Седиментогенез и постседиментационные изменения палеозойских карбонатных отложений востока восточно-европейской платформы

Особенностью вторичных изменений пород является то, что они не являются изохимическими, как при фоновом литогенезе. При их реализации происходят весьма существенные изменения, как минерального состава, так и структурно-текстурных особенностей пород, обусловленные миграцией флюидов. К вторичным изменениям, изученным в работе, относятся: окремнение I и II типов, выщелачивание и связанная с ним перекристаллизация, доломитизация I и II типов, кальцитизация, сульфатизация. Пять первых из них, в соответствии с выявленными критериями, обусловлены элизионной стадией развития бассейнов породообразования, а сульфатизация - инфильтрационной. В основу отнесения тех или иных вторичных изменений к определенной геофлюидной стадии развития бассейнов породообразования положены морфология вторично измененных пород, пространственная литолого-стратиграфическая и тектоническая приуроченность, выдержанность в пространстве, источник привносимых веществ, вызывающих изменения.

Вторичные изменения, связанные с элизионной стадией. Реализуются в условиях динамотермальной активизации (Осадочные бассейны …, 2004). Основным фактором таких изменений считается температурный режим. Последний, определяемый астеносферной конвекцией, способствует разогреву осадочных толщ и дополнительному отжиму флюидов из них (Артюшков, 1993). По сравнению с отжимом флюидов при фоновом литогенезе, его интенсивность такова, что миграция флюидов осуществляется и вкрест простирания пород. «Окнами» такой разгрузки служат антиклинальные поднятия (Файф, Прайс и др., 1981).

Окремнение в изученных объектах развито слабо, проявляется как метасоматическое замещение халцедоном исходных известняков. В отличие от окремнения, относимого к процессам фонового литогенеза, этот тип окремнения имеет иную пространственную приуроченность: локализуется в виде латерально протяженных зон, обнаруженных при смене одних структурно-генетических типов известняков другими (окремнение I типа) и в зонах ВНК (окремнение II типа).

Окремнение I типа изучено при анализе кернового материала на границе биокластово-фитогенных известняков и залегающих выше биокластово-зоогенных известняков I типа, охватывая лишь нижнюю часть мощного пласта последних. В случае обратной последовательности пород, также встречающейся в изученных отложениях, окремнение отсутствует. Природа осаждения кремнезема и при фоновом литогенезе, и в настоящем случае, видимо, одинакова. Осаждение кремнезема, вероятно, происходит на геохимических барьерах, которыми в разрезах служит смена по разрезу одних типов известняков другими. Время реализации этого типа окремнения - до нефтенакопления.

Рассматриваемый тип окремнения является практически важным. Окремнелые известняки разбиты довольно густой сеткой трещин, тогда как во вмещающих известняках трещиноватость не обнаружена и они обладают весьма слабыми коллекторскими свойствами, т.к. имеют лишь пятнистую слабую нефтенасыщенность. Добыча нефти происходит из интервалов, где встречены трещиноватые плотные кремни, образующие трещинный тип коллектора мощностью 0,5-1,0 м.

Появление трещиноватости лишь в зоне окремнелых известняков можно объяснить их большей хрупкостью по сравнению с вмещающими известняками. Подобный тип образования трещиноватости описывается при изучении керна других регионов (Кузнецов, Скобелева и др., 2006).

Окремнение II типа наблюдается в зонах ВНК. Этот тип окремнения развит не повсеместно. Здесь халцедон либо нацело замещает известняки, либо при неполном окремнении наблюдается избирательное замещение. В последнем случае среди реликтов незамещенного халцедоном известняка присутствуют лишь зоогенные органические остатки. Отсюда следует, что при частичном замещении известняков халцедоном наиболее устойчивыми компонентами являются органические остатки, при полной реализации процесса окремнения замещаются все компоненты известняка. Распространенность окремнения II типа следует связывать с геохимическим барьером кислого типа (Алексеенко, Алексеенко, 2003), т.к. в зонах ВНК происходит генерация углекислоты и органических кислот (Сахибгареев, 1989; Тараненко, Безбородов и др., 2000, 2001).

Исходя из сказанного, можно уверенно полагать, что окремнение II типа реализуется при формировании зон ВНК, что соответствует, согласно ряду работ (Карцев, Вагин и др., 1992), этапу разрушения нефтяных залежей поступающими водными флюидами или времени окончания нефтенакопления.

Выщелачивание проявляется формированием в известняках вторичной пустотности - кавернозности. В изученных объектах кавернозность прослежена в нефтенасыщенных участках разреза - в нефтяных залежах, а также в зонах ВНК. За их пределами выщелачивание не наблюдалось. Этот факт свидетельствует о существовании определенной пространственно-временной связи между процессами формирования нефтяных залежей и зон ВНК, с одной стороны, и выщелачивания, с другой.

Среди изученных структурно-генетических типов известняков выщелачивание наиболее интенсивно проявляется лишь в биокластово-зоогенных известняках I типа. Их выщелачивание селективно и обусловлено выносом части микрита, цементирующего органические остатки, и одновременно его перекристаллизацией с укрупнением зерен. В результате выщелачивания и перекристаллизации, цементирующий органические остатки агрегат кальцита по структуре отвечает спариту, который не полностью заполняет пространство между соприкасающимися органическими остатками.

Важно отметить, что рассмотренный процесс формирования кавернозности имеет следующие особенности: реализуется в биокластово-зоогенных известняках I типа, которые имеют поровый тип цементации органических остатков; выщелачиванию в них подвергается лишь микрит, цементирующий органические остатки. Аналогичные изменения наблюдаются и в менее распространенных в изученных разрезах оолитовых известняках I типа.

Доломитизация. По пространственному положению в разрезах этого вида вторичного преобразования известняков, а также по морфологическим признакам ее продукта доломитизацию можно разделить на два типа.

Доломитизация I типа. Доломит спорадически встречается в виде дисперсной примеси лишь в кавернозных нефтенасыщенных биокластово-зоогенных известняках I типа, тогда как в известняках, не подверженных процессу выщелачивания и относящихся к тому же типу, доломит не обнаруживается. По масштабам проявления этот тип доломитизации сопоставим с процессом выщелачивания. Доломит не диагностируется в шлифах, однако однозначно определяется рентгенографически. Следовательно, размер его зерен весьма мал и не превышает сотых долей миллиметра. Его содержание в кавернозных известняках, по данным рентгенографического анализа, не превышает 3-5%. Присутствие примеси доломита лишь в кавернозных нефтенасыщенных известняках свидетельствует о парагенетической связи доломитизации I типа с выщелачиванием и нефтенакоплением. В противном случае примесь доломита присутствовала бы в известняках как подверженных, так и не подверженных выщелачиванию.

Доломитизация II типа обнаруживается как при микроскопическом изучении шлифов, так и рентгенографически. Нередки случаи его обнаружения и макроскопически. Может образовывать мономинеральные вторичные породы. Участки разрезов, сложенные мономинеральными вторичными доломитами, встречаются не повсеместно. Они обнаружены и изучены в отложениях тульского горизонта визейского яруса и башкирского яруса в пределах Южно-Татарского свода. Аналогичные доломиты встречаются также в зонах древних ВНК, где они формируют вторичные пятнистые и линзовидные образования небольшой мощности с латеральной пространственной ориентировкой.

Общим для вторичных доломитов этого типа является наличие в их зернах включений углеводородов, формирование которых, как считается, возможно при росте минералов в водно-углеводородной среде (Балицкий, Балицкая и др., 2005), видимо, близкой по составу углеводородным флюидам (микронефти). Присутствие доломитов II типа в зонах ВНК указывает на время их образования, отвечающее окончанию нефтенакопления.

Кальцитизация известняков по природе и характеру взаимодействия растворов и пород отличается от той кальцитизации карбонатов, которая связана с фоновым литогенезом. Она не захватывает большие объемы пород, т.к. реализация процесса чаще наблюдается в зонах ВНК, сложенных биокластово-зоогенными известняками I типа, реже - в перекрывающих их плотных известняках и еще реже - в кавернозных известняках, слагающих нефтяные залежи. Кальцитизация приводит к формированию плотных выделений, обладающих конформной структурой. В биокластово-зоогенных известняках процесс начинается с перекристаллизации цементирующего биокласты кальцита, а в дальнейшем охватывает и последние.

Критериями отнесения рассмотренных процессов вторичного изменения известняков, связанных с элизионной стадией развития бассейнов породообразования в условиях динамотермальной активизации, являются: привнос веществ, вызывающих метасоматическое изменение пород; определенная пространственная локализация процессов, обусловленная литолого-стратиграфическим и тектоническим факторами; реализация процессов за исключением окремнения, доломитизации II типа и кальцитизации в условиях термодинамически закрытой или полузакрытой системы, что приводит к практически однородному преобразованию больших объемов пород, одинаковых по объему с нефтяными резервуарами.

Вторичные изменения, связанные с инфильтрационной стадией. К ним относится лишь сульфатизация. Проявляется в метасоматическом замещении карбонатов гипсом и ангидритом. В керновом материале наблюдается прожилково-вкрапленный характер выделений сульфатов, имеющих резкие границы с вмещающими породами. Распространенность сульфатов малая и весьма неравномерная. На 10 погонных метров керна может встречаться от 1 до 15-20 выделений.

Сульфаты встречаются среди известняков вне связи с их структурно-генетическими типами, вышерассмотренными вторичными изменениями, характером флюидонасыщенности и структурой пустотного пространства пород. Их выделения в изученных объектах можно встретить практически повсеместно. Отсутствует зависимость мест локализации сульфатизации от литолого-стратиграфического и тектонического факторов.

В изученных разрезах максимальное развитие сульфатизации наблюдается в породах среднего карбона, в породах нижнего карбона она проявлена значительно слабее. Во франском ярусе девона и ниже по разрезу сульфатизация не обнаруживается. Это указывает на пространственную направленность сульфатизации «сверху вниз». Следовательно, согласно приведенным фактам, можно утверждать, что процессы сульфатизации реализуются вследствие миграции сульфат-содержащих вод сверху вниз по зонам трещиноватости (трещины разгрузки по Чернышеву, 1983).

Критериями отнесения вторичных изменений к инфильтрационной стадии считаются: привнос вещества, вызывающего метасоматическое изменение пород; прожилково-гнездовидная форма выделений; отсутствие какой-либо парагенетической связи с типами известняков и их вторичными изменениями, связанными с элизионной стадией развития бассейнов породообразования; отсутствие парагенетической связи с нефтяными залежами и зонами ВНК; пространственная направленность процесса сверху вниз.

Общая характеристика постседиментационных изменений. Из изложенного следует, что известняки, сформировавшиеся при седиментогенезе как карбонатные осадки, испытали определенные постседиментационные изменения. К ним относятся процессы фонового литогенеза, которые также можно по аналогии с классификацией метаморфических процессов назвать процессами регионального литогенеза, и процессы локального литогенеза. Последние в работе названы, соблюдая существующие в литературе традиции, вторичными изменениями, имеющими наложенный характер. Их особенность заключается в миграции флюидов, вызывающих вторичные изменения, не по напластованию пород, как это преимущественно происходит при фоновом литогенезе.

Изменения, отнесенные к процессам фонового литогенеза, реализуются при погружении осадочных толщ - литогенез погружения. Тогда как вторичные изменения осадочных пород, имеющие «элизионный или инфильтрационный характер», реализуются позже - на этапе динамотермальной активизации.

Источник вещества для реализации процессов элизионной стадии в условиях динамотермальной активизации глубинный. Строго говорить о едином источнике не представляется возможным. Анализ литературы также не указывает на какой-либо единый источник поступления флюидов, обусловливающих те или иные вторичные изменения пород. Глубинная мобилизация вещества может быть из осадочных пород. Нельзя также исключать возможность миграции флюидов при инверсии тектонического режима вследствие разогрева осадочных толщ мантийным теплом, в том числе и из кристаллического фундамента (Плотникова, 2004; Христофорова, Непримеров и др., 2004).

Источником вещества для реализации процессов инфильтрационной стадии являются вышезалегающие породы пермской системы, среди которых развиты сульфаты.

Основываясь на пространственной приуроченности вторичных изменений, их связи с участками нефтенасыщенных пород и зонами ВНК, можно сделать определенные выводы об относительном времени их реализации (табл. 3). В таблице показано время реализации каждого из рассмотренных процессов относительно времени нефтенакопления и геофлюидной стадийности развития бассейнов породообразования. Время нефтенакопления определяется как время насыщения пород водонефтяным флюидом, формирующим природные резервуары и зоны ВНК.

Таблица 3. Соотношение по времени процессов вторичного изменения известняков с геофлюидными стадиями развития бассейнов породообразования и процессами нефтенакопления

4. Факторы, определяющие пространственную локализацию основных вторичных изменений известняков и структуру их пустотного пространства

Присутствие среди карбонатных отложений, полностью или частично сформировавшихся за счет механического отложения материала, пород с высокими емкостно-фильтрационными свойствами не определяется наличием в них пустотности седиментогенной природы. Высокая пустотность матрицы изученных карбонатных пород определяется проявлением в них вторичных изменений, таких как выщелачивание и доломитизация. Однако развитие выщелачивания, также как и доломитизации, не повсеместно. Последнее определяется тектоно-флюидодинамическим и литолого-стратиграфическим факторами.

Для регионов, в которых нефтеносны известняки с высокими коллекторскими свойствами, нерешенными остаются вопросы о закономерностях развития в них выщелачивания и мест его пространственной локализации. Еще бульшая неопределенность существует в отношении проявления доломитизации. Решение сформулированных проблем позволит осуществлять прогноз промышленной значимости залежей, их стратиграфического и тектонического положения, морфологии, структуры пустотного пространства матрицы карбонатных пород-коллекторов, характера их нефтенасыщенности.

В качестве примера влияния тектоно-флюидодинамического и литолого-стратиграфического факторов на вторичную измененность известняков в работе рассматривается центральная часть Волго-Уральской области. Изученный стратиграфический диапазон включает турнейский и серпуховско-верейский регионально нефтеносные карбонатные комплексы (Тектоническое и нефтегеологическое …, 2006). В серпуховско-верейском комплексе среди карбонатных пород-коллекторов основное место принадлежит породам башкирского яруса.

Тектоно-флюидодинамический фактор. Анализ плотности расположения месторождений нефти показывает, что их размещение в значительной мере контролируется тектоническим фактором. Но не только этим определяется роль тектонического фактора. Он и связанный с ним флюидодинамический фактор (Соколов, 2001) оказывают влияние на генерацию водонефтяных флюидов, пути их миграции, аккумуляцию. Названные факторы «ответственны» также за формирование вторичных коллекторских свойств карбонатов. Характер тектонического развития региона влияет также на тепловой режим бассейна породообразования (Артюшков, 1993; Христофорова, Непримеров и др., 2004), который может меняться во времени. Современный тепловой режим региона, по-видимому, унаследован от времени формирования месторождений нефти, поскольку на определенную его связь с плотностью их распространения указывают фактические данные.

Известно, что выщелачивание и доломитизация, связанные с миграцией флюидов, локализуются лишь в определенных тектонических структурах, какими обычно являются антиклинали (Каледа, 1985; Латеральная изменчивость …, 1974). Из этого следует, что зонами повышенной проницаемости пород для восходящих токов флюида являются антиклинальные поднятия, т.к. в них в максимальной степени проявляются выщелачивание и доломитизация.

В соответствии со сказанным, разрезы, изученные на различных тектонических структурах и их частях - сводах, крыльях, прогибах, не отличались бы друг от друга, если бы отсутствовали вторичные изменения пород, связанные с наложенными процессами. Практически же разрезы даже близко расположенных друг к другу скважин часто значительно различаются по вторичным изменениям, структуре пустотного пространства пород, соответственно, коллекторским свойствам и характеру флюидонасыщенности.

Роль тектоно-флюидодинамического фактора в формировании вторичных изменений известняков, прежде всего, выщелачивания и доломитизации, и, соответственно, в формировании высоких коллекторских свойств карбонатных пород сводится к следующим положениям: тектонический фактор обусловливает формирование положительных структур, к которым приурочены месторождения и залежи нефти; в пределах положительных структур наиболее интенсивно реализуются вторичные изменения пород; наибольший ток флюидов, приводящий к существенным вторичным изменениям пород на элизионной стадии развития бассейнов породообразования, осуществляется через более высокоамплитудные структуры.

Известно, что тектоническое развитие региона является стадийным. На каждой стадии происходят определенные изменения карбонатов. На основании анализа фациальной изменчивости отложений, их литологического состава, соотношений структурных планов, перерывов в осадконакоплении в истории региона можно выделить: палеоплатформенный резонансный (PR₂-T₁) и неоплатформенный автономный (T-Q) этапы (Фанерозойские осадочные …, 2000; Чайкин, 2005). С первым связаны формирование осадочных формаций и реализация процессов фонового литогенеза, со вторым - процессы нефтенакопления и рассматриваемые вторичные изменения известняков. Считается, что реализация процессов нефтенакопления и вторичных изменений пород, обусловленных элизионной стадией в условиях динамотермальной активизации, определяется подъемом уровня астеносферы вследствие прихода плюма из нижней мантии и кондуктивного тепломассопереноса (Изотов, 2001; Трофимов, 2006).

Литолого-стратиграфический фактор в формировании вторичной структуры пустотного пространства карбонатных пород и участков ее пространственной локализации проявляется в том, что: карбонатные породы перекрываются породами-флюидоупорами; в разрезе карбонатных пород присутствуют известняки различных структурно-генетических типов; среди карбонатных пород наиболее высокими коллекторскими свойствами обладают биокластово-зоогенные известняки I типа, которые подвержены процессам выщелачивания, крайне редко вторичные доломиты; нефтяные залежи в карбонатных породах образуют либо массивные литологически неоднородные, либо пластовые тела в зависимости от последовательности напластования тех или иных структурно-генетических типов известняков и других пород.

Литолого-стратиграфический фактор в формировании пород с высокой вторичной пустотностью проявляется также в том, что кавернозность и, соответственно, промышленная нефтенасыщенность приурочены к тем уровням в разрезах, где встречаются биокластово-зоогенные известняки I типа.

По нашим данным, вертикальная неоднородность залежей нефти в известняках обусловлена не столько неоднородностью строения осадочной толщи, поскольку коллекторские свойства неизмененных вторичными процессами известняков любых структурно-генетических типов довольно близки и характеризуются малыми величинами, сколько реализацией в определенных структурно-генетических типах известняков процессов выщелачивания. Поэтому развитие процессов выщелачивания в бульшей мере определяет неоднородность разреза по коллекторским свойствам, чем неоднородное сложение толщи различными типами известняков.

Следует также отметить, что тектонический и литолого-стратиграфический факторы являются необходимыми, но недостаточными условиями формирования карбонатных пород с высокими значениями вторичной пустотности.

Выщелачивание известняков как причина их кавернозности. Выщелачивание известняков - наиболее существенный из вторичных процессов наложенного характера, формирующий высокую пустотность матрицы известняков. Имеющийся фактический материал показывает, что в формировании высоких коллекторских свойств известняков главная роль принадлежит не столько процессам седиментогенеза и фонового литогенеза, сколько вторичному процессу выщелачивания (табл. 4).

Анализ таблицы показывает: известняки изученных структурно-генетических типов, в которых нет следов выщелачивания, по своим коллекторским свойствам весьма близки и могут быть отнесены лишь к непромышленным коллекторам порового типа; вторичному процессу выщелачивания, который существенно повышает коллекторские свойства пород, подвергаются лишь биокластово-зоогенные известняки I типа. Их выщелачивание существенно повышает коллекторские свойства - вместо коллекторов порового типа формируются кавернозные коллекторы, что обеспечивает и изменение флюидонасыщенности пород.

Подверженность биокластово-зоогенных известняков I типа процессу выщелачивания обусловлена тремя основными причинами: определенным количественным соотношением в породе органических остатков и цементирующего их микрита; различной устойчивостью компонентов известняка к процессу растворения, который, как указывалось, селективен; их несколько повышенной пористостью относительно фоновых значений. Количественное соотношение в биокластово-зоогенных известняках I типа органогенных компонентов и цементирующего их микрита обусловливает сохранение породами объема даже при растворении последнего. Этому способствует то обстоятельство, что биокласты, как устойчивые к выщелачиванию компоненты известняков, опираются друг на друга. Более высокая устойчивость органических остатков к выщелачиванию связана с их органоминеральным составом. А более высокая пористость таких известняков по сравнению с другими определяет бульшую возможность их насыщения водонефтяным флюидом, вызывающим выщелачивание.

Таким образом, при вторичных изменениях известняков, приводящих к выщелачиванию, в первую очередь будет мобилизован микрит, играющий роль цемента для биокластов, тогда как кальцит, слагающий органические остатки, остается устойчивым, будучи защищенным органическим веществом.

Таблица 4. Коллекторские свойства известняков и их нефтенасыщенность

Доломитизация известняков и ее роль. Доломитизация II типа, часто приводящая к полному метасоматическому замещению исходных известняков вторичным доломитом, формирует либо плотные породы, либо пористые, обладающие довольно высокими емкостно-фильтрационными свойствами. Причины формирования плотных или пористых вторичных доломитов до сих пор остаются невыясненными.

Полученные в работе данные и многочисленные публикации свидетельствуют о том, что степень доломитизации известняков не влияет на коллекторские свойства пород. Однако заслуживающим весьма пристального внимания следует считать высказанное предположение о роли баланса привноса-выноса компонентов при реализации процесса доломитизации (Бурлин, 1976). Действительно, при реализации реакции 2CaCO₃ + Mg²⁺ = CaMg(CO₃)₂ + Ca²⁺ при бульшем выносе компонентов, чем привносе возможно увеличение пористости не на 13%, как при одинаковом привносе-выносе компонентов, а более.

Подобный процесс доломитизации известняков наблюдался в зонах ВНК и в продуктивных коллекторах тульского горизонта визейского яруса Онбийского месторождения (западный склон Южно-Татарского свода). Здесь формирование в пределах небольшого объема как плотных, так и пористых пород прямо указывает на неравновесность процесса и существенную смену во времени баланса привноса-выноса компонентов при доломитизации.

Формирование структуры пустотного пространства карбонатных пород. Анализ опубликованной литературы, где рассматриваются карбонатные породы-коллекторы различных районов восточной части Восточно-Европейской платформы, показывает, что среди них наблюдается довольно ограниченное и практически постоянно присутствующее число структурно-генетических типов известняков; вторичные изменения известняков также одинаковы. Лишь выщелачивание и иногда доломитизация приводят к формированию карбонатных пород, обладающих высокими значениями пустотности матрицы. Проведенный анализ также показывает, что восточный борт Мелекесской впадины (МВ) и Южно-Татарский свод (ЮТС), отвечающие центральной части Волго-Уральской области, можно рассматривать в качестве модельного объекта.

Известняки турнейского яруса, их вторичные изменения. Нефтяные залежи, локализованные в известняках турнейского яруса, являются массивными, литологически неоднородными, сводовыми и приурочены к поднятиям III-IV порядка (Тектоническое и нефтегеологическое …, 2006; Нефтегазоносность …, 2007). Площадь таких поднятий на структурных картах составляет несколько квадратных километров, а амплитуда - до первых десятков метров.

Вторичная кавернозность и, соответственно, промышленная нефтенасыщенность известняков яруса обусловлены рядом факторов, главными среди которых следует считать: наличие в разрезе биокластово-зоогенных известняков I типа, реализацию в них процессов выщелачивания, тектонический контроль (табл. 5).

Известняки визейского яруса, их вторичные изменения. В карбонатах визейского яруса обнаружены известняки, которые по их структурно-генетической принадлежности аналогичны известнякам турнейского яруса. Однако их вторичные изменения отличны. Среди основных вторичных изменений известняков, существенно меняющих структуру пустотного пространства пород, обнаружена лишь доломитизация II типа, которая не пользуется широким распространением.

Вторичные доломиты тульского горизонта представлены как высокопористыми образованиями, так и плотными. Пористые вторичные доломиты известны лишь в пределах высокоамплитудных поднятий III-IV порядка Онбийского месторождения. Однако они распространены более широко в аналогичных структурах на месторождениях Южно-Татарского свода. За пределами Южно-Татарского свода вторичные доломиты в тульском горизонте не обнаружены (табл. 6).

Таблица 5. Обобщенная характеристика природных резервуаров нефти в биокластовых известняках турнейского яруса

Рассматриваемые вторичные доломиты образуют метасоматические тела, замещающие биокластовые известняки тульского горизонта. Доломиты залегают в виде пластообразных тел мощностью 3-4 м и более, протяженностью в первые сотни метров, реже более. Образуют тела, залегающие согласно напластованию пород или близко к этому, границы вторичных доломитов не выходят за границы известняков, слагающих верхнюю часть тульского горизонта.

Постепенное метасоматическое замещение прослеживается в увеличивающейся снизу вверх доломитизации известняков и укрупнении зерен вторичного доломита. В этом же направлении наблюдается следующая последовательность пород: «плотные известняки - плотные доломитизированные известняки - плотные доломиты - пористые доломиты - плотные доломиты». Мощность пористых разностей доломитов, как правило, составляет не более одного метра. Пористость плотных доломитов, конформных по структуре, может достигать 3-6%, а проницаемость всегда оказывалась равной нулю. Тогда как пористость доломитов с неконформной структурой достигает величин в 30-35%, а проницаемость - n·100·10^-3 мкм², где n - первые единицы.

Таблица 6. Обобщенная характеристика природных резервуаров нефти, сложенных вторичными доломитами тульского горизонта визейского яруса

Возможность формирования метасоматических вторичных доломитов по исходным известнякам автор связывает с более активным флюидодинамическим режимом Южно-Татарского свода по сравнению с восточным бортом Мелекесской впадины.

Особенностью доломитизации известняков тульского возраста является литолого-стратиграфическое и тектоническое положения мест распространения рассматриваемого процесса, отличающееся от мест локализации процессов выщелачивания. Пористые вторичные доломиты обнаруживаются на крыльях антиклинальных структур III-IV порядка.

Известняки башкирского яруса, их вторичные изменения. Нефтяные залежи, как и в породах турнейского яруса, приурочены к антиклинальным поднятиям III-IV порядка, что также указывает на высокую роль в формировании коллекторских свойств тектоно-флюидодинамического фактора.

Однако, в отличие от ранее рассмотренных отложений турнейского и визейского ярусов, характер нефтеносности пород башкирского яруса является более сложным. С одной стороны, как уже указывалось, это обусловлено существенной неоднородностью сложения яруса известняками различных типов, как по вертикали, так и по горизонтали, а с другой, различной вторичной измененностью известняков - выщелачиванием и доломитизацией, что определяется тектоническим положением изученных разрезов (табл. 7).

Таблица 7. Обобщенная характеристика природных резервуаров нефти в карбонатах башкирского яруса

Данные таблиц 5, 6 и 7 указывают на определяющую роль флюидодинамического фактора в реализации процессов выщелачивания и доломитизации, место пространственной локализации которых контролируется тектоническим фактором.

Проведенный сравнительный анализ литологического строения разрезов нижнего и среднего карбона в пределах восточного борта Мелекесской впадины и Южно-Татарского свода показал их существенные различия. Они заключаются как в сложении тех или иных стратиграфических подразделений различными структурно-генетическими типами известняков, сформировавшимися при седиментогенезе, диагенезе и катагенезе, так и в характере и интенсивности их вторичных изменений, связанных с наложенными процессами. Среди последних наиболее значимыми и определяющими пустотность матрицы карбонатных пород являются выщелачивание и доломитизация.

Изложенный фактический материал показывает, что вторичные изменения известняков интенсивнее проявляются в пределах Южно-Татарского свода, чем на восточном борту Мелекесской впадины. Тектонический контроль вторичных изменений известняков осуществляется как структурами I и II, так и III-IV порядков. Наблюдаемая вертикальная зональность вторичных изменений как в пределах крупных структур I порядка - Мелекесская впадина и Южно-Татарский свод, так и структур II и III-IV порядков указывает на определенную вертикальную миграцию флюидов, отвечающих за формирование коллекторских свойств пород, обусловленных их вторичными изменениями.

В соответствии с интенсивностью и характером проявления вторичных изменений известняков при их одинаковой исходной природе, формирование вторичной пустотности и локализация таких изменений на определенных гипсометрических уровнях в конкретных тектонических структурах контролируются тектоно-флюидодинамическим и литолого-стратиграфическим факторами.

Выявленные закономерности применимы и к другим аналогичным районам востока Восточно-Европейской платформы.

5. Модели формирования структуры пустотного пространства матрицы карбонатных пород и их нефтенасыщенности

Изложенное в предыдущих главах можно рассматривать как фактический материал, необходимый для написания настоящего раздела работы, так как без выявления особенностей седиментогенеза карбонатов, их литогенеза, включая вторичные изменения, литолого-стратиграфического и тектонического положения вторично измененных пород в разрезах и факторов, их определяющих, написание настоящего раздела было бы невозможным.

Общие представления о формировании пустотного пространства карбонатных пород-коллекторов и их нефтенасыщенности. Согласно ставшими классическими осадочно-миграционной теории и флюидодинамической модели нефтегазообразования (Брод, Еременко, 1953; Вассоевич, 1967, 1986; Геология и геохимия …, 2004; Неручев, 1969; Перродон, 1991; Соколов, 2001 и др.), необходимыми условиями формирования нефтяных залежей являются: наличие нефтегазоматеринских пород, в которых осуществляются процессы нефтегазогенерации; наличие нефтегазоносных комплексов, состоящих из пород-коллекторов и пород-флюидоупоров; наличие ловушек; первичная миграция водонефтяных флюидов из очага нефтегенерации в природные резервуары, сложенные породами-коллекторами; вторичная миграция флюида в резервуаре, приводящая к пространственному разделению углеводородов и воды и, соответственно, нефтенакоплению.

Существенным элементом современной теории формирования месторождений нефти и газа считается восходящий ток флюидов, что связывается с элизионной стадией гидрогеологического развития бассейнов породообразования (Карцев, 1982; Карцев, Вагин и др., 1986; Основы гидрогеологии …, 1982; Холодов, 1983). Данное положение теории получило свое развитие в трудах Б.А.Соколова (1980, 1996, 2001), В.Е.Хаина (1998) и других, создавших флюидодинамическую модель нефтегазообразования.

Однако в рамках осадочно-миграционной теории и флюидодинамической модели нефтегазообразования невыясненным или весьма слабо изученным следует признать вопрос о способах формирования вторичной пустотности в карбонатных породах. Поэтому решению этого вопроса, связанного с выщелачиванием известняков и их доломитизацией, а также распределением в коллекторах флюида, и посвящен настоящий раздел работы. Важность решения этой задачи носит не только научный характер, поскольку понимание механизмов формирования карбонатных пород-коллекторов и факторов, их определяющих, позволяет делать и практические выводы, связанные как с региональным, так и локальным прогнозами локализации вторичных изменений пород, приводящих к формированию в них вторичной пустотности матрицы.

Необходимо отметить, что в последнее время в литологии активно используется системный анализ (Дмитриевский, 1998; Осадочные бассейны …, 2004). В рамках этой концепции предлагается не только всесторонне рассматривать осадочные бассейны и слагающие их осадочные породы как состоящие из нефтематеринских пород, пород-коллекторов, плотных пород, пород-флюидоупоров, но и анализировать их совокупность в развитии. Подобный подход, несомненно, заслуживает весьма пристального внимания и использован для решения цели и задач, поставленных в настоящей работе.

Особенности карбонатных пород-коллекторов, отличающие их от терригенных коллекторов. Известно, что в пределах восточной части Восточно-Европейской платформы, которая включает Тимано-Печорский, Волго-Уральский, Прикаспийский нефтегазоносные бассейны (Геология и геохимия …, 2004), относимых к числу окраинно-платформенных (перикратонных), коллекторами нефти могут быть как карбонатные, так и терригенные породы.

Во многих работах показано, что фациальная принадлежность или структурно-генетические типы карбонатных пород, прежде всего, известняков, не являются определяющими в формировании их коллекторских свойств (Бурлин, 1976; Гмид, Леви, 1973; Карбонатные породы-коллекторы …, 2005; Кузнецов, 1992; Смехов, Дорофеева, 1987; Страхов, 2005 и др.). Это справедливо, если не учитывать их вторичные изменения.

Особенностью рассматриваемых в работе карбонатных пород-коллекторов является то, что, в отличие от терригенных коллекторов, емкостно-фильтрационные свойства которых формируются преимущественно на стадиях седиментогенеза-катагенеза, пустотное пространство карбонатов, по данным тех же авторов, имеет «значительно более полигенный характер». Признается, что многие карбонаты, рассматриваемые в качестве коллекторов, обладают вторичной пустотностью, обусловленной выщелачиванием и доломитизацией.

Следует сказать, что выявление тех или иных вторичных изменений, определяющих коллекторские свойства карбонатных пород, не вызывает серьезных затруднений. Самым сложным, на наш взгляд, является оценка роли и места таких процессов как выщелачивание и доломитизация в формировании пустотного пространства матрицы карбонатных пород-коллекторов. Последнее без выявления механизмов формирования структуры пустотного пространства пород и факторов, их определяющих, следует признать невозможным.

Модель формирования кавернозности известняков и их нефтенасыщенности. Изучение кернового материала нефтяных залежей различной степени продуктивности показало: наличие довольно широкого «спектра» структурно-генетических типов известняков; реализация процессов выщелачивания осуществляется лишь в биокластово-зоогенных известняках I типа с поровым типом цементации форменных компонентов; одинаковый механизм выщелачивания известняков в нефтяных залежах и зонах ВНК; процесс выщелачивания известняков, слагающих породы-коллекторы, нередко сопровождается их слабой доломитизацией; равномерно развитую кавернозность известняков, образующих промышленные коллекторы нефтяных залежей; кавернозные известняки всегда являются равномерно нефтенасыщенными породами; в кавернозных известняках нефтяных залежей не обнаруживаются ВНК; приуроченность мест максимальной реализации процессов выщелачивания известняков к наиболее высокоамплитудным поднятиям III-IV порядка; реализацию процессов выщелачивания в сводовых частях и крыльях поднятий III-IV порядка; в значительных объемах выщелачивание известняков наблюдается лишь в том случае, если они перекрыты менее проницаемыми породами, в том числе породами-флюидоупорами, которые в тоже время играют роль «литологических окон».

Анализ каждого из вышеприведенных фактов позволяет сформулировать ряд положений, на основе которых и была создана модель формирования кавернозности известняков промышленных залежей нефти. Основные ее положения сводятся к следующим: 1) существование антиклинальных ловушек, которыми являются поднятия III-IV порядка, и наличие над известняками толщи пород-флюидоупоров; 2) наличие поликомпонентных по составу известняков, какими являются биокластово-зоогенные известняки I типа; 3) заполнение ловушки водонефтяным флюидом, вторичная миграция которого приводит к его фазовому разделению и нефтенакоплению, генерирует углекислоту и органические кислоты; 4) выщелачивание части микрита, цементирующего органические остатки биокластово-зоогенных известняков I типа, и вынос растворенных компонент за пределы залежей; 5) местом преимущественной реализации процессов выщелачивания известняков являются наиболее высокоамплитудные поднятия - их сводовые части, меньше - крылья.

Названные положения реализуются вследствие благоприятного сочетания тектонического и литолого-стратиграфического факторов, а также выщелачивания. Следует признать то, что сочетание двух первых из названных положений является достаточным лишь для формирования непромышленных залежей, коллекторы которых относятся к поровым. Такой тип структуры пустотного пространства известняков сформирован в результате седиментогенеза-катагенеза пород и не затронут процессами выщелачивания.

Третье-пятое положения, показывающие возможность формирования вторичной пустотности (кавернозности) в известняках, являются основными, объясняющими формирование промышленно значимых коллекторских свойств известняков. В их основу положен фактический материал, полученный при проведении собственных исследований. Модель формирования кавернозности биокластово-зоогенных известняков I типа на примере одного из разрезов отложений турнейского яруса представлена на рисунке 4.

Модель формирования структуры пустотного пространства вторичных доломитов. Доломитизация II типа, как указывалось, в отличие от выщелачивания не является избирательным процессом, т.к. изменению могут быть подвергнуты любые структурно-генетические типы известняков и, соответственно, все их компоненты.

Решению задачи формирования вторичных доломитов с конформной и неконформной структурами посвящен ряд работ. В одних работах (Карбонатные породы-коллекторы …, 2005) указывается, что пористые доломиты формируются в том случае, когда содержание вторичного доломита в известняках превышает 70%. Однако имеющийся у автора фактический материал не подтверждает эту точку зрения. В изученных объектах в ряде случаев удавалось проследить постепенный переход от исходных известняков до вторичных доломитов. Однако какой-либо корреляции зависимости «степень доломитизации - пористость» обнаружить не удалось.

Другая точка зрения, о чем было сказано выше, основана на том, что пористость вторичных доломитов обусловлена балансом привноса-выноса компонентов, что находит подтверждение в формировании как плотных, так и пористых их разностей. И все же, лишь балансом привноса-выноса компонентов при доломитизации известняков объяснить формирование их плотных и пористых образований не удается. Это положение не является достаточным для объяснения способа формирования пористых вторичных доломитов. Так как процесс доломитизации известняков не является избирательным как выщелачивание, то не следует исключать и возможность уплотнения пород при таком типе метасоматоза по схеме «растворение - кристаллизация» за счет литостатического давления при реализации этого процесса.

Рис. 4. Модель формирования кавернозности и нефтенасыщенности в известняках турнейского яруса Демкинского месторождения

Заслуживающим внимания фактом следует считать наличие в изученных объектах тульского горизонта визейского яруса и плотных, и пористых доломитов, которые постепенно переходят друг в друга. При этом пористые разности распространены среди плотных, а не наоборот. Отсюда можно сделать вывод о кинетике процесса доломитизации. По крайней мере, можно говорить о том, что на заключительных стадиях доломитизации в большей степени реализуется процесс растворения кальцита, чем кристаллизация доломита.

Однако отсутствие пористых доломитов в породах башкирского яруса не позволяет сказать, что баланс привноса-выноса компонентов и кинетика процесса являются единственными причинами формирования либо плотных, либо пористых вторичных пород. Тогда бы в башкирском ярусе, как и в тульском горизонте визейского яруса, формировались и те и другие.

Поэтому при метасоматическом замещении известняков вторичными доломитами следует учитывать возможность уплотнения пород. В случае, когда мощность пород при метасоматическом преобразовании не меняется, баланс привноса-выноса может определять формирование плотных и пористых вторичных доломитов. Однако при метасоматическом замещении по типу «растворение-кристаллизация» уплотнение пород вполне возможно. Следовательно, необходимо признать, что уплотнение пород под действием литостатического давления при доломитизации не может привести к формированию пористых пород, тогда как при возможности породами сохранять свой объем формирование пористых образований возможно.

Из сказанного следует, что формирование доломитов с высокой пористостью в тульском горизонте обусловлено двумя основными факторами: неодинаковым балансом привноса-выноса компонентов во время доломитизации и «способностью» пород при метасоматическом изменении препятствовать уплотнению.

Условием, обеспечивающим «способность» известняков тульского горизонта при доломитизации препятствовать уплотнению, является то, что процесс доломитизации не захватывает полностью пласт известняков, как это происходит с известняками башкирского яруса. Об этом свидетельствуют малая мощность вторичных доломитов по сравнению с вмещающими их известняками, а также линзовидно-пластовая форма залегания вторичных доломитов среди известняков и ограничивающих их снизу и сверху аргиллитов в крыльях антиклинальных поднятий III-IV порядка (рис. 5). Последнее доказывается положением залежей на структурных картах и их неповсеместным обнаружением: часто даже в соседних скважинах, расстояние между которыми составляет 400 м, проследить залежь не удается.

Таким образом, в основу модели формирования плотных или пористых вторичных доломитов могут быть положены следующие условия: процесс формирования вторичных доломитов не является селективным; образование плотных и пористых вторичных доломитов обусловлено балансом привноса-выноса компонентов; формирование пористых доломитов возможно при условии, когда не происходит уплотнения пород, что, по нашим данным, реализуется на крыльях антиклинальных поднятий.

Созданные модели формирования вторичной пустотности матрицы карбонатных пород, на взгляд автора, являются верными применительно к рассматриваемым в работе карбонатным отложениям любых регионов. В дальнейшем с привлечением нового материала они могут уточняться. Однако их основы должны сохраниться.

Рис. 5. Схема положения промышленной нефтяной залежи во вторичных доломитах тульского горизонта

Заключение

Проведенный историко-геологический анализ палеозойских карбонатных отложений востока Восточно-Европейской платформы позволил осуществить реконструкцию процессов их формирования, включающих седиментогенез, фоновый литогенез и вторичные изменения наложенного характера, обусловленные меняющимся во времени и пространстве геофлюидным режимом осадочного бассейна. Это потребовало «постепенного (поэтапного) снятия с карбонатов той нагрузки», которая обусловлена их постседиментационными изменениями.

Выполнение работы проведено с использованием седиментологического и литогенетического анализов, что позволило в совокупности с изучением компонентного состава карбонатов решить поставленные цель и задачи. Их достижение потребовало также провести анализ существующих классификаций карбонатов, однако целиком ни одна из них не могла быть использована. Поэтому в работе в названии карбонатов применена обобщенная терминология, показывающая основные их признаки. Использованная терминология не претендует на новизну, но оказалась целесообразна в применении.

Основные результаты получены благодаря использованию системного подхода к изучаемым объектам, который рассматривает их как развивающиеся во времени и пространстве. Поэтому в работе для проведения историко-геологических исследований использованы также основные положения смежных и родственных дисциплин - литологии нефтегазоносных толщ, геофлюидодинамики, геодинамики, гидрогеологии, теории формирования нефтяных месторождений, теории метасоматических процессов. В результате такого подхода предложены модели формирования кавернозных известняков и пористых доломитов, в основу которых положены внешние и внутренние факторы, определяющие возможность реализации вторичных изменений.

Полученные данные имеют не только теоретическое значение. Практическая значимость работы заключается в разработке основ прогнозирования карбонатных пород с теми или иными вторичными метасоматическими изменениями наложенного характера. Такие изменения могут приводить к формированию месторождений полезных ископаемых, образование которых обусловлено геофлюидным режимом бассейнов породообразования.

Основные выводы, полученные при проведении исследований, сформулированы и включены в п. «Научная новизна», «Практическая значимость», «Защищаемые положения».