|
УДК 553.98.061.15 |
Г.И. АМУРСКИЙ, Н.Н. СОЛОВЬЕВ (ВНИИгаз)
В настоящей статье делается попытка показать возможности и основные проблемы тектонодинамической оценки условий формирования месторождений нефти и газа. Такой подход к изучению нефтегазоносности, характеризуемый как тектонодинамический [8], геодинамический [6] или сейсмотектонический [7], начал зарождаться в последнее десятилетие [3, 11]. Позднее авторы настоящей статьи это направление исследований предложили называть тектонодинамикой онтогенеза нефти и газа, понимая его как область познания комплекса природных процессов, являющихся функцией нелинейно-переменных динамических эффектов тектонической природы, влияющих на направленность и стиль нефтегазообразования и нефтегазонакопления [9]. Успешные исследования в этом направлении наиболее последовательно ведутся в СО АН СССР (А.А. Трофимук, Н.В. Черский и др.), во ВНИИЯГГе (О.Л. Кузнецов, В.П. Царев и др.) и ИГиРГИ (Н.А. Еременко и др.).
Результаты проведенных исследований в области изучения тектонодинамических условий генерации, миграции и аккумуляции УВ в недрах кратко сводятся к следующим обобщенным и в различной степени обоснованным положениям и решениям:
1. энергия тектонических процессов является важным фактором эволюции нефтегазоносных систем осадочных бассейнов;
2. все процессы, ответственные за формирование месторождений нефти и газа, должны оцениваться в связи с тектонодинамическими процессами, определяющими вариации напряженного состояния горных пород;
3. разнообразные физико-химические явления, происходящие в земной коре при активизации тектонических движений, снижают энергию активации и (или) усиливают интенсивность многих частных процессов, составляющих онтогенез нефти и газа;
4. реконструкция процесса преобразования ОВ с выделением УВ требует обязательного учета явлений, сопровождающих химические превращения в условиях давление - сдвиг, а также других физико-механических воздействий;
5. описание условий массопереноса необходимо ставить в зависимость от короткопериодных флуктуаций структуры и объема пустотного пространства пород и параметров флюидов при складко- и разрывообразовании, вариациях напряженного состояния горных пород, сейсмической вибрации и т. д.
Дальнейшее развитие рассматриваемого направления исследований, на наш взгляд, таит неисчерпаемые возможности для анализа природных механизмов, ответственных за сложнейшие процессы, составляющие онтогенез нефти и газа. Настоящим сообщением авторы хотели показать, что признание тектонодинамики как одного из ведущих природных механизмов формирования и эволюции НГБ открывает новые пути исследования, на которых могут быть ликвидированы многие проблемы в теории органического происхождения нефти и газа и формирования их залежей.
При дальнейших исследованиях преимущественного внимания заслуживает разработка следующих вопросов: количественная оценка доли энергии тектонических процессов в суммарном энергетическом балансе процессов, составляющих онтогенез нефти и газа; исследование тектонодинамических критериев первичной и собирательной миграции УВ; изучение влияния тектонодинамических факторов на продолжительность сопряженных процессов нефтегазообразования и нефтегазонакопления; тектонодинамический анализ условий сохранности и продолжительности существования нефтяных и особенно газовых месторождений.
С момента зарождения учения о геологии нефти и газа считалось, что энергия, обеспечивающая процессы, составляющие онтогенез углеводородсодержащих систем, определяется гравитационным и тепловым полями Земли. Такой подход в течение многих десятилетий давал возможность развития представлений о формировании НГБ и составляющих их частных элементов. Вместе с тем все чаще обнаруживалось, что только эти источники энергии не в состоянии обеспечить реализацию, например, таких процессов, как первичная и собирательная миграция УВ [5, 10].
Нафтидная фаза природной системы, включающей ОВ, УВ и вмещающие их водонасыщенные горные породы, до достижения метанграфитового состояния, отличающегося наиболее низким уровнем свободной энергии, всегда характеризуется как неравновесная (П.Ф. Андреев, 1967 г.). Однако скорости самопроизвольного развития как системы в целом, так и составляющих ее фаз настолько низки, что без подвода энергии извне из-за превалирующей роли диссипативных процессов оно не может сопровождаться формированием промышленных скоплений УВ. В самом общем виде формирование разномасштабных нефтегазовых систем (от единичных скоплений до протяженных нефтегазоносных поясов) можно представить как результат борьбы двух конкурирующих процессов (или групп процессов): глобальной диссипации УВ и их концентрирования в «тупиковых» зонах - ловушках нефти и газа.
При формировании НГБ в природе неизбежно периодически начинают работать дополнительные механизмы принудительного перевода рассеянных ОВ и (или) УВ в более упорядоченное состояние в виде залежей нефти и газа. Среди многочисленных процессов, сопровождающихся выделением энергии, й рассматриваемом аспекте наибольшего внимания заслуживают тектонические. Во-первых, работа, совершаемая тектоническими силами, обеспечивает выделение в земной коре весьма разнообразных видов энергии (тепловой, механической, электромагнитной, сейсмической и др.). Во-вторых, основным источником этих производных видов энергии являются деформирующиеся горные породы. В-третьих, не только выделение, но и поглощение большей части вторичной энергии тектонических процессов происходит непосредственно в земной коре, в том числе и в системе осадочные горные породы - ОВ - флюиды, составляющей основу НГБ. Одним из главных, пока еще не учитываемых экспериментаторами показателей являются геодинамическое поле напряжений и производимая им работа над системой порода - флюид. Из-за этого собственно горным породам отводится роль пассивного каркаса, независимо от изменения состояния которого эволюционирует нафтидная фаза. Однако именно принудительному энерго- и массообмену в системе водо-насыщенная горная порода - ОВ - УВ, происходящему при ее тектонодинамическом возбуждении, принадлежит главенствующая роль во всех процессах и явлениях, завершающихся формированием месторождений нефти и газа. Уже сейчас очевидно, что довольно большому кругу используемых в промышленном производстве процессов может быть найдено соответствие в тектонодинамических явлениях, происходящих в земной коре, и в частности в объеме НГБ. Например, богатый материал обнаруживают эксперименты по возбуждению нефтеносных пород взрывом, многочисленные опытно-промышленные данные по инициированию химических превращений физическими и механическими методами, результаты осуществления методов вторичного воздействия на пласт (вибрация, магнитная обработка, механическая активация и др.) и т. д. Не менее интересный материал можно позаимствовать из области сейсмологии в части изучения предвестников землетрясений на геодинамических полигонах, наблюдений за строительством и эксплуатацией водохранилищ и др.
Работа, совершаемая тектоническими силами, в зависимости от интенсивности тектогенеза по величине колеблется в широких пределах. Достаточно сказать, что в экстремальных условиях выделяющаяся при этом энергия обеспечивает формирование протяженных динамометаморфических поясов. Широко известны случаи «локального» метаморфизма пород на бортах крупных разломов земной коры. Наоборот, в тектонически более спокойных зонах Земли мощность выделения тектонической энергии снижается до некоторого минимального уровня. Но даже на древнейших щитах, которые скорее по традиции, нежели в согласии с современными фактами до сих пор нередко считаются примерами тектонической пассивности, этот уровень далек от нуля. Даже здесь местами горизонтальная составляющая поля напряжений намного превышает вертикальную (N. Hast, 1974 г.), что свидетельствует о его геодинамической природе. Ярким примером современной активизации внутриплитного тектогенеза служит Туранская плита, характеризующаяся, как и многие другие (например, Западно-Сибирская), чрезвычайно интенсивной раздробленностью фундамента и базальных горизонтов осадочного чехла. Здесь почему-то неожиданно для большинства сейсмологов в 1976 и 1984 гг. разразились «сейсмические бури», хотя из исторических хроник были известны свидетельства о сильных землетрясениях в низовьях Амударьи, Хорезме (1208 г.), Самарканде (1490 г.), Бухаре (1821 г.) и др. Ощутимые колебания почвы от Газлийского землетрясения (19 марта 1984 г.) охватили площадь не менее 800 тыс. км2. Эти явления (а их причиной служат мощные напряжения, возникающие во всей толще коры), подтвержденные хотя и отрывочными, но выразительными сведениями, подчеркивают высокую внутриплитную тектоническую активность земной коры на протяжении новейшего (а может быть, и всего альпийского) этапа [4].
Среди тектонодинамических производных наибольшее значение в онтогенезе нефти и газа могут иметь такие явления и процессы, как деформация сдвига, сейсмическая вибрация, ударная волна, дилатансия, вариации электромагнитных полей. Они обеспечивают активное изменение параметров и состояния системы горные породы - ОВ - флюиды и составляющих ее фаз за счет импульсных вариаций пластового и (или) порового давлений, снижения энергии активации химических превращений (повышения химической активности вещества), магнитного усилия химических реакций, увеличения активности природных катализаторов, разупрочения горных пород, флуктуаций объема их пустотного пространства и проницаемости, изменений вязкости флюидов, фазовых переходов, коалесценции, возможно, кавитации и др.
Может показаться, что суммарная мощность тектонодинамических процессов в сравнении с мощностью теплового и гравитационного полей ничтожно мала. Но, во-первых, кратковременная (С каждым годом появляется все больше данных, свидетельствующих о скоротечности процессов, составляющих онтогенез нефти и газа.) мощность (например, за 1000 лет) тектогенеза может быть не только соизмеримой, но и превышающей мощность теплового потока (М.В. Гзовский, 1975 г.). Во-вторых, не следует думать, что абсолютная величина того или иного вида энергии всегда является определяющей в реализации какого-либо процесса. Наоборот, часто с большей вероятностью и более высокой эффективностью реализуются процессы, инициируемые менее мощными, но более добротными источниками энергии. В-третьих, тектонические процессы в наибольшей мере бывают ответственны за высокую степень пространственной и временной анизотропии энергетического состояния горных пород и содержащих их флюидов. Поэтому относительный энергетический вклад периодически возбуждаемых электромагнитных полей, сейсмической вибрации, криповых явлений, как и в целом вариаций динамики напряженного состояния земной коры, в активизацию массопереноса и массообмена в подземной гидросфере может оказаться более существенным, чем гравитационного и теплового полей Земли, а в реализации процессов первичной миграции и собирательной аккумуляции - определяющим.
На наш взгляд, красноречивым свидетельством тому служат результаты изучения многочисленных гидродинамических и гидрогеохимических аномалий - предвестников землетрясений, распространяющихся на сотни и даже тысячи километров от их очагов (И.Г. Киссин, 1981 г., Д.Г. Осика, 1981 г.). Причем быстрая релаксация возникающих аномалий такого типа в подземной гидросфере свидетельствует о том, что во многих случаях их источники не имеют глубоких корней, а располагаются вблизи мест их проявления и (или) фиксации. В частности, это находит подтверждение в результатах изучения особенностей дегазации осадочных пород на геодинамических полигонах (И.М. Толстихин и др., 1984 г.; Д.И. Фридман и др., 1984 г.; В.Г. Кислицын и др. 1985 г.), тем более что экспериментально установлено влияние ударного воздействия, стресса, пластического течения пород и минералов на изменение изотопного состава содержащихся в них газов (З.К. Мильникова и др., 1984 г.; X.И. Амирханов и др., 1985 г.).
Характерной и весьма показательной особенностью проявления ряда гидродинамических и гидрогеохимических предвестников землетрясений является пространственно-временная сопряженность положительных и отрицательных аномалий. При этом смена знака аномалий не обнаруживает зависимости от расстояния (удаления) до эпи(гипо)-центра землетрясения. Эти наблюдения подчеркивают обусловленность формирования многих предвестников землетрясений флуктуациями напряженного состояния горных пород в обширных областях подготовки землетрясений. Последующая стадия разрядки напряжений отнюдь не всегда реализуется в форме землетрясения. Нередко она бывает выражена более медленными криповыми явлениями или растянутой во времени микросейсмичностью. Тем не менее, и в таких случаях разнообразные предвестники землетрясений продолжают работать, но уже как ложные. Отсюда становится очевидным, что подавляющее большинство физико-химических и физико-механических эффектов в земной коре, рассматриваемых в качестве предвестников землетрясений, фактически характеризует более общий процесс тектонической активизации литосферы, который не во всех случаях завершается сейсмическими толчками. А это означает, что сейсмичность является не единственным (хотя внешне и наиболее ярким) и далеко не главенствующим фактором тектонодинамической активизации процессов, составляющих онтогенез нефти и газа в земной коре, тем более, что доля сейсмической энергии составляет не более 1-3 % от тектонической.
Периодическая упругопластическая и хрупкая деформация горных пород (включая ОВ) сопровождается реализацией разнообразных механохимических реакций с выделением УВ, поскольку в таких условиях химическая активность твердой и жидкой фаз системы порода - ОВ - флюиды в значительной мере определяется ее напряженным состоянием. В твердых телах под воздействием давления и деформации сдвига обнаружена сверхвысокая подвижность атомов и молекул, возрастающая на 10-15 порядков по сравнению с «нормальными» условиями. Показательно, что в таких условиях смешение твердых низкомолекулярных ОВ при комнатной температуре происходило за десятки секунд, тогда как при температуре около 250 °С, но без механического возбуждения этот процесс требовал нескольких дней (Н.С. Ениколопян, 1985 г.). Вместе с тем при деформациях сдвига происходит генерация свободных органических и неорганических радикалов, условия рекомбинации которых могут контролироваться наложением тектономагнитных полей. Характерно, что радикальный механизм механохимической деструкции угля в условиях неравностороннего сжатия под влиянием касательных напряжений был подтвержден на образцах каменных углей шахты «Петровская» в Донбассе (А.А. Галкин и др., 1983 г.).
Наиболее полно условия возможной природной реализации механохимических процессов при преобразовании ОВ теоретически и экспериментально изучены [3, 7, 11]. Некоторые вопросы оценки условий тектонодинамического инициирования генерации УВ в нефтегазо- и угленосных бассейнах рассматривались в работе [2]. Главнейшим следствием периодического тектонодинамического усиления процессов преобразования ОВ является создание таких промежуточных состояний, при которых в пластовых системах НГБ возникает относительный избыток УВ, что достигается резким увеличением темпов их генерации. Тем не менее необходимо подчеркнуть, что прямого моделирования механо- и физико-химических процессов, происходящих в биомассе осадочных пород, не проводилось. Вместе с тем заслуживает внимания опыт изучения летучих продуктов в сейсмовибрационном поле подпочвенного слоя, осуществленного А.В. Николаевым и др. (1984 г.).
Геологические причины и условия перемещения подземных флюидов многообразны и весьма различны по форме проявления, механизму, месту и времени (продолжительности) действия.
Эту проблему стали разрабатывать еще в начале текущего столетия, однако до сих пор многие ее аспекты до конца не поняты. Одно из наиболее поздних и полных обобщений в этом направлении принадлежит Л.Н. Капченко (1983 г.). Здесь же мы остановимся только на одной группе причин, связанных с активизацией тектонических движений (тектонодинамическим возбуждением системы горные породы - флюиды). Обычно далеко не частые попытки такого подхода сводятся к учету фактора сейсмичности, что необходимо, но не является определяющим и достаточным условием.
Физическая теория фильтраций жидкости в пористой (трещиновато-пористой) среде описывает ее течение действием трех основных видов энергии (энергетических факторов): гравитационной, обусловливающей градиент напора жидкости; межмолекулярного взаимодействия в жидкости, определяющего ее вязкость; межфазового взаимодействия на контакте жидкости и твердого тела, снижающего эффективное сечение каналов. Собственно движение жидкости в недеформирующейся и не испытывающей воздействий иных силовых полей среде инициируется только перепадом напора. Остальные физические взаимодействия затрудняют ее фильтрацию (Н.Ф. Бондаренко, 1973 г., А.Г. Арье, 1984 г.).
В нефтегазовой геологии при обсуждении вопросов миграции пластовых флюидов (воды, нефти, газа) как фактор, оказывающий влияние на механический массоперенос, рассматривается только одна из производных тектогенеза - гравитационное уплотнение пород, приводящее к изменению во времени объема и формы каналов фильтрующей фазы (Вариации структуры порового пространства при растворении и переотложении минеральной фазы в обсуждаемом вопросе не имеют значения) (А.Е. Гуревич и др., 1972 г.). Другие виды работы, совершаемой тектоническими силами над системой горная порода - жидкость, обычно не учитываются. Однако именно они оказывают активное влияние на динамику и особенности течения жидкости (особенно многофазной) в пористых средах. Повышение эффективности многих промышленно освоенных процессов нередко становится энергетически более выгодным не за счет усиления конструктивных явлений, а путем снижения негативного действия факторов, тормозящих их развитие. Поэтому особый интерес приобретает изучение влияния энергетических полей, возбуждаемых тектогенезом, на силы, затрудняющие фильтрацию жидкости.
Обсуждению проблемы тектонодинамического или сейсмотектонического инициирования массопереноса в подземной гидросфере в последние годы был посвящен ряд работ (Г.И. Амурский, Н.Н. Соловьев, 1983 г., Г.С. Вартанян, Г.В. Куликов, 1982г., Э.М. Галимов, 1973 г., Н.А. Еременко, 1978 г., 1983 г., О.Л. Кузнецов, 1981 г., Ю.А. Пецюха, 1967 г., Н.Н. Соловьев, Г.И. Амурский, 1982, 1985 г., Н.В. Черский и др., 1979 г., В.П. Царев, 1979 г. и др.). В обобщенном виде суть предлагавшихся теоретических, аналитических и экспериментальных решений и обоснований сводится к тому, что под влиянием тектонических процессов в системе горные породы - жидкости периодически подавляется активность действия многочисленных по форме проявления контрсил (поверхностного натяжения, адсорбции, адгезии, вязкости, гидравлических сопротивлений и т. д.).
Поскольку в основе большинства сил, препятствующих фильтрации жидкости через пористые среды, лежат электромагнитные взаимодействия, их направленность и активность неизбежно должны регулироваться внешними электромагнитными полями. На этом основаны многие способы магнитной (электромагнитной) обработки жидкостей для изменения их физико-химических свойств. Кроме того, под влиянием тектономагнитных (тектоноэлектрических) явлений могут видоизменяться и усиливаться электрокинетические формы массопереноса, что имеет особенно существенное значение при реализации собирательной аккумуляции УВ.
При оценке условий миграции УВ особого внимания заслуживает тщательное моделирование (с учетом результатов сейсмогеологических исследований) реакции петрофизически различных флюидонасыщенных горных пород на наложение нелинейно-переменных полей напряжений. Предполагается, а частью уже экспериментально подтверждено, что в таких условиях в жидкой фазе (например, нефти) могут происходить парообразование (при дилатансии или деформационном разуплотнении пород), коалесценция, а возможно, и кавитация (при сейсмической вибрации), а также десорбция УВ с поверхности пород и ОВ, снижение вязкости флюидов и ряд других преобразований системы порода-пластовая (поровая) вода-УВ (при сейсмических, тектономагнитных и других физико-механических воздействиях). Каждый из названных эффектов усиливает процессы массопереноса и массообмена в подземной гидросфере и в том числе миграции УВ на всех ее уровнях [10]. В связи с этим обращают на себя внимание результаты изучения особенностей затухания сейсмических волн в горных породах (J.E. Wite, 1975 г.), показавшие, что поглощение колебаний в трехфазной (порода - вода - растворенный газ) среде является большим по сравнению с двухфазной (порода-вода или порода-газ). В первом случае часть энергии, по-видимому, затрачивается на расслоение (или дегазацию) жидкости и газа.
Очевидно, что тектонодинамический анализ условий формирования месторождений УВ наиболее подходит для НГБ подвижных поясов [1, 8, 12]. Но это не означает, что такие крупнейшие НГБ современных пассивных окраин или их аналогов, как Северное море, Мексиканский залив, Западно-Сибирский и Прикаспийский, не испытывали тектонодинамического возбуждения. Во-первых, потому, что многие развивающиеся рифтовые зоны характеризуются, например, не меньшей, чем зоны коллизии, сейсмичностью. Во-вторых, активное формирование молодых структур не ограничивается зонами контакта литосферных плит. Проведенные исследования, например (В.Г. Трифонов, 1980 г.), обнаружили значимое проявление субсовременных деформаций в сотнях километров от внешних границ плит. С одной стороны, это может быть связано с вариациями напряженного состояния внутриплитных массивов и блоков, а с другой - с резонансными откликами на процессы, происходящие в зонах коллизии плит. Наконец, в-третьих, ареалы, например, дилатансионных изменений, характеризующих области подготовки землетрясений, могут охватывать территории протяженностью в тысячи километров (Н.Г. Гамбурцева и др., 1982 г.).
Может быть, некоторые или даже многие уже решаемые или предполагаемые аспекты тектонодинамической эволюции нефтегазоносных территорий окажутся не в полной мере свойственны действительным процессам, реализующимся в НГБ. Возможно, некоторые из них потребуют иной постановки. «Но если мы,- как говорил Р. Тагор,- закроем дверь перед заблуждением, то как же туда войдет истина?» Поэтому мы не сомневаемся в том, что дальнейшее развитие этого нового направления исследований в области геологии нефти и газа позволит раскрыть многие тайны эволюции НГБ, а следовательно, послужит ускорению научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амурский Г.И., Соловьев Н.Н. Особенности нефтегазонакопления в зонах коллизии плит.- В кн.: Условия образования и закономерности размещения залежей нефти и газа. Киев, 1983, с. 114-121.
2. Амурский Г.И., Бочкарев А.В., Соловьев Н.Н. Тектонодинамическая модель нефтегазообразования.- Сов. геология, 1985, № 7,с. 3-13.
3. Галимов Э.М. Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. М., Недра, 1973.
4. Горшков Г.П. По поводу землетрясений в Газли.- Вест. МГУ, сер. 4, геол., 1985, № 1, с. 3-10.
5. Еременко Н.А. Развитие принципов теории формирования залежей углеводородов.- Геология нефти и газа, 1984, № 12, С. 18-24.
6. Кузнецов О.Л., Муравьев В.В., Чахмахчев В. Г. О геодинамической природе поясов нефтегазоносности.- Докл. АН СССР, 1981, т. 260, № 2, с. 422-425.
7. 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.
8. Соловьев Н.П., Амурский Г.И. Особенности газонакопления в тектонодинамически активных поясах.- В кн.: Обоснование направлений поисково-разведочных работ на газ и методы разведки газовых месторождений. М., 1982, с 20-29.
9. Соловьев Н.Н., Амурский Г.И. Тектонодинамика и нефтегазоносность.- Геотектоника, 1984, № 1, с 34-45.
10. Соловьев Н.П., Амурский Г.И. Тектонодинамический контроль процессов миграции газов.- В кн.: Дегазация Земли и геотектоника. М., 1985, с. 135-137.
11. Черский Н.В., Царев В.П. Влияние слабых акустических полей на преобразование ископаемого органического вещества.- Геология и геофизика, 1977, № 12, с 88-98.
12. Черский Н.В., Царев В.П. Причины приуроченности крупнейших зон нефтегазонакопления к краевым участкам литосферных плит.- Докл. АН СССР, 1978, т. 242, № 3, с. 683-686.