Применение литолого-геохимического подхода для определения генезиса каверновых коллекторов доломитового резервуара (нижний девон, Гыданский полуостров)

Введение

Восстановление истории вторичных преобразований, а также определение условий и последовательности этих преобразований являются важными вопросами при изучении карбонатных коллекторов, так как постседиментационные события (во время диагенеза, катагенеза, а также гидротермальных и метасоматических преобразований) способны в значительной степени изменять пустотное пространство карбонатных пород. В значительной степени реконструкция условий вторичных преобразований основывается на полевых наблюдениях, при этом играют значительную роль такие характеристики, как распределение вторичных изменений снизу вверх по разрезу и по латерали, приуроченность к трещинам и разломам, горизонтам стратиграфических несогласий и интрузивным телам. При работе с керном глубоких скважин многие площадные характеристики вторичных процессов оказываются недоступными или ограничено доступными, и в значительной степени приходится опираться на литологические характеристики пород, представленные в ограниченном керновом материале. Тем не менее, как показано, в частности, в (Machel, 2004), одинаковые по составу и облику карбонатные минералы могут кристаллизоваться в различных обстановках, при этом образовывая различные формы тел. Например, доломит может кристаллизоваться как на этапе раннего (морского диагенеза), так и в процессе погружения на любых глубинах, и при гидротермальной проработке известнякового разреза (Machel, 2004). При этом, форма доломитовых тел будет в значительной степени предопределяться в первом случае седиментационной средой и морфологией крупных карбонатных осадочных тел (рифов, карбонатных платформ), во втором – характеристикой флюида и его источником, а в третьем – близостью к разломам и трещинам.

Привлечение дополнительных прецизионных аналитических методов может играть важную роль при реконструкции условий вторичных преобразований карбонатных коллекторов. В научной литературе при проведении исследований карбонатных пород выработалось несколько подходов: детальный анализ седиментологии разреза, изучение шлифов, данные изотопно-геохимических и термобарометрических исследований. Такой комплексный подход успешно применяется рядом авторов для изучения как традиционных карбонатных коллекторов (например, Fu et al., 2006; Bai et al., 2020), так и низкопроницаемых пород (Yurchenko et al., 2021). К настоящему времени подходы к интерпретации подобных исследований уже многократно апробированы (например, Zheng et al., 2019; Koeshidayatullah et al., 2020; Breislin et al., 2022; Liang et al., 2022), что делает возможным уверенную интерпретацию собственных данных при сравнении с имеющимися моделями.

Объектом настоящего исследования являются доломиты эмсского яруса (нижний девон), вскрытые одной из скважин в пределах восточного побережья Гыданского полуострова (рис. 1). Интерес к данному региону определяется его доказанным нефте- и газоносным потенциалом (Букатова и др., 2022; Зинченко и др., 2022), преимущественно сосредоточенным в породах мощного палеозойского карбонатного комплекса. Доломиты эмсского возраста отобраны на глубине более 2500 м. Они неравномерно кавернозные и трещиноватые (рис. 2) и характеризуются сложной структурой пустотного пространства. Для каверн существует две главные модели образования: 1) частичное растворение пород в условиях поверхностного и приповерхностного карста; 2) проработка пород гидротермальными растворами. Первый тип каверн связан с поверхностями перерыва (Ahr, 2008; Moor, Wade, 2013; Dan et al., 2018; Zhou et al., 2022), в то время как второй тип каверн локализуется вблизи тектонических нарушений (Davies, Smith, 2006; Dristas et al., 2017; Вилесов, Чертина, 2020), поэтому восстановление процессов, влияющих на образование каверн, может нести важную информацию при построении геологической модели кавернозного карбонатного резервуара и прогнозе латерального распространения коллектора. Целью данной работы являлась реконструкция истории вторичных преобразований и формирования трещинно-кавернового карбонатного коллектора с использованием комплексного подхода на примере эмсских отложений нижнего девона одной из скважин, пробуренных в пределах Гыданского полуострова.

Геологическое строение изучаемой территории

Регион исследований располагается в северо-западной части Красноярского края, на левом берегу Енисейского залива (рис. 1). Тектонически регион расположен в зоне сочленения Западно-Сибирского мегабассейна, складчатой системы Таймыра и Енисей-Хатангского прогиба. Залегание изучаемого палеозойского комплекса осложнено рядом разрывных нарушений позднепалеозойского и позднетриасового возраста, а также интрузивными образованиями раннетриасового траппового магматизма (Перетолчин и др., 2022).

В строении разреза палеозойского комплекса региона участвуют породы ордовикского, силурийского, девонского и каменноугольного возраста преимущественно карбонатного состава; породы в разной степени трещиноватые (Вилесов и др., 2022). В настоящее время разрез палеозоя вскрыт бурением до среднего ордовика (Букатова и др., 2022). Вышележащие мезозойские отложения по составу вулканогенные, вулканогенно-осадочные и глинисто-терригенные. Эмсский ярус нижнего девона вскрыт в интервале глубин ~ 2700–2800 м. В этом интервале в первой поисковой скважине выполнен один отбор керна (9 м) с целью характеристики вещественного состава разреза и получения информации о нефтематеринских породах и породах-коллекторах. Породы в интервале отбора представлены вторичными темно-серыми тонко-, среднекристаллическими доломитами, с системой тектонических трещин и крупных каверн, связанных трещинами. В породах сохранились остатки морской фауны – строматопороидей и кораллов. Седиментация происходила в пределах открытой сублиторали со слабой придонной гидродинамикой (Вилесов и др., 2022) и накоплением карбонатного ила.

Материалы и методы исследований

Материалом для работы послужили описания и фотографии керна кавернозных доломитов (~10 м), а также 18 образцов, отобранных из данного разреза на разные виды аналитических исследований. В рамках настоящей работы были использованы результаты петрографических, катодолюминесцентных, изотопно-геохимических и термобарометрических исследований. Описание структур и текстур вторичных доломитов приведено согласно классификациям Сибли и Грегга (Sibley, Gregg, 1987) и Фолка (Folk, 1962). Для анализа последовательности постседиментационных изменений использовался стадиальный анализ (Япаскурт, 1995; Flugel, 2004). Описания типов пустот приведено в соответствии с классификацией (Choquette, Pray, 1970). Для реконструкции процессов формирования каверн и их частичного заполнения из образцов микродрилом были выделены пробы на изотопные и геохимические исследования из вмещающих пород и доломитов, инкрустирующих стенки каверн и трещин. Изотопные исследования (10 проб из вмещающих пород и 8 проб из каверновых и трещинных доломитов) проводились на изотопном масс-спектрометре Delta V Plus (Thermo Fisher Scientific, Германия) в лаборатории изотопного и элементного анализа Казанского федерального университета. Геохимические исследования проводились после растворения в HCl и HNO3 и выделения нерастворимого остатка для исключения его влияния на результаты анализов. Геохимические анализы (5 проб из вмещающих доломитов и 5 проб из трещин) были выполнены на спектрометрах Perkin Elmer ICP-AES Optima 8000 DV и NexION 300S (Perkin Elmer) в Институте геологии и геохимии им. ак. А.Н. Заварицкого Уральского отделения РАН (ИГГ УрО РАН). Исследования геохимического состава горных породы с применением методов масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) выполнены в рамках государственного задания ИГГ УрО РАН №12301180012-9 с использованием оборудования ЦКП «Геоаналитик». Термобарометрические исследования для флюидных включений (3 образца) выполнялись в лаборатории геохимии ИГЕМ РАН при помощи измерительного комплекса, созданного на основе микротермокамеры THMSG-600 фирмы «Linkam» (Англия), микроскопа «Olympus BX51», видеокамеры и управляющего компьютера.

Результаты исследований

Петрографическая и катодолюминесцентная характеристика изучаемых пород. Последовательность постседиментационных изменений

Породы изученного интервала представлены серыми неравномерно трещиноватыми и кавернозными доломитами (рис. 2), сложенными идиоморфными субгедральными кристаллами доломита размером 0,05–0,1 мм, темными в проходящем свете, образующими плотную мозаичную практически непористую структуру. В породах встречаются реликты скелетов кораллов и строматопороидей, замещенные доломитом с более крупными (до 0,15 мм) прозрачными кристаллами, с зональным темно-красным КЛ-свечением. В изученных карбонатах встречаются тонкие разнонаправленные трещины, заполненные доломитом, а также разнообразные по форме каверны, переходящие в полости (до 10 см в диаметре), развитые как по остаткам фауны, так и в результате растворения матрикса вдоль трещин. Трещины и каверны могут быть частично заполнены крупными цементыми идиоморфными кристаллами доломита (размер кристаллов до 1 мм), реже – аутигенными кварцевыми зернами размером до 0,3 мм, без катодолюминесценции. Доломит, инкрустирующий стенки каверн, в проходящем свете прозрачный, иногда зональный, обладает зональной катодолюминесценцией в разных оттенках красного цвета. В единичных случаях остальное пространство может быть заполнено кальцитом с тусклым коричневатым катодолюминесцентным свечением (рис. 3). Редко в доломитах появляются стилолитовые швы, выполненные органическим веществом.

Таким образом, по результатам петрографических и катодолюминесцентных исследований, выделен ряд постседиментационных изменений и восстановлена их последовательность (рис. 3, 4). Наиболее ранним процессом являлась доломитизация матрикса (образование доломита генерации D1); следующим процессом, следы которого отмечаются, было раскрытие трещин. Каверны тяготеют к трещинам, поэтому мы предполагаем, что выщелачивание породы и образование каверн происходило после трещинообразования. После того как и каверны, и трещины были сформированы, началось их заполнение второй генерацией доломита (D2), а затем – кварцем (Qz) и кальцитом (Cal). Стилолитовые швы, в свою очередь, секут кристаллы доломита в кавернах и трещинах, и на границе со стилолитовыми швами кристаллы доломита частично растворяются, то есть стилолитовые швы могли образоваться после доломита генерации D2. Взаимоотношения образования стилолитовых швов с другими процессами не устанавливаются. Обобщенная последовательность постседиментационных процессов показана на рис. 4.

Результаты геохимических исследований

Для исследований геохимических характеристик было отобрано 10 проб – 5 проб из вмещающих доломитов (максимально далеко от каверн) и 5 из кристаллов доломита с поверхности стенок каверн. Результаты геохимических исследований (табл. 1) показывают, что доломиты характеризуются нестехиометричным составом с преобладанием кальция в составе доломита (отношение Ca/Mg – от 1,74 до 1,95, в стехиометричном доломите это соотношение составляет 1,67); содержания железа повышены в каверновых доломитах (0,08–0,27% Fe) относительно вмещающих (0,05–0,07 % Fe).

Каверновые доломиты характеризуются более высокими Eu/Eu* аномалиями (23–73) и более низкими Y/ Ho отношениями (44–57) по сравнению с вмещающими доломитами (во вмещающих доломитах Eu/Eu* аномалия варьирует от 2 до 33, Y/Ho отношение варьирует от 40 до 64). Две пробы из вмещающих пород характеризуются относительно низкими Eu/Eu* аномалиями (=2), возможно, эти пробы в наименьшей степени претерпели гидротермальное воздействие и отражают геохимические характеристики доломитов, образовавшихся на наиболее раннем этапе преобразований. Остальные три пробы вмещающих доломитов характеризуются более высокими Eu/Eu* аномалиями, что, скорее всего, связано с их проработкой гидротермальными флюидами (Michard, Albarede, 1986; Alexander et al., 2008; Mongelli et al., 2018). Таким образом, можно считать, что источником доломита выполнения каверн являются гидротермальные растворы, в то время как в формирование геохимических характеристик вмещающих пород значительный вклад внесли как гидротермальные флюиды, так и флюиды другой природы (см. раздел «Результаты изотопных исследований»).

На рис. 5 хорошо видно, что несмотря на отличающуюся величину аномалий и соотношений ряда редкоземельных элементов, общая форма спектров нормализованных концентраций редкоземельных элементов похожа: спектры имеют почти прямую форму с положительными Eu/ Eu* и Y аномалиями. Схожесть спектров позволяет предполагать, что гидротермальные растворы, проходя по трещинам, частично растворяли стенки вмещающей породы, а затем при пересыщении или на геохимических барьерах из раствора выпадали карбонатные минералы – доломит и кальцит, которые в некоторой степени унаследовали геохимические характеристики вмещающих пород.

Результаты изотопных исследований

Для изотопных исследований было сделано 8 проб из вмещающих доломитов (генерация D1) и 10 проб из цементных доломитов (генерация D2), инкрустирующих стенки каверн и трещин. Результаты приведенных исследований (рис. 6) показывают, что по изотопным характеристикам вмещающие породы близки к составу карбонатных минералов, кристаллизующихся из морской воды (δ18O варьирует от –4,2 до +0,36 ‰ V-PDB, значения δ13C характерны для растворенного неорганического углерода морской воды – от –2,86 до –1,03 ‰ V-PDB). Эти точки образуют отдельное поле на диаграмме изотопного состава, это поле почти не пересекается с полем доломитов, отобранных из стенок каверн и трещин. В доломитах инкрустирующие стенки трещин и каверн δ18O ниже и составляет от –11,9 до –4,19 ‰ V-PDB (попадая в область гидротермальных карбонатных минералов), соотношения δ13C близки к вмещающим доломитам и составляют от –3,5 до –1,73 ‰ V-PDB.

Результаты термобарометрических исследований

Термобарометрические исследования были проведены для кавернового доломита (табл. 2, рис. 7) и кальцита. Установлено, что каверновый доломит кристаллизовался из растворов с соленостью 3,3 до мас.%-экв. CaCl2, в составе которых преобладали ионы Na, Mg и Ca (об этом говорят низкие температуры эвтектики –40 оС), при этом температура гомогенизации (минимальная температура захвата включения) составляет 182 оС. Кальцит кристаллизовался из NaCl растворов при минимальных температурах 127 оС и соленостью 3,9 мас.%-экв. NaCl. Таким образом, термобарометрические исследования в значительной степени подтверждают выводы геохимических и изотопных исследований о высокотемпературной гидротермальной природе флюидов, которые приводили к растворению стенок каверн и переотложению карбонатных минералов.

Обобщение результатов и реконструкция истории постседиментационных изменений

Исходные известняки, сохранившиеся с момента осадконакопления, в интервале отбора керна не представлены. В изученных доломитах встречены редкие реликты биокластов (структура близка к мад- и вакстоунам по классификации Данхэма (Dunham, 1962) и отдельных скелетов (флаустоуны) (Вилесов и др., 2022). По всей видимости, во время осадконакопления до литификации осадки представляли собой мад-вакстоуны, реже флаутстоуны, сложенные кальцитом, либо арагонитом, при этом в микритовом матриксе присутствовали межкристаллические поры, в которых сохранялась морская вода, захваченная во время осадконакопления. При погружении и постепенной литификации происходил ионный обмен вмещающей породы и поровых вод, что приводило к доломитизации пород. Изотопно-геохимические характеристики (δ18О, Y/ Ho отношение, отсутствие Eu/Eu* аномалии) образованных доломитов показывают, что они, скорее всего, не были связаны с гидротермальными процессами и частично сохранили метки морской воды. Доломит, заместивший матрикс породы, обладает идиоморфными субгедральными кристаллами и плотной мозаичной структурой, то есть ранняя доломитизация не увеличила пористость породы; возможно, дополнительно породы были уплотнены при дальнейшем погружении пород.

В позднем карбоне – ранней перми при позднегерцинской тектонической активизации (Перетолчин и др., 2022) в породах сформировалась система трещин, которые служили проводящими каналами для гидротермальных минерализованных растворов. Гидротермальная природа каверн подтверждается как изотопными метками каверновых доломитов (цементные доломиты образуют отдельное поле с довольно низкими значениями δ18О от –11,9 до –4,19 ‰ V-PDB, рис. 6), так и их геохимическими характеристиками – высокими Eu/Eu* аномалиями и высокими температурами гомогенизации газово-жидких включений (182 оС). Минерализация растворов, из которых кристаллизовался каверновый доломит, близка к морской (39 ‰ судя по данным термобарометрии). Кальцит, кристаллизовавшийся после доломита, характеризуется более низкими температурами гомогенизации (127 оС), и, возможно, его кристаллизация происходила при остывании гидротермальных флюидов и удалении из растворов двухвалентных ионов Mg.

Основными путями миграции растворов являлись трещины, однако вмещающие породы при взаимодействии с гидротермами частично растворялись (с образованием каверн); растворенные карбонаты быстро переотлагались в пределах того же стратиграфического уровня на стенках каверн и трещин, однако в результате температурного фракционирования трещинные генерации кальцита и доломита характеризуются более низкими (по сравнению с вмещающими породами) значениями δ18О и более высокими Eu/Eu* аномалиями. Предполагаемая модель развития коллектора в изученных породах эмского яруса показана на рис. 8.

Заключение

По данным, полученным в ходе исследования, нами была построена модель изменения структуры пустотного пространства карбонатных пород нижнего девона на примере первой поисковой скважины в восточной части Гыданского полуострова, и показано, как процессы постседиментационных преобразований карбонатных пород эмсского возраста определялись этапами геологического развития бассейна. Основными этапами развития пород-коллекторов данного стратиграфического уровня являются следующие.

1. На наиболее раннем этапе произошла доломитизация первичных осадков морскими водами; геохимические характеристики (δ18O, соотношения Y/Ho) вмещающих тонко-, среднекристаллических доломитов близки к характеристикам карбонатных пород, сформировавшихся из морской воды. В результате ранней доломитизации и при последующем уплотнении погружения образовывались плотные, практически непористые, породы.
2. В позднем карбоне – ранней перми породы претерпели растрескивание, и по трещинам мигрировали гидротермальные флюиды; эти флюиды частично растворяли стенки трещин, что приводило к образованию каверн, а затем эти флюиды были источником вещества для кристаллизации доломита, который частично заполнял трещины и каверны. Гидротермальная природа растворов, из которых происходила кристаллизация кавернового доломита, хорошо подтверждается высокими минимальными температурами захвата двухфазных водно-солевых включений (182 оС), низкими отрицательными значениями δ18O и высокими положительными Eu/Eu* аномалиями.

Таким образом, развитие коллекторских свойств изученного интервала доломитов эмсского возраста в значительной степени было связано с формированием системы тектонических нарушений и гидротермальных преобразований толщи. Распространение коллекторов такого типа ограничено зонами разрывных нарушений. Результаты проведенных комплексных исследований можно использовать при прогнозе латерального распространения коллекторов в изучаемом потенциально перспективном нефтегазоносном регионе.

Благодарности

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам за замечания и предложения, которые позволили значительно улучшить работу.