Геохимия, 2023, T. 68, № 7, стр. 695-708

ВВЕДЕНИЕ

В Западно-Сибирском бассейне (ЗСБ) до сих пор сохраняются большие перспективы открытия новых месторождений нефти и газа, связанных с глубокими юрскими, триасовыми и пермскими осадочными горизонтами, а также с верхними горизонтами трещиноватого фундамента (Белоконь-Карасева и др., 2006; Коробов, Коробова, 2011; Кравченко, 2012; Конторович и др., 2013). Бурение сверхглубокой параметрической скважины Тюменская СГ-6 до глубины 7502 м позволило впервые для севера Западной Сибири вскрыть и детально изучить наиболее полный разрез триасовых и юрских отложений (рис. 1). Чтобы оценить нефтегазогенерационный потенциал этих отложений, необходимо знать термическую историю осадочного бассейна. В этом аспекте осадочный разрез сверхглубокой параметрической скважины СГ-6 (рис. 1) представляет особый интерес, поскольку литосфера и осадочный разрез Колтогорско-Уренгойского района хорошо изучены геолого-геофизическими методами (Белоконь-Карасева и др., 2006; Кравченко, 2012; Конторович и др., 2013; Добрецов и др., 2013 и др.). Подробная база данных о структуре и геологической истории района вместе с достаточным количеством измерений глубинных температур и отражательной способности витринита (ОСВ) (Фомин и др., 2001; Мясникова, Оксенойд, 2012; Кравченко, 2012; Богоявленский и др., 2013) позволили построить здесь достаточно обоснованную модель тепловой эволюции литосферы и применить ее для численной реконструкции истории реализации нефтегазогенерационного потенциала глубоких материнских свит бассейна. Результаты моделирования, полученные на примере осадочного разреза скважины СГ-6, могут быть применены для оценки нефтегазогенерационного потенциала соответствующих во многих районах Западно-Сибирского бассейна, поскольку особенности в глубинных распределениях температур и ОСВ характерные для разрезов в окрестности скв. СГ-6, наблюдаются во многих районах Западной Сибири, включая осадочные разрезы Красноленинского свода, Енисейско-Хатангского прогиба, Южно-Карской синеклизы, и т.д.

Рис. 1.

Положение сверхглубоких скважин Тюменской СГ-6 и Ен-Яхинская СГ-7 в пределах Колтогорско-Уренгойского рифтового грабена (после (Галушкин и др., 1999) с небольшими изменениями).

В данной статье генерационные свойства глубоких нефтегазоматеринских (НГМ) свит Западно-Сибирского бассейна (ЗСБ) оцениваются на основе численных реконструкций тепловой истории бассейна (рис. 2). Тепловой режим литосферы Колтогор-Уренгойского грабена ЗСБ формировался под влиянием таких нестандартных факторов, как континентальный рифтогенез в поздней перми-раннем триасе, интрузивно-гидротермальная активность в юре, термическая активизация литосферы в раннем мелу и неогене, гидротермальная активность и резкие колебания климата в плиоцен- четвертичный период.

Рис. 2.

Термическая история осадочной толщи (а) и литосферы (б) Западно-Сибирского бассейна в районе скв. СГ-6. а: 1 – основания осадочных слоев; 2 – изотермы; 3 – изолинии %Ro; б – на верхнем рис.: 1, 2 и 3 – тепловые потоки через поверхности осадков (1), фундамента (2) и верхней мантии (3, граница МОХО); на нижнем рис.: линия “МОХ-О” – основание коры; линия “фазовый переход” – глубина фазового перехода “шпинелевый перидотит – гранатовый перидотит” в мантии; основание литосферы определяется пересечением текущей геотермы с кривой солидуса перидотита с содержанием 0.2% H₂O (Wyllie, 1979).

Численная реконструкция тепловой истории литосферы Колтогорско-Уренгойского грабена ЗСБ, полученная с учетом указанных факторов, используется для оценки истории реализации потенциала генерации УВ основных предполагаемых НГМ пород бассейна. Рис. 2а показывает часть этой реконструкции, относящуюся к эволюции термического режима осадочного чехла, включая температурную историю глубоких материнских свит бассейна. В соответствии с основной целью исследования настоящая статья включает несколько разделов. В первом из них дается описание методов численной оценки генерации УВ породами НГМ свит бассейна. В следующем разделе приведены численные оценки объемов генерации различных фракций УВ породами этих свит. В оценках предполагается, что кероген органического вещества (ОВ) НГМ пород бассейна представлен смесью стандартных керогенов типа II и III, процесс крекинга которых описывается кинетическими спектрами, представленными в ПРИЛОЖЕНИИ. Следовательно, в этом разделе рассматривается история генерации УВ с предполагаемыми кинетическими спектрами крекинга керогена и температурной историей глубоких материнских свит, показанной на рис. 2а. В последующем разделе обсуждаются основные события, оказавшие влияние на историю генерации УВ в бассейне. Раздел “ЗАКЛЮЧЕНИЕ” содержит основные выводы по рассчитанному фракционному составу генерируемых УВ и времени их генерации.

МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОЙ ОЦЕНКИ ИСТОРИИ ГЕНЕРАЦИИ УВ ПОРОДАМИ МАТЕРИНСКИХ СВИТ

Численная реконструкция термической истории литосферы Колтогор-Уренгойского грабена ЗСБ в районе скв. СГ-6, представленная на рис. 2а и 2б осуществлялась с помощью пакета программ моделирования “плоских” бассейнов ГАЛО (Галушкин, 2007; Galushkin, 2016) и вспомогательного программного пакета ICE2020 (Galushkin, 2023), позволявшего рассчитывать термический режим и зрелость ОВ бассейна в условиях резких колебаний климата с неоднократным формированием и деградацией зон многолетнемерзлых пород. Использование этих программ позволило построить термическую модель развития бассейна с учетом ряда нестандартных факторов, таких как: интрузивно-гидротермальная активность в ранней юре, ответственная за аномально высокий рост зрелости ОВ пород юры и триаса, тектоническое растрескивание пород нижних ярусов осадочного покрова и верхней части фундамента, ответственное за высокие градиенты температур в этой части разреза, и резкие колебания климата в плиоцене-четвертичном периоде. Указанные факторы не рассматривались в предыдущих реконструкциях термической эволюции осадочной толщи скв. СГ-6 (Конторович и др., 2013; Добрецов и др., 2013), полученных в рамках традиционной системы моделирования бассейнов TEMIS с заданием теплового потока в основании осадочной толщи.

Исходными данными для реконструкции, представленной на рис. 2, служили геологическая история развития исследуемого района (Конторович и др., 1975; Конторович и др., 2013), современный осадочный разрез бассейна и литологический состав его пород (табл. 1), значения температур и ОСВ, измеренные в современном разрезе бассейна (рис. 3а, 3б), а также геофизические данные по строению фундамента и составу его пород (Кравченко, 2012; Melnik et al., 2015). Принципы моделирования термической истории осадочных бассейнов в системе ГАЛО подробно описаны в (Галушкин, 2007; Galushkin, 2016). Как и в других системах моделирования, система Г-АЛО учитывает отложение пористых осадков с переменной скоростью, их уплотнение; эрозию, зависимость температурных и физических характеристик пород от их литологического состава, глубины погружения и температуры; рассматривает изменение теплопроводности матрицы пород и поровых вод от температуры (Галушкин, 2007). В расчетах теплофизических характеристик осадочных пород используются среднемировые теплофизические параметры соответствующих литологических единиц (Галушкин, 2007; Galushkin, 2016). Соответствующие расчеты для смесей пород, указанных в табл. 1, проводились согласно алгоритмам, подробно описанным в цитированных работах. Исключение составляли вулканиты, алевролиты и песчаники, формировавшие осадочные породы первых 9 стадий развития бассейна в табл. 1. Для пород перми, триаса, нижней и средней юры использовались нестандартные параметры уплотнения, чтобы объяснить их аномально высокую пористость, наблюдаемую на глубинах 6–8 км. При решении уравнения теплопроводности на верхней границе области счета задавались среднегодовые температуры на поверхности (см. кривую палеоклимат на рис. 2а) и постоянная температура Tm = 1150°С поддерживалась на нижней границе области счета, Zm. Эта граница в процессе счета углублялась от начального значения 112 км на толщину осадочного чехла. Принципы расчета параметров Zm и Tm в системе GALO обсуждаются в (Галушкин, 2007; Galushkin, 2016). Применение пакетов программ ГАЛО и ICE2020 позволило реконструировать термическую историю осадочной толщи бассейна с учетом указанных выше нестандартных факторов (рис. 2). Существенно, что эта история согласуется с вариациями тектонического погружения бассейна (рис. 4), с наблюдаемым разрезом бассейна (рис. 2; табл. 1) и со значениями температур и ОСВ, измеренными в современном осадочном разрезе ЗСБ в районе скв. СГ-6 (кривые 1 на рис. 3а, 3б).

Рис. 3.

Распределение температуры (а) и ОСВ (б) с глубиной в современном разрезе ЗСБ в районе скв. СГ-6. Кривые 1 – значения, рассчитанные с учетом внедрения силла в ранней юре, разуплотнения пород нижних горизонтов осадочного покрова и кровли фундамента, гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене и резких колебаний климата в плиоцен-четвертичное время. Кривая 2 на рис. а – расчеты без эффекта разуплотнения. Кривая 2 на рис. б – расчеты без теплового эффекта гидротермальной активности. Кривая 3 на рис. а – распределение температур, вычисленное без эффекта разуплотнения пород, без гидротермальной активности и без учета резких вариаций климата в плиоцен-четвертичное время. Кривая 3 на рис. б – распределение ОСВ, вычисленное без учета теплового эффекта от внедрения силла в ранней юре и гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене. Символы – значения температур и ОСВ, измеренные в современном разрезе скв. СГ-6 и опубликованные в работах (Фомин и др., 2001; Беляева, 2005; Белоконь-Карасева и др., 2006; Мясникова, Оксенойд, 2012; Кравченко, 2012; Богоявленский и др., 2013).

Рис. 4.

Вариации в тектоническом погружении бассейна в районе скв. СГ-6. 1 (сплошная линия) – тектоническое погружение поверхности фундамента, вычисленное путем удаления нагрузки воды и осадков с поверхности фундамента; 2 – тектоническое погружение поверхности фундамента, вычисленное путем учета вариаций в распределении плотности пород фундамента с глубиной; 3 – изменение мощности осадочного чехла; 4 – палеоглубина моря.

Термическая история осадочной толщи и литосферы ЗСБ в районе скв. СГ-6, представленная на рис. 2а, 2б, включала еще ряд событий, помимо отмеченных выше, оказавших заметное влияние на историю созревания ОВ и реализацию УВ потенциала бассейна. К таким событиям относятся интенсивное остывание и растяжение литосферы в начальный рифтогенный этап развития бассейна и две тепловых активизации литосферы, одна из которых замедляла остывание бассейна в позднем триасе, а вторая объясняла 300 метровую эрозию осадочного чехла в неогене (рис. 2а). Продолжительность и амплитуда указанных событий оценивались из анализа временных вариаций амплитуд тектонического погружения бассейна (рис. 4; Galushkin, 2016). Помимо этого в модели рассматривались также два кратковременных тепловых импульса, один из которых был связан с внедрением силла в ранней юре, а другой – с гидротермальной активностью в позднем плиоцене-раннем плейстоцене. Оба этих импульса не имели влияния на кривую тектонического погружения бассейна, но они объясняли характерные изменения ОСВ с глубиной в современном разрезе бассейна. Продолжительность и амплитуда этих импульсов оценивались из условия близости рассчитанного распределения ОСВ их измеренным значениям (рис. 3б).

Существенно, что в модели термической истории бассейна на рис. 2 значения ОСВ вычислялись с использованием нового модифицированного спектра созревания витринита EASY%RoDL из работ (Burnham, 2017; Burnham et al., 2017). Предыдущий спектр EASY%Ro (Sweeney, Burnham, 1990) долгое время широко использовался для оценки степени созревания ОВ, но недавние исследования показали, что этот алгоритм может завышать значения %Ro на 0.1–0.15% в пределах “окна” генерации нефти при моделировании нефтеносных бассейнов. Поэтому, в работе (Nielsen et al., 2015) была предложена скорректированная кинетическая модель созревания витринита BASIN%Ro. Она лучше соответствовала данным, наблюдаемым в нефтегазоносных бассейнах мира, но плохо описывала результаты экспериментальных исследований преобразования витринита. В 2017 г. был предложен новый кинетический спектр созревания витринита EASY%RoDL, который хорошо описывал как геологические, так и экспериментальные данные (Burnham, 2017). Энергии активации в этом спектре смещены в сторону более высоких значений по сравнению с моделью EASY%Ro, а частотный фактор реакций увеличен до значения 2 × 10¹⁴ 1/с, вместо 1 × 10¹³ 1/с в прежней модели. Как результат, новый спектр демонстрирует более медленное созревание витринита в пределах “нефтяного окна”, чем в модели EASY%Ro.

Расчет генерации УВ породами материнских свит, рассматриваемый в следующем разделе, проводится с использованием программного пакета SED3-35, являющегося частью системы моделирования бассейнов ГАЛО. Пакет SED3-35 позволяет рассчитывать генерацию отдельных фракций УВ в 3-х (нефть, газ, кокс), 4-х ((тяжелая и легкая нефть, газ и кокс) и 5-ти (тяжелая и легкая нефть, жирный и сухой газ и кокс) компонентных системах, если известны температурная история свиты и кинетический спектр генерации УВ. Помимо температурной истории материнских свит, представленной на рис. 2а, для расчета генерации различных фракций УВ требуются кинетические спектры керогенов, т.е. параметры реакций, управляющих процессами созревания керогенов (энергии активации Ei, частотные факторы Ai и исходные потенциалы реакций Xio). В наших расчетах керогены ОВ материнских пород изучаемого района представлялись смесью стандартного керогена типа II (исходный потенциал HI = = 377 или 611 мг УВ/г С_орг) и стандартного керогена типа III (исходный потенциал HI = 160 мг УВ/г С_орг) (см. следующий раздел). Следовательно, предполагалось, что доля первого керогена в смеси, равная, скажем, β, преобразовывалась по спектру стандартного керогена типа II, а второго с долей в смеси (1 – β) преобразуется по спектру стандартного керогена типа III. При этом исходный потенциал генерации УВ породами рассматриваемой материнской свиты, HI, связан с исходными потенциалами HI₁ и HI₂ керогенов смеси соотношением: HI = [β × HI₁ + (1 – β) × HI₂]. В наших расчетах использовались 4-х компонентные кинетические спектры генерации УВ (тяжелая и легкая нефть, газ и кокс) для стандартных керогенов типа II и III, разработанные во Французском институте нефти (см. Приложение). 4-х компонентные спектры генерации УВ отличаются более детальным описанием процессов вторичного крекинга УВ по сравнению со стандартными 3-х и 5-ти компонентными. Выбор кинетических спектров для описания крекинга керогена материнских пород является неоднозначной задачей, поэтому история генерации УВ, рассматриваемая в данной статье, представляет лишь один из вероятных вариантов истории реализации нефтегазоматеринского потенциала бассейна. Основой выбранного варианта служат предполагаемые конкретные кинетические спектры крекинга керогенов и конкретная температурная история погружающихся материнских свит бассейна (рис. 2а).

ИСТОРИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГЕНЕРАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ОСНОВНЫХ НЕФТЕГАЗОМАТЕРИНСКИХ СВИТ БАССЕЙНА

Нефтегазоматеринские породы зафиксированы в широком интервале глубин осадочного разреза Колтогор-Уренгойского грабена в районе сверхглубоких скважин СГ-6 и СГ-7. В триас-ранне-среднеюрских отложениях доминируют породы с повышенным газовым генерационным потенциалом. От баженовской свиты до юрских и триасовых осадочных отложений и далее в базальтовых толщах зафиксирована периодическая, пульсационная обогащенность отложений УВ-газами. В этих районах впервые для севера Западной Сибири по результатам испытаний в условиях высоких температур и аномальных давлений получены притоки газа с глубины более 5 и даже 6 км (Белоконь-Карасева и др., 2006). Представляет интерес численно оценить степень реализации потенциала генерации УВ основными нефтегазоматеринскими свитами (НГМС) в нашей модели термической эволюции бассейна. Для решения этой задачи необходимо, во-первых, знать историю изменения температуры в процессе погружения материнских свит и, во-вторых, знать кинетический спектр керогена материнских пород, то есть параметры кинетических реакций, описывающих процессы первичного и вторичного крекинга керогена. Численная реконструкция термической истории бассейна представлена на рис. 2. Кинетические спектры генерации УВ для керогена материнских пород строились на основании известных 4-х компонентных спектров для генерации УВ керогенами 1-ого, II-ого и III-его типов, опубликованных в базах данных пакетов MATOIL, TEMISPACK и других. При этом доли спектров подбираются так, чтобы состав смеси керогенов и ее полный исходный потенциал не противоречили оценкам типа керогена и значениям его исходного потенциала, приведенным в литературе для рассматриваемой материнской породы.

Пурская свита. Она представлена толщей аргиллитов, глинистых алевролитов и глинистых песчаников среднего триаса на глубине от 6012 до 6191 м. В ней доминирует гумусовое ОВ со средним содержанием С_орг = 1.75% (Белоконь-Карасева и др., 2006). Генерация УВ породами пурской свиты описывается в нашей модели стандартным четырехкомпонентным кинетическим спектром генерации УВ керогеном типа III с исходным потенциалом HI = 160 мг УВ/г С_орг. Температурная история этой свиты и изменение зрелости ее ОВ показаны на рис. 5а, 5б кривыми 1. Можно видеть, что внедрение силла 181 млн лет назад в приповерхностные слои фундамента привело к повышению температуры пород пурской свиты до 174°С (рис. 5а) и скачкообразному увеличению степени созревания ОВ от значений ОСВ R_o = 0.37 до 1.07% (рис. 5б). Соответственно, реализация потенциала генерации УВ выросла от низких значений менее 0.1 мг УВ/г С_орг до внедрения силла до 74 мг УВ/г С_орг после его внедрения. При прохождении тепловой волны, вызванной внедрением силла в приповерхностные слои фундамента, концентрация тяжелой нефти сначала увеличилась до 21.5 мг УВ/г С_орг, а затем при высоких температурах под влиянием реакций вторичного крекинга уменьшилась до 4.5 мг УВ/г С_орг (кривая 2 на рис. 6а). В то же время генерация легкой нефти и газа под влиянием той же тепловой волны достигла 29.5 и 21.5 мг УВ/г С_орг, соответственно (кривые 3 и 4 на рис. 6а). При дальнейшем погружении свиты (рис. 2) степень созревания ее ОВ плавно возрастала до R_o = 1.5%, и вместе с ней росла и реализация потенциала генерации УВ (кривые 1 на рис. 5б и 6а).

Рис. 5.

Изменение температуры (а) и ОСВ (б) в истории погружения подошвы и кровли пурской (1), тогурской (2, 3), тюменской (4, 5) и баженовской (6) свит осадочного разреза скв. СГ-6.

Рис. 6.

Генерация различных фракций УВ в истории погружения пурской свиты (а) и пород в подошве (б) и кровле (в) тогурской свиты.

Новые резкие изменения зрелости ОВ и генерации УВ в тепловой истории рис. 2 должны были наблюдаться в период гидротермальной активности бассейна в позднем плиоцене-раннем плейстоцене. Тепловое влияние гидротермальной активности, охватывающей в период с 2.2 по 0.7 млн лет назад три нижних осадочных слоя (перми, раннего и среднего триаса), позволяло совместить рассчитанные значения ОСВ со значениями, измеренными в слоях позднего триаса и юры (сравни кривые 1 и 2 на рис. 4б). Гидротермальный теплоперенос в нижних слоях осадочного покрова привел к повышению температуры пород пурской свиты до 220°С (рис. 5б) и увеличил степень созревания ОВ до R_o = 2.44% (рис. 5б). Соответственно, реализация потенциала генерации УВ выросла до 134 мг УВ/г С_орг. При этом тяжелая нефть почти полностью разложилась в результате вторичного крекинга (кривая 2 на рис. 6а). Генерация легкой нефти, достигнув максимума около 38.3 мг УВ/г С_орг в эоцене, почти не менялась до начала плейстоцена (кривая 3 на рис. 6а). Примерно 1.6 млн лет назад тепловой импульс от гидротермальной активности в нижних слоях осадочного покрова достиг пурской свиты и начался резкий рост активности высокотемпературных реакций вторичного крекинга, вызвавший сокращение концентрации легкой нефти до современного значения около 0.88 мг УВ/г С_орг (кривая 3 на рис. 6а). Концентрация газовых УВ за тот же период времени увеличилась от 40 до 82 мг УВ/г С_орг (кривая 4 на рис. 6а). Хотя значения С_орг не влияют на результаты наших расчетов выхода различных фракций УВ на рис. 6 и 7, однако интересно оценить, насколько различаются значения исходного и современного С_орг для реконструированной нами термической истории материнской породы и предполагаемого кинетического спектра созревания керогена. Для этого воспользуемся алгоритмом, описанным, например, в работе (Галушкин, Котик, 2023). Оценки показывают, что при среднем содержании С_орг = 1.75% для пород пурской свиты (Белоконь-Карасева и др., 2006) исходное содержание ОВ составляет 2.02%. При относительно низком исходном потенциале генерации УВ такого содержания ОВ в породах свиты было не достаточно для заполнения 20% порового пространства жидкими УВ, а значит, и для достижения порога эмиграции жидких УВ по критерию, предложенному в (Espitalie et al., 1988). Что касается газовых УВ, то их миграция из матрицы материнских пород вполне вероятна.

Рис. 7.

Генерация различных фракций УВ в истории погружения пород в подошве (а) и кровле (б) тюменской свиты и баженовской свиты (в).

Тогурская свита. Тогурская НГМС представлена аргиллитами и глинистыми алевролитами ранней юры на глубинах от 5048 до 5425 м. В породах этой свиты доминирует гумусовое ОВ со средним содержанием С_орг = 1.09%, хотя в отдельных прослоях оно может повышаться до 7.1% (Белоконь-Карасева и др., 2006). В наших расчетах ОВ пород тогурской свиты представлялось смесью 30% стандартного керогена типа II с исходным потенциалом HI = 377 мг УВ/г С_орг и 70% стандартного керогена типа III, так что полный исходный потенциал смеси HI = 225.1 мг УВ/г С_орг. Кинетический спектр, описывающий процесс генерации УВ этой смеси керогенов, определялся как сумма стандартных четырехкомпонентных спектров соответствующих типов керогенов в указанных выше долях. Температурная история пород в основании и кровле этой свиты, а также изменение зрелости их ОВ, представлены кривыми 2 и 3 на рис. 5а и 5б. Внедрение силла 181 млн лет назад в приповерхностные слои фундамента привело к повышению температуры пород в основании тогурской свиты до 105°С (кривая 2 на рис. 5а) и увеличению степени созревания ОВ до значения ОСВ R_o = 0.46%, близкого к началу формального окна генерации нефти (кривая 2 на рис. 5б). То же событие практически не отразилось на температурной (T(t)) и катагенерической (R_o(t)) истории пород в кровле тогурской свиты (кривые 3 на рис. 5а и 5б). Внедрение силла 181 млн лет назад не нашло отражение и в истории генерации УВ породами свиты (рис. 6б, 6в). Расчеты показывают, что генерация тяжелой нефти в породах основания свиты достигла максимума в альбе и на 20 млн лет позже в породах кровли свиты (кривые 2 на рис. 6б, 6в). Погружение свиты в позднем мелу сопровождалось деградацией тяжелой нефти в результате ее вторичного крекинга при непрерывном росте генерации легкой нефти и газа (кривые 2–4 на рис. 6б, 6в). При низком среднем содержании ОВ в породах тогурской свиты генерация ими жидких УВ была не достаточна для заполнения 20% порового пространства жидкими УВ, поэтому порог первичной эмиграции жидких УВ по критерию (Espitalie et al., 1988) здесь не достигался. Поэтому основной объем фракции тяжелой нефти жидких УВ, генерированный в породах свиты, оставался в матрице пород. Согласно расчетам он полностью деградировал к настоящему времени, и концентрация тяжелой нефти в современных породах подошвы и кровли свиты составляла 0.00765 и 0.165 мг УВ/г С_орг, соответственно (кривые 2 на рис. 6б, 6в).

Гидротермальный теплоперенос в нижних слоях осадочного покрова в позднем плиоцене-раннем плейстоцене вызвал повышение температуры в породах основания и кровли тогурской свиты до 200 и 185°С и увеличение степени созревания ОВ до 1.80 и 1.40% (%R_o), соответственно (рис. 5а и 5б). Реализация потенциала генерации УВ выросла при этом до значений 193 и 180 мг УВ/г С_орг (кривые 1 на рис. 6б, 6в). Тяжелая нефть, как отмечалось выше, почти полностью разложилась. Генерация легкой нефти достигла максимума около 72 мг УВ/г С_орг, причем в подошве свиты это событие имело место около 1.25 млн лет назад, а в ее кровле – около 0.75 млн лет назад. Затем эта нефть частично деградировала из-за реакций вторичного крекинга и в настоящее время ее концентрация по расчетам составляет 51.9 и 71.4 мг УВ/г С_орг (кривые 3 на рис. 6б, 6в). Концентрация газовых УВ увеличилась за время гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене от 47.7 до 77.5 мг УВ/г С_орг в породах подошвы и от 39.4 до 56.3 мг УВ/г С_орг в породах кровли свиты (кривые 4 на рис. 6б, 6в). Заканчивая рассмотрение тогурской свиты отметим, что при среднем содержании С_орг = 1.09% (Белоконь-Карасева и др., 2006) исходное содержание ОВ по оценкам должно было составлять 1.36 и 1.34% для пород в основании и кровле свиты. Такие значения оказались не достаточными для достижения порога эмиграции жидких УВ, упомянутого выше.

Тюменская свита. Тюменская НГМС выполнена глинистыми породами средней юры на глубинах от 4305 до 4705 м. В породах свиты также доминирует гумусовое ОВ со средним содержанием С_орг ≈ 2.00% (Белоконь-Карасева и др., 2006; Конторович и др., 2002). Состав ОВ пород тюменской свиты предполагался аналогичным составу ОВ тогурской свиты, то есть кероген представлялся смесью 30% стандартного керогена типа II с исходным потенциалом HI = 377 мг УВ/г С_орг и 70% стандартного керогена типа III, так что полный исходный потенциал смеси HI = 225.1 мг УВ/г С_орг. Температурная история пород в основании и кровле тюменской свиты вместе с изменением зрелости их ОВ показаны кривыми 4 и 5 на рис. 5а, 5б.

Согласно расчетам температура пород в основании свиты достигала максимума около 132°С в среднем палеоцене, затем снижалась до 103°С около 2 млн лет назад, потом снова поднималась до 174°С около 700 тысяч лет назад под влиянием гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене и опустилась до 138°С в настоящее время (кривая 4 на рис. 5а). ОСВ для пород основания свиты возрастала до 0.853% около 2 млн лет назад и затем до значения 1.11% в настоящее время (кривая 4 на рис. 5б). Соответственно, реализация УВ потенциала после постепенного роста до 122 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад резко увеличилась до 161 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 1 на рис. 7а). Расчеты показывают, что генерация тяжелой нефти в породах основания свиты достигла максимума в 51 мг УВ/г С_орг в маастрихте, затем уменьшалась до 34 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад и деградировала до 2.8 мг УВ/г С_орг в настоящее время из-за активности реакций вторичного крекинга (кривая 2 на рис.7а). Концентрация легкой нефти постепенно росла до 39 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад и затем быстро увеличилась до 67.5 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 3 на рис. 7а). Последнее увеличение обязано как реакциям первичного крекинга керогена, так и вторичному крекингу тяжелой нефти при высоких температурах во время гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене. Генерация газообразных УВ постепенно росла до 25.5 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад и скачком увеличилась до 45.3 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 4 на рис. 7а).

Для пород кровли тюменской свиты характерна менее напряженная история изменения температуры пород и зрелости их ОВ. По мере погружения породы температура росла до 125°С в среднем палеоцене. затем плавно снижалась до 94°С около 2 млн лет назад, резко увеличилась до 159°С около 660 тысяч лет назад под влиянием гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене и опустилась до 129°С в настоящее время (кривая 5 на рис. 5а). Степень созревания ОВ пород кровли свиты постепенно росла до 0.73% около 2 млн лет назад, а затем быстро увеличилась до 0.86% в настоящее время (кривая 5 на рис. 5б). Соответственно, реализация УВ потенциала после постепенного роста до 85 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад резко возросла до 124 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 1 на рис. 7б). Генерация тяжелой нефти в породах кровли тюменской свиты постепенно увеличивалась до 50 мг УВ/г С_орг до палеоцена и почти не менялась до плейстоцена. Во время гидротермальной активности около 900 тысяч лет назад она достигла максимума (51.2мг УВ/г С_орг) и частично деградировала до 43.2 мг УВ/г С_орг в настоящее время из-за активности реакций вторичного крекинга (кривая 2 на рис.7б). Генерация легкой нефти постепенно росла до 16.1 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад и затем скачком увеличилась до 35.8 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 3 на рис. 7б). Генерация газообразных УВ плавно увеличивалась до 11.5 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад и затем скачком росла до 24 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 4 на рис. 7б).

При среднем содержании С_орг = 2% в породах тогурской свиты (Белоконь-Карасева и др., 2006) исходное содержание ОВ по оценкам должно было составлять 2.38 и 2.28% для пород в основании и кровле свиты. Как и для тогурской свиты, такие значения исходного С_орг оказались не достаточными для достижения порога первичной эмиграции жидких УВ из матрицы пород тюменской свиты по критерию (Espitalie et al., 1988), и генерированные жидкие УВ должны бы остаться в пределах матрицы материнских пород.

Баженовская свита – самая известная из НГМС юры. В скв. Тюменская СГ-6 она представлена преимущественно аргиллитами позднеюрского возраста на глубинах от 3782 до 3844 м (рис. 2). Породы содержат в основном аквагенный тип ОВ. Его содержание (С_орг) колеблется от 1.68 до 9.83%. Относительно высокие значения водородного индекса HI (HI = 200–590 мг УВ/г С_орг) свидетельствуют о сохранении высокого нефтегенерационного потенциала отложений, что характерно как для изучаемой площади, так и почти для всей территории Западной Сибири (Богоявленский и др., 2013). ОВ пород баженовской свиты в наших расчетах представлено смесью 70% стандартного морского керогена типа II с исходным потенциалом HI = 611 мг УВ/г С_орг и 30% стандартного керогена типа III, так что полный исходный потенциал смеси HI = 476 мг УВ/г С_орг. Как и выше, кинетический спектр, описывающий процесс генерации УВ такой смесью керогенов, определялся как сумма стандартных четырехкомпонентных спектров соответствующих типов керогенов со своими энергиями активации, своим частотным фактором и с исходными потенциалами реакций, нормированными на долю данного керогена в смеси. Кривые 6 на рис. 5а и 5б представляют численные реконструкции температурной и катагенической истории пород баженовской свиты в осадочном разрезе скв. Тюменская СГ-6. Согласно рис. 5а температура пород в процессе погружения баженовской свиты постепенно увеличивается до 115°С в палеоцене, затем плавно снижается до 84°С около 2 млн лет назад, снова растет до 142°С около 760 тысяч лет назад под влиянием гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене и опускается до 117°С в настоящее время (кривая 6 на рис. 5а). Степень преобразования ОВ пород свиты постепенно растет до 0.64% около 2 млн лет назад и потом скачком до 0.68% в настоящее время (кривая 6 на рис. 5б). Реализация УВ потенциала после постепенного роста до 154 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад быстро увеличивается до 202 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 1 на рис. 7в). Генерация тяжелой нефти в породах баженовской свиты постепенно росла до 118 мг УВ/г С_орг до плейстоцена и достигла максимума (148 мг УВ/г С_орг) в настоящее время (кривая 2 на рис.7в). Генерация легкой нефти также постепенно увеличивалась до 19.1 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад и затем скачком до 27.2 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 3 на рис. 7в). И, наконец, генерация газообразных УВ плавно растет, достигая значения 14 мг УВ/г С_орг около 2 млн лет назад, и скачком увеличивается до 20 мг УВ/г С_орг к настоящему времени (кривая 4 на рис. 7в). Верхнеюрские аргиллиты баженовской свиты (интервал 3783–3844 м) содержат высокие концентрации ОВ (2.6–12.6%, в среднем 5.1%; Конторович и др., 2002). При среднем современном содержании С_орг = 5.1% в породах баженовской свиты исходное содержание ОВ по оценкам должно было составлять 6.39%. Относительно высокие значения С_орг и исходного потенциала генерации УВ (HI = = 476 мг УВ/г С_орг) были достаточны для достижения порога первичной миграции жидких УВ из матрицы пород баженовской свиты, определяемого по заполнению 20% порового пространства жидкими УВ (Espitalie et al., 1988). Согласно расчетам этот порог достигается на границе мела и кайнозоя (около 65 млн лет назад), когда зрелость ОВ достигла значения 0.6% R_o (кривая 6 на рис. 5б).

ОБСУЖДЕНИЕ

Термическая история литосферы Колтогорско-Уренгойского грабена в районе скв. СГ-6, представленная на рис. 2, использовалась в данной статье для расчета генерации УВ породами материнских свит бассейна. Эта история отличается от предшествующей реконструкции термической истории бассейна в (Галушкин и др., 1996) и от реконструкций, предложенных в работах (Конторович и др., 2013; Добрецов и др., 2013). Последние были получены в рамках традиционной системы моделирования бассейнов TEMIS с подбором теплового потока в основании осадочной толщи. Основное отличие модели термического развития бассейна, представленной на рис. 2, от предшествующих касается предположений о внедрении силла в приповерхностные слои фундамента в ранней юре и о гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене. Предположения основаны на детальном анализе изменения ОСВ в породах юры и триаса. Оба события оказали заметное влияние на историю реализации УВ потенциала НГМ пород триаса и юры. Так, внедрение силла в ранней юре привело к выходу пород пурской свиты из “окна генерации нефти” (0.5 ⋜ R_o ⋜ 1.30%), достижению ими высокой степени катагенеза (1.5%), и почти полной деградации генерированной тяжелой нефти (рис. 6а). Потенциал генерации УВ был реализован при этом почти наполовину (кривая 1 на рис. 6а) и генерированные УВ представлены легкой нефтью и газом (кривые 3 и 4 на рис. 6а).

Влияние теплового импульса от ранне-юрского силла почти не затронуло генерационную историю юрских отложений (кривые 2–6 на рис. 5б; рис. 6б, 6в и 7а, 7б, 7в), в то время как второй импульс тепла, который в нашей модели связан с гидротермальной активностью в нижних горизонтах осадочного покрова в течение позднего плиоцена-раннего плейстоцена, отразился на реализации УВ потенциала НГМ пород как триаса, так и юры (рис. 5, 6, 7). Для пурской свиты триаса он привел к скачкообразному увеличению реализации потенциала генерации УВ с 47 до 84%, деградации более 97% массы легкой нефти, генерированной в матрице пород свиты и удвоению генерированной массы газа (рис. 6а). Дополнительный перенос тепла гидротермами в раннем плиоцене-позднем плейстоцене привел к увеличению реализации потенциала генерации УВ на 17 и 24% в НГМ породах подошвы и кровли тогурской свиты, соответственно (кривые 1 на рис. 6б, 6в). При этом концентрация легкой нефти, достигнув максимума около 72 мг УВ/г С_орг, сократилась на 39% в подошве и менее чем на 1% в кровле свиты (кривые 3 на рис. 6б, 6в). За то же время концентрация газовых УВ, генерируемых НГМ породами подошвы и кровли тогурской свиты, увеличилась на 62 и 43% соответственно.

В породах кровли и подошвы тюменской свиты эта гидротермальная активность увеличила реализацию УВ потенциала на 32 и 46% соответственно (кривые 1 на рис. 7а, 7б). При этом концентрация легкой нефти возросла почти в два раза (кривые 3 на рис. 7а, 7б) во многом за счет деградации тяжелой нефти. Последняя почти полностью деградировала в породах подошвы свиты и сократила свою массу почти на 20% в ее кровле (кривые 2 на рис. 7а, 7б). Концентрация газовых УВ, генерируемых породами подошвы и кровли тюменской свиты, увеличилась за то же время на 78 и 109%, соответственно (кривые 4 на рис. 7а, 7б).

В НГМ породах баженовской свиты тепловой импульс от гидротермальной активности в позднем плиоцене-раннем плейстоцене увеличил реализацию УВ потенциала на 31% (кривая 1 на рис. 7в), генерацию тяжелой нефти на 25% (кривая 2 на рис. 7в), генерацию легкой нефти на 42% (кривая 3 на рис. 7в) и генерацию газа на 43% (кривая 4 на рис. 7в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для расчетов генерации УВ материнскими породами триаса и юры использована термическая модель развития ЗСБ в районе скв. СГ-6, основанная на анализе вариаций тектонического погружения бассейна и согласии вычисленного и наблюдаемого осадочного разреза бассейна, а также вычисленных и наблюдаемых значений температур и ОСВ. Модель предполагает, что внедрение силла в приповерхностные слои фундамента в ранней юре и гидротермальная активность в нижних горизонтах осадочного покрова в позднем плиоцене-раннем плейстоцене оказали заметное влияние на историю реализации потенциала генерации УВ этих пород. Тяжелая нефть, генерированная породами пурской, тогурской и нижних горизонтов тюменской свит, деградировала почти полностью в результате вторичного крекинга (рис. 6, 7а). В породах баженовской и кровли тюменской свит тяжелая нефть преобладает среди генерируемых фракций УВ (рис. 7б, 7в). Согласно расчетам, к настоящему времени легкая нефть, не покинувшая матрицы материнских пород, полностью деградировала в породах триаса (рис. 6а), составляет заметную долю продуктов генерации УВ в породах подошвы тогурской свиты (рис. 6б) и кровле тюменской (рис. 7б) и преобладает в породах кровли тогурской (рис. 6в) и основания тюменской (рис. 7а) свит. Газовые УВ составляют заметную часть продуктов генерации УВ в тогурской и тюменской свитах и доминируют в пурской свите.

При относительно низких значениях С_орг и исходного потенциала генерации УВ генерации жидких УВ породами пурской, тогурской и тюменской свит было не достаточно для заполнения 20% порового пространства жидкими УВ, а значит, и для достижения порога эмиграции жидких УВ по критерию, предложенному в (Espitalie et al., 1988). Следовательно, вполне вероятно, что генерированные жидкие УВ не покидали матрицы этих пород и могли заметно деградировать в процессе вторичного крекинга. Что касается газовых УВ, то их миграция из матрицы материнских вполне вероятна. Для пород баженовской свиты с богатым исходным потенциалом генерации УВ и высоким С_орг порог первичной миграции жидких УВ достигался, по оценкам, около 65 млн лет назад и генерированные УВ, мигрировавшие в сторону ловушек, могли принимать участие в формировании месторождений жидких УВ.

В заключении отметим еще раз, что реконструкция термической истории бассейна и выбор кинетических спектров для описания крекинга керогена материнских пород являются сложными и неоднозначными задачами, которые будут уточняться по мере поступления новых данных. Поэтому история генерации УВ, представленная в данной статье и опирающаяся на предполагаемые кинетические спектры крекинга керогенов и температурную историю погружающихся материнских свит бассейна на рис. 2а, можно рассматривать лишь как один из вероятных вариантов истории реализации нефтегазоматеринского потенциала бассейна.

Автор искренне благодарен научному редактору журнала “Геохимия” В.С. Севостьянову и своим рецензентам, замечания которых способствовали заметному улучшению содержания статьи.

ПРИЛОЖЕНИЕ: КИНЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ КРЕКИНГА КЕРОГЕНОВ

Как отмечалось, кинетический спектр крекинга керогена конкретной материнской свиты строился на основе 4-х компонентных спектров трех стандартных типов керогена, взятых из базы данных TemisSuite 2008: морского керогена типа II с исходным потенциалом генерации HI = 611 мг УВ/г С_орг (Menil-2002), керогена типа II, но с более бедным исходным потенциалом HI = 377 мг УВ/г С_орг и континентального керогена типа III с HI = = 160 мг УВ/г С_орг (Mahakam III). Кинетические спектры для крекинга этих типов керогенов в рамках 4-х фракционной модели разработаны во Французском Институте Нефти и применяются в широко распространенном пакете моделирования MATOII. Эти спектры приведены в табл. 2 и 3. Отметим, что параметры реакций вторичного крекинга тяжелой и легкой нефти одинаковы для II-ого и III-его типов керогена. 4-х фракционный кинетический спектр крекинга керогена типа II с бедным исходным потенциалом HI = 377 мгУВ/г ТОС был аналогичным спектру в табл. 2, но с нормировкой исходных потенциалов реакций первичного крекинга на суммарный потенциал 377 мг УВ/г С_орг.