Формирование и размещение ловушек нефти и газа в пределах зоны сочленения Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости

Введение

Предуральский краевой прогиб и зона его сочленения с Западно-Уральской внешней зоной складчатости известны как структуры с высоким нефтегазовым потенциалом [2, 10, 12—15, 20, 21, 24]. Однако сложность геологического строения, обусловленная широким развитием разрывных нарушений различного генезиса и морфологии, несоответствием структурных планов частей осадочного разреза и др., а также низкое качество имеющегося сейсмического материала и, как следствие, недостоверные геологические модели объекта являются сдерживающим фактором к освоению ресурсной базы рассматриваемой территории.

Развитие современных технологий компьютерного моделирования геологических объектов, в том числе сложных складчато-надвиговых структур, позволяет детализировать механизмы формирования структур взбросо-надвигового типа. С помощью моделирования тектонических процессов возможно создать обоснованную концептуальную геологическую модель формирования и строения надвиговых зон, прогнозировать ловушки нефти и газа и оценивать их сохранность.

В настоящей работе предпринята попытка обобщить имеющийся геолого-геофизический материал и на основе накопленных данных с помощью современных компьютерных технологий провести типизацию ловушек нефти и газа в пределах зоны сочленения Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости и дать научно обоснованную оценку условий их формирования и сохранности.

Краткий обзор геологического строения и истории геологического развития

Складчато-надвиговые образования на западном склоне Урала формируют Западно-Уральскую внешнюю зону складчатости и сопряженную с ней территорию Предуральского краевого прогиба.

В пределах взбросо-надвигового пояса Уральской складчатой системы выделяют автохтонный комплекс, залегающий под поверхностью надвига и характеризующийся покровно-складчатым строением, и противоположный ему — аллохтонный комплекс, залегающий над поверхностью надвига и имеющий чешуйчато-надвиговое строение [2].

Геодинамическая природа формирования взбросо-надвиговых структур Предуралья обусловлена герцинским орогенезом под воздействием коллизионных процессов [7, 9].

Современные представления М.А. Камалетдинова [9], Т.Т. Казанцевой [7], Ю.В. Казанцева [6], В.В. Юдина [27], В.Н. Пучкова [22], К.О. Соборнова [23, 24], С.Н. Сычева [25], А.В. Ступаковой [26] об истории геологического развития Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости позволяют выделить 5 этапов тектонодинамического развития рассматриваемой территории, которое напрямую связано с тектонодинамической эволюцией Урала (рис. 1).

1. Предколлизионный этап. Данный этап продолжался от рифея до раннекаменноугольной эпохи и включает в себя следующие стадии: океанический спрединг, субдукцию, задуговой спрединг. На этом этапе был заложен Главный Уральский разлом — разлом растяжения, происходило раскрытие Уральского палеоокеана, была сформирована Уральская островодужная система за счет субдукционных процессов. Предколлизионный этап характеризуется формированием тиманид.
2. Этап пластичных деформаций. Данный этап продолжался от среднекаменноугольной до позднепермской эпохи и включает в себя стадию «мягкой коллизии» — столкновение «дуга — континент» и ранний этап «жесткой коллизии» — столкновение «континент — континент» [22]. На данном этапе происходило формирование Уральского орогена и складчато-надвигового пояса.
3. Этап хрупких деформаций. Данный этап продолжался от позднепермского до триасового времени и включает в себя стадию «поздней коллизии». Данный этап привел к формированию уралид и сдвиговых дислокаций.
4. Постколлизионный этап. Данный этап продолжался от триасового времени до неогенового периода и включает в себя формирование трещин отрыва, секущих сопряженных сколов. На этом этапе развития происходила пенепленизация Уральского орогена.
5. Современный этап. Данный этап продолжался от неогенового периода до настоящего времени и характеризуется формированием современных Уральских гор.

Таким образом, формирование основной складчатой структуры Урала закончилось в конце карбона — начале перми, на севере Урала позже — в триасе. Перед фронтом Уральских гор был сформирован глубокий прогиб, куда поступали продукты эрозии. Дальнейшая история Урала заключалась в его постепенном разрушении, пенепленизации и формировании кор выветривания.

В нефтегазогеологическом отношении изучаемая территория относится к Предуральской нефтегазоносной субпровинции Предуральско-Предновоземельского пояса нефтегазонакопления [3, 8].

К настоящему времени в пределах субпровинции открыто более 100 месторождений УВ [1]. Продуктивны девонские, каменноугольные и пермские отложения, также есть признаки нефтегазопроявлений в силурийских комплексах [1]. Наиболее крупными из открытых месторождений являются Курьинское, Романъельское, Вуктыльское и Гежское.

Материалы и методы

В данной работе в качестве исходных данных была использована серия сейсмогеологических профилей, секущих в субширотном направлении изучаемую территорию: № 2622001-02 ШП в интерпретации В.В. Дроздова, Красновишерск-Североуральск в интерпретации А.Г. Попова, № 15-РС в интерпретации В.Н. Макаревича.

Для изучения условий формирования и сохранности ловушек УВ, их тектонодинамического развития, изучения типов разломов и времени их формирования в настоящей работе была применена технология структурно-кинематического моделирования, реализованная в ПК «Dynel» компании Schlumberger и ПК «Move» компании Midland Valley.

Основы технологии структурно-кинематического моделирования включают в себя гео-метрическую балансировку, деформационную кинематику (геометрию движения слоев), а также типизацию структурных форм, слагающих различные типы складчато-надвиговых систем [4].

Основными этапами структурно-кинематического моделирования являются [4]:

1) сбор и анализ входных данных;

2) построение структурного каркаса модели. Проверка достоверности структурной интерпретации;

3) построение сбалансированного (восстановленного) разреза;

4) построение палеоразрезов каждого слоя путем выравнивания на основные изохронные границы.

Основными методами структурно-кинематического моделирования являются [4, 5, 17]:

1) балансировка — метод восстановления разреза к преддеформационному состоянию при условии сохранения длины и мощности слоев в процессе деформации. Если разрез сбалансирован, то на восстановленном разрезе все слои должны совместиться вдоль траектории надвигов без пробелов и перекрытий;

2) палеотектонические (палинспастические) реконструкции — метод восстановления первоначального взаимного расположения геологических тел, претерпевших крупномасштабные горизонтальные смещения. Метод позволяет «раздвинуть» тектонические чешуи и «распрямить» складки.

Результаты и их обсуждение

Структурные парагенезы

Для создания ретроспективных динамических структурных моделей были изучены т.н. структурные парагенезы изучаемого объекта — устойчиво повторяющиеся целостные комплексы элементарных структурных форм, составляющие морфологически сходные тектонические зоны и отличающиеся по структуре от соседних участков [16]. Формирование всех элементарных структур единого парагенеза предполагает некий общий механизм или хотя бы общую причину. В структурные парагенезы могут быть объединены разномасштабные элементы: от макромасштабных (складчатые зоны) до мезомасштабных (отдельные складки, структуры будинажа, кливаж и пр.) и даже до микромасштабных (кинкбанды и т.д.).

В пределах зоны сочленения Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости встречаются нижеперечисленные структурные парагенезы (римскими цифрами обозначены соответствующие структурные парагенезы на рисунках 2—4).

• Тастубская флексура (I). Формирование флексур обусловлено обстановками чистого сдвига (горизональное сжатие).
• Сюреньский, Западно-Уральский, Акчимский, Вашуткино-Талотинский надвиг (II). Структурные парагенезы надвига обусловлены обстановками чистого сдвига — горизонтального сжатия. Данная обстановка соответствует коллизии. Надвиговую систему ограничивает сверху и снизу детачмент.
• Серия наклонных и опрокинутых складок той же вергентности в аллохтоне (III). Все пликативные формы взаимосвязаны с дизъюнктивными нарушениями и отражают смятие слоистых толщ, происходящее в условиях действия бокового сжатия.
• Серия прямых и слабонаклонных складок
  той же вергентности в автохтоне (IV). Пликативные формы в автохтонной части менее подвержены коллизионным воздействиям.
• Серия взбросов, сбросов (V). Структурные парагенезы взбросов восточнее надвига в аллохтонной части и серия мелких сбросов — в отложениях ближе к фундаменту.
• Надвиговая система «чешуйчатый веер» (пакет надвиговых пластин) (VI). Парагенез чистого сдвига — обстановок горизонтального сжатия,за счет коллизионных процессов. Надвиговая система состоит из серии чешуй (пластин). Каждая чешуя — объем горных пород, ограниченный ведущим и тыловым разрывным нарушением. Чешуйчатый веер состоит из серии чешуй, связанных только подошвенным надвигом. Надвиги имеют листрическую морфологию, соединяются с подошвенным срывом и расщепляются вверх, как полуоткрытый веер [4].
• Надвиговая система — дуплексная (VII). Надвиговые системы, которые состоят из серии сдвоенных чешуй, осложненных кровельными и подошвенными надвигами, называются дуплексными. С глубиной надвиги дуплексов объединяются в единый субгоризонтальный разлом, который приурочен к пластичной толще основания осадочного чехла на границе с жесткими породами фундамента.
• Взбросо-складка (VIII) [28]. Взбросо-складки формируются при затухании рампа. Взбросо-складки, как правило, асимметричны — с крутыми фронтальными и более пологими тыловыми крыльями. Формирование обусловлено коллизионными процессами совместно с надвиговой системой.
• Рамповая складка (IX). Рамповые складки (fault-bend-fold) — «сгибаемая разломом складка» [28]. В русскоязычной терминологии — рамповая антиклиналь или наднадвиговая антиклиналь. Рамповые складки образуются при перемещении надвига с одного субпластового горизонта скольжения на другой [4].
• «Цветочная», или «пальмовая», структура (X). При транспрессии отдельные пластины выдавливаются вверх из сдвиговой зоны и формируются дивергентные серии надвигов — «цветочная» или «пальмовая» структуры.
• Ретронадвиг в Предуральском прогибе (XI). Формирование данного структурного парагенезиса обусловлено сдвиговыми деформациями. Ретронадвиги формируются совместно с «цветочной» или «пальмовой» структурой.

Условия формирования и типы ловушек нефти и газа

Для типизации ловушек нефти и газа в пределах зоны сочленения Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости и анализа условий их формирования и сохранности было проведено структурно-кинематическое моделирование по трем региональным сейсмогеологическим разрезам, пересекающим в широтном направлении северный, центральный и южный сегменты восточного борта Предуральского краевого прогиба и зоны Передовых складок Урала (рис. 2—4).

От позднедевонской до раннепермской эпохи
на изучаемой территории ловушки структурного (сводового) типа в девонских, каменноугольных и пермских толщах были сформированы в результате активизации тектонических процессов. В зоне Передовых складок Урала часть ловушек структурного (сводового) типа были разрушены за счет воздымания поверхности осадконакопления и дальнейшей ее эрозии, но некоторые более глубокозалегающие потенциальные продуктивные горизонты сохранились до настоящего времени.

Ловушки структурного (тектонически экранированного) типа в самом начале формирования были по типу сводовые, однако на «постколлизионном» этапе при затухающих коллизионных процессах начали «переформировываться» из сводового в тектонически экранированного типа ловушки УВ [18]. Так, на изучаемой территории были выделены ловушки структурного (сводового), структурного (тектонически экранированного) типа. На территории Соль-Илецкого свода и Варандей-Адзъвинской структурной зоны выделены ловушки стратиграфического типа, сформированные в результате периодических процессов денудации [11, 18].

Для формирования скоплений УВ в Предуралье наиболее благоприятными являются структурные (сводовые) ловушки в девонских, каменноугольных и пермских толщах, сформированные от позднедевонской эпохи до пермского времени, сохранившие конфигурацию и объем до настоящего времени. Чуть менее перспективными являются структурные (тектонически экранированные) ловушки в девонских, каменноугольных и пермских толщах, сформированные после перми. Малоперспективными являются стратиграфические ловушки в девонских и каменноугольных толщах, распространенных в пределах Соль-Илецкого свода и Варандей-Адъвинской структурной зоны, в связи с их небольшой площадью распространения и количеством.

Таким образом, на исследуемой территории были сформированы ловушки УВ различных типов (табл. 1).

Модель формирования скоплений углеводородов

Анализ условий формирования ловушек нефти и газа во взбросо-надвиговых и поднадвиговых структурах позволили уточнить и детализировать концептуальную модель [10, 11, 13, 18] формирования в них скоплений нефти и газа (рис. 5).

На первом (конседиментационном) этапе происходило формирование (накопление) ордовикско-нижнекаменноугольного комплекса пород. На этом этапе начали реализовываться процессы генерации, миграции и аккумуляции УВ в силурийских, девонских отложениях южного и северного сегмента Предуралья. Формируются разрывные нарушения сбросового типа в условиях погружения и растяжения осадочного комплекса. Сбросы являются благоприятными путями для миграции нефти и газа.

Второй этап «мягкой коллизии» [22] обусловлен коллизионными процессами со стороны Уральского орогена, продолжавшимися со среднекаменноугольного времени и протекавшими до кунгурского времени включительно. На данном этапе происходило формирование разрывных нарушений взбросового типа.

Третий этап «жесткой коллизии» [22]. После кунгурского времени в сочленении Предуральского прогиба и зоны Передовых складок Урала транспрессивный (бокового сжатия и сдвига) геодинамический режим обусловил преобразование ранее сформированных разрывных нарушений сбросов — во взбросы, которые к концу коллизионного этапа преобразовались в надвиговую систему. Надвиги сформировали пути миграции УВ и оказали влияние на перераспределение потенциальных первичных скоплений УВ из нижележащих ловушек УВ девонских и нижнекаменноугольных отложений в вышележащие ловушки УВ средне-верхнекаменноугольных, пермских и триасовых отложений, тем самым формируя вторичные залежи УВ, или же происходило рассеивание первичных залежей УВ.

На четвертом этапе после триасового времени осуществлялась консервация ранее сформированных залежей и аккумуляция УВ в новые тектонически экранированные ловушки.

На пятом этапе в кайнозое продолжалась консервация всех залежей УВ. Однако в результате кайнозойской (альпийской) реактивации тектонических процессов на этом этапе могло происходить разрушение ранее сформированных залежей УВ.

Заключение

Комплексный анализ разнородных геолого-геофизических материалов позволил провести структурно-парагенетический анализ и структурно-кинематическое моделирование зоны сочленения Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости. Были изучены геометрия, деформационная кинематика, пространственное размещение и геодинамические условия формирования взбросо-надвиговых структур. Для разрезов южного, центрального и северного Предуралья представлены общие структурные парагенезы, что указывает на единые условия и механизм формирования изучаемых структурных форм. На основе анализа палеотектонических (палинспатических) реконструкций проведена типизация ловушек УВ в складчато-надвиговой зоне, а также определены условия и время их формирования. На исследуемой территории были сформированы ловушки УВ следующих типов: структурного (сводового), структурного (тектонически экранированного), стратиграфического в отложениях палеозоя.

Предложена модель формирования нефтегазоносности зоны сочленения Предуральского прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости, учитывающая основные этапы тектонодинамического развития Предуралья.