К оглавлению	УДК 553.98.061.4
	© А.В. Постников, 1996

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ФУНДАМЕНТЕ ДРЕВНИХ ПЛАТФОРМ

А.В. Постников (ГАНГ им. И.М. Губкина)

Породы раннедокембрийского кристаллического фундамента, подстилающего осадочный чехол в пределах платформенных нефтегазоносных провинций, традиционно не рассматриваются в качестве перспективного объекта на поиски нефти и газа. Это обосновано тем, что данные образования не обладают пустотным пространством, вмещающим флюиды. Вместе с тем к настоящему времени накоплен большой материал, свидетельствующий о возможности существования в фундаменте зон развития коллекторов различного типа, для которых доказана возможность извлечения флюидов, включая УВ нефтяного ряда. Главным образом это относится к самым верхним частям разреза фундамента, в большей или меньшей степени затронутым процессами гипергенного преобразования и нередко вскрывающимся при разбуривании нижних горизонтов осадочного чехла. Промышленная нефтегазоносность кор выветривания фундамента установлена в пределах Северо-Американской, Африканской, Восточно-Европейской древних платформ, Западно-Сибирской провинции, на шельфе Вьетнама и др. [1]. Более проблематична возможность вскрытия коллекторов и обнаружения залежей УВ в теле фундамента на значительной глубине. В последние годы по мере проведения глубокого опорно-параметрического бурения в Швеции, Канаде, России, на Украине получен значительный объем данных по разрезам фундамента. Особенно важное значение имеет программа глубокого бурения, осуществляющаяся в пределах Волго-Уральской нефтегазоносной провинции в Татарстане. Здесь к настоящему времени пробурено более 20 скважин, вскрывших кристаллический фундамент на глубину от 500 до 3500 м (Лапинская Т.А. и др., 1990). В большинстве этих разрезов были выявлены зоны коллекторов различной мощности, а проведенные испытания позволили получить в ряде случаев притоки высокоминерализованных вод [2].

Раннедокембрийские образования древних платформ представлены магматическими и метаморфическими породами, сформировавшимися в термобарических условиях не менее чем зеленосланцевой фации регионального метаморфизма, т.е., как правило, при температуре более 300 °С и давлении более 200 МПа. В этих условиях даже в первично-осадочных породах не сохраняется открытой пористости, поскольку процессы метаморфогенного минералообразования приводят к полному ее заполнению, а в условиях эпидот-амфиболитовой фации теряются практически все дометаморфические структурные особенности пород. В первично-магматических разностях пористость в обычном понимании отсутствует. Иными словами, в практическом отношении метаморфические и магматические породы представляют собой флюидоупоры. Вместе с тем в геологическом масштабе времени это положение не выдерживается, особенно для высокотемпературных и надкритических флюидов. Наблюдения над характером проявления метаморфических процессов показывают, что границы между зернами являются основными каналами миграции и преимущественно именно в них происходят кристаллизация новых минералов, формирование каемок обрастания и зональности кристаллов.

Несколько иначе протекают гидротермальные процессы, при которых первичные минералы могут замещаться практически полностью. Это может объясняться возможностью проникновения флюидов не только по межзерновым каналам, но и по трещинам излома и спайности. Их раскрытие, по-видимому, связано с разгрузкой напряжений, происходящей при выведении метаморфических комплексов в более высокие уровни глубинности, где они попадают в зону гидротермального минералообразования, или с общим снижением интенсивности термического потока и снятием стрессовых напряжений. Это справедливо и для гипергенных процессов, при которых сеть микротрещин усложняется при физическом выветривании и создает еще более благоприятные условия для химических преобразований.

Таким образом, представляющее практический интерес пустотное пространство магматических и метаморфических пород может быть создано только в результате наложенных преобразований. Можно выделить два типа пустот - трещины и поры, формирование которых контролируется различными процессами.

Трещиноватость пород развивается вследствие не только динамических воздействий на породу, но и разгрузки давлений. По-видимому, в первом случае могут формироваться разрывы сплошности пород сколь угодно крупного, вплоть до планетарного, масштаба, а во втором - только микротрещиноватость.

Формирование тектонической трещиноватости тесно связано с особенностями разломной тектоники на различных этапах эволюции платформы. Ее первые проявления относятся к концу архея и выражены в развитии локальных метасоматических и динамометаморфических преобразований. Очевидно, приразломные зоны повышенной проницаемости служили путями внедрения магм различного состава. Однако в настоящее время открытые каналы этого возраста в докембрийских комплексах не сохранились в связи с их полной залеченностью минеральными парагенезисами, равновесными с вмещающими породами. В полной мере это относится и к более поздним этапам раннедокембрийской эволюции фундамента. И хотя по мере усложнения структуры, наращивания мощности и жесткости континентальной коры роль разломной тектоники постоянно возрастает в каждом тектономагматическом цикле, в современной структуре фундамента зоны разломов этого возраста фиксируются не по их трещиноватости, а лишь по специфике состава пород. В этом отношении показательны древнейшие системы трещин в массивах архейских гранитоидов в ряде районов Волго-Уральской провинции. Эти трещины представляют собой тонкие прямолинейные зоны выполнения биотитом и амфиболом, лишь несколько отличающимися по химизму от развитых во вмещающих породах. Вместе с тем многочисленные данные, полученные при изучении фундамента и осадочного чехла как единой системы, показывают высокую степень унаследованности разрывных нарушений, заложившихся на ранних этапах формирования платформы, тем более высокую, чем выше ранг соответствующего разлома (Лапинская Т.А. и др., 1993).

Современные системы разломов и тектонической трещиноватости заложились на различных этапах рифей-фанерозойской эволюции фундамента. Эти нарушения сплошности пород уже не сопровождались развитием минеральных масс, парагенетичных матрице пород, что создавало предпосылки значительно более высокой степени их проницаемости и емкости. Основные черты разломной тектоники определялись раннедокембрийской структурной неоднородностью субстрата, тангенциальным и вертикальным геодинамическим воздействием на жесткий каркас древней платформы. По-видимому, некоторую роль играли и факторы внеземного происхождения - формирование астроблем в местах падения крупных метеоритов.

Главный фактор тангенциального воздействия - поле напряжений, возникающее при вращении Земли. Ротационные напряжения постоянно воздействовали на земную кору на протяжении всей геологической истории и, вероятно, контролировали закономерности заложения и эволюции взаимно ортогональных регматических систем. Динамические напряжения, возникающие при коллизионных процессах в окружающих платформу складчатых сооружениях, могли подчеркивать и усиливать ротационные дислокации.

Ведущим фактором в формировании концентрических и сопряженных с ними радиальных нарушений послужили локальные эндогенные процессы в мантии, особенно в эпохи тектонической активизации.

Трещиноватость, возникающая в результате локального проявления столь различных процессов, часто приобретает почти хаотический характер. Ни одна из разностей пород не может рассматриваться как достаточно прочная или пластичная при подобных тектонических напряжениях. Это подтверждается крайней редкостью обнаружения монолитных блоков пород как на поверхности, так и в толще фундамента, размеры которых превышали бы несколько метров. Чаще всего породы разбиты макротрещинами на фрагменты размером в несколько десятков сантиметров. В зонах же повышенной трещиноватости их размеры не превышают нескольких сантиметров, и наконец, в исключительных случаях они переходят в кластические массы различной зернистости вплоть до глин.

Большая часть трещин не сопровождается относительным смещением микроблоков, хотя нередки и наблюдения сдвигов полосчатости и гнейсовидности пород, "зеркал скольжения" в хлоритовых массах, выполняющих трещины.

Преобладание трещин без сдвиговых дислокаций объясняется их возникновением в результате чередования режимов общей напряженности разгрузки крупных масс горных пород, а не относительных перемещений отдельных блоков фундамента.

Однако при общем хаотическом характере трещиноватости прослеживаются определенные закономерности. Первая из них связана с первичной текстурной неоднородностью пород. Почти всегда наблюдаются системы трещин, параллельные сланцеватости, гнейсовидности или полосчатости, часто сопровождающиеся перпендикулярными им нарушениями, ориентированными либо по падению, либо по простиранию пород. Взаимно перпендикулярное или близкое расположение трещин вообще наиболее частый вариант их закономерного сочетания, что соответствует теоретическим представлениям и результатам моделирования хрупких деформаций твердых тел.

Соотношения трещиноватости и разломов неоднозначны. Наряду с совпадением их простираний отмечаются и резкие несоответствия. В последнем случае зона разлома представляет собой лишь участок повышенной концентрации трещин иной пространственной ориентировки. Такие соотношения отмечались именно в случаях ремобилизации разломов древнего заложения в системе более молодых дислокаций. Закономерности пространственного распространения зон интенсивной трещиноватости определяются разломами. В соответствии с положением разломов зоны трещиноватости чередуются с относительно массивными блоками, тяготея к границам крупных комплексов пород. Они пересекаются в различных направлениях, причем в узловых участках степень нарушенности резко возрастает. Показательно, что зоны наибольшей проницаемости, послужившие путями внедрения магм, сопровождаются интенсивной наложенной трещиноватостью, что можно рассматривать в качестве поискового признака [4, 5].

Бурение глубоких и сверхглубоких скважин на древних платформах дает весьма ценный материал для выявления особенностей распределения трещиноватости. В настоящее время установлено, что ее характер не меняется на любых технически доступных глубинах. По-видимому, такой тип строения будет прослеживаться до глубины, на которой термобарический режим соответствует условиям регионального метаморфизма. Однако по некоторым оценкам температура более 300 °С существует в пределах древних платформ только в нижних частях коры и в верхней мантии, достижение которых бурением в обозримом будущем маловероятно. Вместе с тем при переходе от больших глубин к приповерхностным зонам должна усиливаться роль микротрещиноватости пород, связанной с общей разгрузкой литостатического давления. Этот процесс изучен недостаточно, но именно он, вероятно, определяет возникновение горизонтальных зон разуплотнения, фиксирующихся геофизическими методами и наблюдающихся при бурении сверхглубоких скважин. Наличием таких зон могут объясняться участки сильной трещиноватости, отмечавшиеся в нижних частях разреза скв. СГ-3 Кольская, 20000 Миннибаевская и 20009 Ново-Елховская. В последних случаях на глубине около 5,5 км скважины входили в столь интенсивно нарушенную зону, что их дальнейшее бурение вызывало технически непреодолимые трудности.

В настоящее время проблематично установление пространственного положения зон трещиноватости, поскольку отбор ориентированного керна технически затруднен, а геофизические методы пока недостаточно разработаны. Практически не вызывает проблем выявление субвертикальных разломов, фиксирующихся как зоны потери отражений по данным MOB и ОГТ. Этими же методами устанавливаются субгоризонтальные границы в теле фундамента, которые, по-видимому, не связаны с послойным чередованием пород различного состава, а отвечают наложенным зонам трещиноватости. Выявление трещиноватости в околоскважинном пространстве успешно проводится методом ВСП, а их ориентировка - сейсмолокацией бокового обзора [3 ].

Емкостные свойства и проницаемость пород, обусловленные системой трещин, зависят от степени их раскрытости, связности, конфигурации и характера минерального выполнения. Степень раскрытости трещин во многом определяется их рангом. Микротрещины спайности, излома зерен и межзерновые границы представлены тончайшими, обычно менее 0,001 мм, элементами, образующими прихотливый рисунок, подчиненный структурно-текстурным особенностям пород и кристаллографическим параметрам минералов. В массивных разностях он практически хаотичен и однороден, а в гнейсовидных, сланцеватых и полосчатых имеет определенную ориентировку и анизотропен. Последнее определяет и различия проницаемости по разным направлениям.

Трещины более высокого ранга, рассекающие довольно крупные фрагменты пород, имеют, как правило, относительно ровную, плоскую поверхность и сообщаются между собой, не образуя тупиковых зон, которые могут создаваться только за счет различной степени раскрытости, что определяется характером древних или современных полей напряжений. В зонах унаследованных разломов в породах часто устанавливаются системы нарушений различного возраста. Раскрытость древних трещин отчетливо фиксируется по мощности минерального выполнения, которая может достигать нескольких сантиметров. Поскольку раскрытие трещин в древние эпохи практически всегда полностью компенсировалось минералообразованием, крупные открытые каверны наблюдаются крайне редко и проницаемость таких зон определяется их унаследованной активизацией на современном этапе. "Чистые" трещины встречаются несколько реже, чем минерализованные, и условно рассматриваются как наиболее поздние, связанные с современными дислокациями.

Степень современной раскрытости трещин в теле фундамента иногда фиксируется при фотографировании стенок скважин и реже методами кавернометрии. Для установлении пространственных закономерностей необходимо целенаправленное проведение исследований по изучению современных полей напряжений. Работы в этом направлении получили широкое развитие за рубежом и весьма ограниченно проводятся в пределах СНГ.

Формирование поровых коллекторов в метаморфических и магматических породах фундамента связано с развитием процессов их гидротермальной и гипергенной переработки. Гидротермальные процессы проявляются с различной интенсивностью на всех этапах рифей-фанерозойской эволюции фундамента, резко усиливаясь в эпохи тектонических активизаций. Фиксируются процессы различных глубинности, температурного режима и химизма, неоднозначно повлиявшие на первичный состав и структуру пород фундамента. Наиболее высокотемпературные гидротермальные ассоциации представлены альбитом, эпидотом, пренитом, кварцем, кристаллизация которых часто приводит к их тесному срастанию с первичными породообразующими минералами и не формирует пустотное пространство. Более эффективны в этом отношении низкотемпературные процессы. Их результатом является образование прожилков, сложенных карбонатами, серпентином, хлоритом, гидрослюдами, гидроксидами железа, сульфидами. Образующийся минеральный парагенезис частично определяется химизмом вмещающих пород. Так, в базитах и ультрабазитах преобладают серпентиновые и хлоритовые массы с карбонатами, в гранитоидах - гидрослюдистые, в глиноземистых гнейсах, обладающих восстановительным потенциалом, формируются сульфиды, в иных породах - гидроксиды железа.

Значительно более консервативно меняется состав минералов вмещающих пород. Основные плагиоклазы соссюритизируются, кислые - серицитизируются, биотит и амфиболы хлоритизируются и т.д., однако существуют многочисленные вариации этих процессов.

Масштабы преобразований определяются интенсивностью процесса, геохимическими различиями гидротермальных растворов и матрицы, проницаемостью пород. Последнее, как отмечалось, связано главным образом со степенью раскрытости систем трещин. Мощность зон гидротермальной переработки может достигать десятков и даже сотен метров. Процессы минералообразования, сопровождающиеся выносом многих компонентов, приводят к разуплотнению пород и обеспечивают формирование пустотного пространства.

Коллекторские свойства измененных пород во многом обусловлены их первичным составом. Основные и тем более ультраосновные разности преобразуются преимущественно в хлорит-серпентин-карбонатные почти непроницаемые массы. Гранитоиды и гнейсы часто формируют относительно хорошие коллекторы, в которых химически более устойчивые кварц и микроклин образуют каркас, а гидрослюдистые массы выполняют роль цемента. Гидротермальные процессы, разуплотняя матрицу пород, обеспечивают возможность повторного раскрытия трещин на последующих этапах тектонических напряжений.

Так же как и тектоническая трещиноватость, гидротермальная переработка, очевидно, будет прослеживаться до глубины, отвечающей по термобарическим условиям зеленосланцевой фации регионального метаморфизма, хотя проведение четкой границы между этими зонами дискуссионно. Вместе с тем часто сложно разделить гидротермальную и гипергенную зоны, учитывая вероятность нисходящей миграции и нагрева метеорных вод.

Таким образом, в породах фундамента древних платформ могут формироваться либо трещинные, либо трещинно-поровые коллекторы. Последние являются результатом взаимодействия тектонической нарушенности и гидротермального минералообразования. Зоны развития подобных коллекторов различных мощности и простирания могут встречаться на любых технически доступных в настоящее время глубинах и содержать промышленные скопления минерализованных вод и УВ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доплатформенные комплексы нефтегазоносных территорий СССР / Под ред. В.С. Князева, Т.А. Лапинской и др. - М.: Недра, 1992.

2. Особенности высокоемких коллекторов в кристаллическом фундаменте Южно-Татарского свода / Н.А. Плотников, Г.И. Панарина, Е.А. Назипова и др. // Проблемы повышения эффективности геологоразведочных работ в Татарии. - Альметьевск, 1989. - С. 93-94.

3. Трофимов В.А. Сейсморазведка МОГТ при изучении строения докембрийского фундамента востока Русской плиты. - М.: Недра, 1994.

4. Тяпкин К.Ф., Кивелюк Т.Т. Изучение разломных структур геолого-геофизическими методами. - М.: Недра, 1982.

5. Шульц С.С. Планетарная трещиноватость // Планетарная трещиноватость. - Л., 1973. - С. 5-57.

Abstract

Reservoirs development zones of different type have been distinguished in magmatic and metamorphic rocks of ancient platforms basement. These are mainly confined to the uppermost parts of basement section affected by hypergene transformations. During deep drilling in Sweden, Canada, Russia and Ukraine, reservoir zones were also found at greater depths within the basement body.

Having practical interest, a fractured-pore void space of magmatic and metamorphic rocks could be developed only due to superposed transformations.

Fracturing is being developed under dynamic effects on the rock and due to lithostatic pressure relaxation. It is likely that rocks discontinuities of any large, up to planet extent, can be formed in the first case, while in the second - only microfracturing.

A major part of discontinuities is not accompanied by fragments displacement. In this case, fracturing is resulted from alternating general intensity and relaxation regimes. Less common encountered fault dislocations and gliding planes in chlorite-hydromicaceous masses that infill fractures are being formed under relative displacement of blocks. Porosities and permeabilities properties conditioned by a system of joints are governed by extent of their opening, coherence, configuration and mineral filling character.

Formation of pore reservoirs is related to hydrothermal and hypergene reworking of rocks. Their original composition is, in many respects, responsible for porosities and permeabilities properties. The differences in basic content are mainly transformed into chlorite-serpentine-carbonate, almost impermeable masses. Granitoids and gneisses are able to form fairly good reservoirs where more stable chemically quartz and microcline form a framework, while a hydromicaceous mass acts as a cement. Hydrothermal processes when disconsolidating rocks matrix provide a possibility of repeated opening of fractures during subsequent stages of tectonic stresses.

Fractured or porous-fractured reservoirs are expected to be formed in the basement rocks of ancient platforms. Their development zones of different thickness and spatial orientation may occur at any technically accessible present depths and contain commercial accumulations of mineralized water and hydrocarbons.