- Докл. АН СССР, 1983, т. 271, № 6, с. 1460-1464.
12. Соловьев Н.Н., Амурский Г.И. Тектонодинамика и нефтегазоносность.- Геотектоника, 1984, № 1, с. 39-45.
13. Царев В. П. Влияние движений земной коры на миграцию флюидов.- В кн.: Новые данные о процессах генерации и миграции углеводородов. Якутск, 1979, с. 30-43.
14. Шейдеггер А.Е. Физические аспекты природных катастроф. М., Недра, 1981.
15. Электромагнитные предвестники землетрясений. Под ред. акад. М.А. Садовского. М., Наука, 1982.
Рисунок Принципиальная схема генетических связей тектонодинамики и онтогенеза нефти и газа (составил Н.Н. Соловьев с использованием материалов Г.И. Амурского, П.В. Бриджмена, Э.М. Галимова, Н.А. Еременко, А. Казале, О.Л. Кузнецова, В.Н. Николаевского, Р. Портера, Р.3. Сагдеева, А.А. Трофимука, В.П. Царева, Н.В. Черского и др.).
Наиболее важные причины изменения состояния системы породы - ОВ - флюид: 1 - импульсное возрастание давления, 2 - снижение энергии активации химических превращений (повышение химической активности веществ), 3 - магнитное усиление реакций, 4 - повышение активности природных катализаторов, 5 - механическая деструкция ОВ, 6 - флуктуация объема пустотного пространства пород, 7 - увеличение проницаемости пород, 8 - снижение вязкости флюидов, 9 - десорбция УВ (с поверхности пород и ОВ), 10 - фазовые переходы, 11 - коалесценция (возможно, кавитация)