Расчленение карбонатных палеозойских отложений нефтегазовых месторождений Томской области

С целью дальнейшего изучения и возможного разделения и корреляции карбонатных толщ палеозойского фундамента Западно-Сибирской нефтеносной провинции нами были измерены спектры инфракрасного поглощения образцов карбонатных пород, отобранных из кернового материала.

Все приводимые в данном разделе ИК-спектры были зарегистрированы на ИК-спектрофотометре «Specord 75 IR» в Институте химии нефти Томского филиала СО РАН. Спектр регистрировался в интервале длин волн = 2,5...25 pm (микрометров), что соответствует области волновых частот 400...4000 см ¹ (обратных сантиметров). Образцы были приготовлены в виде спрессованных таблеток. Исследуемое вещество (3,5 мг) вместе с наполнителем (КВг = 400 мг) измельчалось в порошок в агатовой ступке до размера частиц меньше 2 микрон, а затем полученная смесь спрессовывалась в специальной пресс-форме. В ИК-спектре, полученном таким образом, отсутствуют паразитные полосы поглощения растворителя, так как сам бромистый калий не имеет собственных полос поглощения в спектральной области от 2 до 25 pm. Использование во всех измерениях одинаковой навески (количество вещества для анализа) позволило провести сравнительный количественный анализ состава карбонатных пород по методу базовой линии (см. гл. 2).

Расчленение карбонатных пород из палеозойских отложений Северо-Останинской площади

Бурением скважины № 2 на Северо-Останинской площади вскрыта толща палеозойских пород в интервале глубин 2740...2906 м. Нами отобраны образцы пород в интервале 2767...2832 м для исследования их вещественного состава и тсрмолюминссцснтных свойств. На основе микроскопического изучения карбонатных пород А.Ф. Сенаколисом выделены следующие их разновидности: детритово-шламовые известняки, шламовые известняки, мраморы.

Детритово-шламовые известняки макроскопически характеризуются черной окраской и тонкозернистой структурой. Известняки часто имеют гонкие прожилки белого кальцита и стилолитовые трещины, выполненные черным органическим веществом. В отдельных образцах видны единичные округлые кристаллики кальцита, слагающие членики криноидей. Микроскопические исследования показали, что порода состоит из двух компонентов: микрозернистый агрегат и органогенный детрит. Органогенный детрит состоит из члеников криноидей, целых и разрушенных раковин остракод, обломков створок пелеципод и брахиопод, редко отмечаются спикулы губок и обызвествленных тканей кораллов. Органогенный детрит плохо отсортирован и сцементирован мелкозернистым кальцитом. Это препятствовало диагенетической перекристаллизации последнего.

Шламовые известняки мало чем отличаются от предыдущих, имеют такую же черную с буроватым оттенком окраску, несколько чаще рассечены прожилками белого кальцита. В отличие от дстритово- шламовых известняков макроскопически в шламовых разностях не обнаруживается органогенный детрит. Микроскопическое изучение показывает, что породы в большей степени, чем предыдущие, сложены мик- розсрнистым шламом. Состав дстритового материала аналогичен описанному в предыдущей разности.

Мраморы. Визуально породы резко отличаются от ранее описанных. Окраска их светло-серая, серая, белая, структура от мелко- до крупнокристаллической. В основном описываемые мраморы внешне однородны, иногда в образцах наблюдается нечеткая полосчатость, обнаруживаемая по изменению окраски.

На рис. П.11 в приложении представлен фрагмент разреза скважины № 2 Северо-Останинского месторождения с кратким литологическим описанием пород. В интервале глубин 2832...2827 м залегают черные тонкозернистые детритово-шламовые известняки, которые выше перекрываются темно-зелеными хлоритизированными и серпентинизи- рованными порфиритами. На порфиритах залегает четырнадцатиметровый пласт черных тонкозернистых шламовых известняков, которые вверх по разрезу сменяются светло-серыми крупно- и мелкокристаллическими мраморами. Выше залегает восьмиметровый пласт светлосерых глинистых сланцев. На глинистой пачке залегает дсвятимстровая пачка черных дстритово-шламовых известняков, которые снова сменяются вверх по разрезу трехметровой пачкой светло-серых глинистых сланцев. Выше по разрезу располагается мощная пачка черных тонкозернистых детритово-шламовых известняков с обломками криноидей, остракод, брахиопод, пелеципод, спикул губок. По составу исходного материала осадков толща черных известняков однородна, состоит из микрозернистого шлама и органогенного детрита. Выделенные две разности незначительно отличаются по примеси детрита. Распределение детритового материала по разрезу неравномерно.

Результаты изучения вещественного состава данной карбонатной толщи методом инфракрасной (ИК) спектроскопии, после математической и графической обработки на ЭВМ, нанесены на фрагмент разреза скважины № 2 Северо-Останинского месторождения и представлены на рис. П.11.

Сложный состав детритово-шламовых известняков с примесью органического материала отражается в спектрах ИК-поглощения. Кроме характерных полос 1420, 872, 712 см ', приписываемых карбонату кальция, отмечается доломитовая полоса 726 см ¹ и целая серия полос в области 3200...3700 см ¹ поглощения ОН-групп. Выявлены полосы поглощения, связанные с колебаниями Si0₄ - кремнекислородного тетраэдра, ассоциированного с различными ионами и ОН-группами. Поэтому каждая полоса несет свою информационную нагрузку, отражая особенности того или иного вещественного состава, хотя точная расшифровка этих данных весьма затруднительна, но при необходимости может быть идентифицирована, возможно, с привлечением других методов.

Изменение интенсивности полос 872 и 712 см"¹ (см. рис. П.11, кривая № 1 и № 2 соответственно) происходит практически синхронно. Отличие в поведении кривых обусловлено тем, что полоса 712 см"¹, отражая присутствие кальцитовой компоненты, связывается с ионом кальция, ассоциированного с С0₃ - карбонат-ионом, а полоса 872 см"¹ обусловлена колебаниями С0₃-группы, которая может быть связана и с другими ионами и их комплексами, например [SiOJ-группой или ОН-группой. Доломитизация отмечается в основном в зонах контакта литологически выделенных разностях пород (см. кривая № 3, рис. П.11). Синхронно с «доломитизацией» изменяется полоса 3420 см"¹, связанная с колебаниями гидроксильных групп (Н О-Н-валентные колебания), ассоциированных с карбонат-ионом (кривая 4, рис. П. 11). Более детальная интерпретация ИК-полос, связанных с ОН-комплсксами, довольно затруднительна, поскольку при регистрации ИК-спсктров при комнатной температуре в области 3200...3270 см"¹ полосы поглощения являются диффузными (широкими и размытыми). Для детализации этих полос необходимо регистрировать ИК-сиектры при температуре жидкого азота (77 К), используя фракционный отжиг образцов и выпаривание.

Полоса 3680 см"¹ также обусловлена колебаниями ОН-ионов, но связанных с кремнекислородными тетраэдрами, имеющих различную координацию (см. кривая №5, рис. П. 11). Возможно, что данная ИК-полоса соответствует валентным колебаниям структурных ОН- групп, ассоциированных с [SiOJ-тетраэдрами, входящих в состав глинистых минералов (каолинита), так же как и полосы 1085 см ¹ и 593 см ¹ (O-Si-(Al)-O - деформационные колебания) (см. рис. П.11, кривые № 8 и № 9 соответственно), имеющие между собой почти прямую корреляцию. Некоторое сходство с поведением этих линий имеют еще три полосы - 513, 465 и 795 см¹, которые являются характерными для а-кварца и приписываются колебаниям Si-0 Si-связей (см. рис. П.6).

При изоморфном замещении кремния трехвалентными ионами алюминия в тетраэдрической позиции наблюдается смещение Si-О валентных колебаний в результате возрастания среднего расстояния (Si, А1)-0, которым соответствует полоса 960 см Полоса 1020 см ¹ (см. рис. П.11) обусловлена Si-O-валентными колебаниями в каолините.

В спектрах ИК-поглощения, таким образом, отражаются сложные процессы изоморфных замещений, каолинитизации (обогащение глинистыми минералами), доломитизации и окремнения, которые достаточно определенно характеризуют условия преобразования пород и служат отличительным признаком пачки или пласта.

Благодаря компьютерной обработке (математической экстраполяции и графическому масштабированию) спектров ИК-поглощения оказалось возможным визуальное сопоставление количественных данных с качественным описанием литологических характеристик разреза. Сравнение этих зависимостей, представленных на рис. П.11, подчеркивают тонкую структуру и неоднородность выделенных карбонатных пачек. Неоднородность черных детритово-шламовых известняков (пачки 3, 6, 8) отражается в изменении степени карбонатности, доломитизации и окремнения. Особенно отчетливо выявляются изменения пород в зоне контакта мраморов с глинистыми сланцами (пачки 4 и 5). Такая характеристика вполне может служить в качестве репера и при корреляции карбонатных отложений, вскрытых близко расположенными скважинами.

Изучение карбонатных пород Чкаловского месторождения по фрагменту разреза скважины № 2

Толща черных и темно-серых известняков, вскрытая скважиной № 2 на Чкаловской площади изучена в интервале глубин от 2959 до 3059 м. Наиболее полным является интервал 2959...3001 м, где не- охарактеризованными остались два промежутка разреза мощностью 4 и 6 метров. Из этого интервала отобраны образцы для литологического изучения и исследования их электрофизических и радиационнооптических свойств и вещественного состава методом инфракрасной спектроскопии (ИКС).

Для математической и графической обработки результатов измерений физических свойств данных образцов и сопоставления с их литологической характеристикой использовались специально разработанные компьютерные программы. Все расчеты и построения выполнялись с помощью графических редакторов (Corel Draw) и программ математической обработки ((MathCad) на компьютере.

Микроскопическое изучение карбонатных пород, вскрытых скважиной № 2 Чкаловского месторождения, выполнено А.Ф. Сснаколисом.

Установлено, что изучаемая карбонатная толща сложена тремя типами пород: кальцитовые песчаники, тонкозернистые известняки, мраморы. Первые два типа являются первично-осадочными и позволяют установить их генетическую природу. Основой для их выделения служит величина зерен кальцита, из которых они состоят. К кальцитовым песчаникам отнесены те разности, которые состоят из обломков кальцита величиной более 0,1 мм, сцементированных в тонкозернистые агрегаты кальцита. Тонкозернистыми известняками названы карбонатные породы, состоящие из зерен кальцита с размерами менее 0,1 мм. Важным элементом представленных пород является наличие в них своеобразных карбонатных корочек, которые явились исходным материалом для обломочных известняков.

Визуальное и микроскопическое изучение пород позволило в разрезе исследуемой карбонатной толщи выделить 16 пластов. Все они сложены в основном известняками I и II типа, один пласт представлен мраморами. Кроме того, мраморы редко отмечаются в единичных образцах и среди других пластов.

На рис. П.12 в приложении представлен фрагмент разреза скважины № 2 Чкаловского месторождения с кратким литологическим описанием пород.

В интервале глубин 3001...2997 м залегает пласт светло-серых тонко- и мелкозернистых мраморов, образовавшихся в результате преобразования тонкозернистых известняков и кальцитовых песчаников, о чем свидетельствуют реликты этих пород, сохранившиеся в мраморах. Мраморизация проходила по зонам трещиноватости локально, мощность зоны составляет 4 м. На мраморах залегают 2 пласта, представленные неизмененными черными тонкозернистыми известняками с тонкозернистыми корочками, разделенные маломощным пластом мелкозернистых песков. Мощность тонкозернистых известняков с прослоем кальцитовых песков составляет 10,6 м, что свидетельствует о длительном высоком уровне перенасыщения вод карбонатами кальция. Вышележащие три маломощных пласта мелко- и срсднезсрнистых кальцитовых песчаников формировались в условиях снижения степени пересыщения морской воды карбонатами кальция.

Аналогичная картина открывается в верхней части разреза. Здесь отмечается пласт тонкозернистых известняков, сменяющийся вверх по разрезу мелко-, средне- и крупнозернистыми кальцитовыми песчаниками.

Краткое описание разреза карбонатной толщи, вскрытой скважиной № 2 на Чкаловской площади, отражает основные особенности ее строения и условия формирования. Толща сложена пластами известняков мощностью от 2 до 4,5 м. Массовый анализ шлифов показал, что

в разрезе встречаются разновидности с одним способом образования карбонатного материала осадков - химическое осаждение кальцита в виде корочек и разрушение их на кальцитовые песчинки и более тонкозернистый шлам. Крупность зерен кальцита в карбонатных корочках регулировалась уровнем перенасыщенности морской воды карбонатами. В течение времени формирования можно выделить три этапа, характеризующихся повышенной перенасыщенностью вод карбонатом кальция, которые сменялись тремя периодами уменьшения уровня перенасыщения. Соответственно, происходило накопление тонкозернистых илов, закономерно сменяющихся кальцитовыми песчаниками. Окатанность обломков крупнозернистых корочек, отмеченная в отдельных образцах, позволяет судить об определенной роли и гидродинамике среды. Геохимические условия среды - восстановительные, местами резко восстановительные.

Условия формирования осадков определили и особенности строения толщи - ритмическое чередование тонкозернистых известняков и кальцитовых песчаников. Три определенным образом построенных ритма, обнаруженные в составе толщи, свидетельствуют о ее закономерном строении. Пробелы в разрезе не позволяют точно определить их мощность, но с определенной погрешностью можно предположить, что мощность каждого из трех ритмов варьировала в пределах 11... 16 м. Органических остатков не обнаружено.

Определение и уточнение вещественного состава образцов исследуемых карбонатных пород проводилось с помощью метода инфракрасной спектроскопии. В ИК-спектрах, регистрируемых спектрофотометром «Specord 75 IR» в области 400...4000 см, отмечается наличие лишь нескольких полос поглощения: 1420, 872, 711 см^-1, которые приписываются колебаниям ионов, составляющих карбонат кальция с решеткой кальцита. Присутствует полоса 729 см ', приписываемая поглощению доломита (см. рис. 3.16). Полоса 465 см ¹ отражает одно из характерных колебаний [SiO J-тстраэдров и отмечается лишь у некоторых образцов. Поглощение в области 3420 см"¹ связывается с колебаниями ОН-групп, ассоциированных с карбонатным С0₃-ионом. Присутствие в ИК-спектрах только лишь этих отмеченных полос указывает на высокую степень чистоты известняков в этом интервале глубин (см. рис. Г1.13-П.15).

Изменение магнезиальное™ карбонатных пород отчётливо наблюдается по спектрам ИК-поглощсния (рис. 3.16.) в отличие от макроскопического и микроскопического исследования керна.

Рис. 3.16. Увеличение содерж ания доломита (полоса поглощения 729 слГ¹) в карбонатных породах Чкаловского месторождения: 1 - доломитистый известняк (обр. № 3354); 2 известняк и доломит (обр. № 3358);

3 - доломит с известняком (обр. № 3353)

После обработки спектров ИК-поглощсния по методу базовой линии количественные характеристики интенсивности полос поглощения введены в математические матрицы для соответствующих расчетов на компьютере. Полученные результаты, представленные в виде сглаженных (с помощью подобранных сплайн-функций) кривых изменения интенсивности полос ИК-поглощсния, нанесены в реальном масштабе на фрагмент разреза скважины (см. рис. П.12 в прил.).

Из сопоставления кривых можно видеть, что их изменения характеризуют тонкую, более детальную структуру разреза, отмечая отличие тех или иных пачек и взаимосвязаны между собой. Наибольшей доломитизацией характеризуется пачка № 5 и контактовая зона третьей и четвертой пачек. Одновременно с этим отмечается увеличение содержания гидроксильной ОН-группы и уменьшения концентрации кальци- товой молекулы. Это связано с цепочкой изоморфных Ca-Mg-замеще- ний из-за привноса дополнительного вещества. Уменьшение степени «карбонатности» мраморов (пачка № 1) и содержания ОН-групп, ассоциированных с карбонат-иоиом обусловлено появлением глинистых примесей, связанных с процессами преобразования пород, как по всей толще, так и в зонах контакта (например, 4 и 5 пачек).

Отмеченные корреляции изменений литологических характеристик и вещественного состава пород позволяет судить о процессах преобразования пород и выделения их тонкой структуры. Эти процессы вызывают, как следствие, изменение физических свойств: пористости, проницаемости, плотности и др., а также люминесценции, проводимости и т. д.

Для повышения достоверности проводимых работ по расчленению и корреляции однородных карбонатных отложений палеозоя необходимо наряду с изучением их вещественного состава методом инфракрасной спектроскопии использовать результаты люминесцентных исследований, полученных методами термолюминесценции и гамма-термолюминесценции (см. рис. П.12).