Тема: ПЛОТНОСТЬ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ПРИРОДА ЕГО АНОМАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ (ЗАПАД ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ)

В главенствующей осадочно-миграционной теории геотермический режим недр рассматривается в качестве основного фактора реализации нефтегенерационного потенциала. В связи с этим представляет интерес развивать геотермию как метод разведочной геофизики для прогнозирования и оценки перспектив нефтегазоносности. Задачи прогноза сводятся к выявлению локальных аномалий теплового поля и установлению их связи со скоплениями углеводородов. Этот метод может хорошо показать себя для доразведки территорий с развитой инфраструктурой и большим фондом скважин, так как основан на моделировании и анализе имеющейся информации и не требует проведение дополнительных полевых работ.
В настоящее время потенциал геотермического метода не реализован в полной мере. Это связано с тем, что фундаментальный вопрос о природе вариаций глубинного теплового потока - ключевого геодинамического параметра теплового поля, остается без полного и обоснованного ответа. До сих пор нет точного набора геологических факторов, влияющих на его распределение, а также количественно не оценена степень влияния этих факторов. Таким образом, на повестку дня ставится необходимость расширения теоретических основ геотермии путем выявления факторов, влияющих на поле теплового потока.
Актуальность решения данной проблемы именно для Западно-Сибирского осадочного бассейна обусловлена многообразием геологических, тектонических и геотермических условий, что позволит перенести сделанные выводы и обобщения на другие нефтегазоносные бассейны, а также перспективностью применения полученных результатов при поисково-разведочных работах в самом Западно-Сибирском бассейне.
Объектом диссертационного исследования является юго-восточная часть ЗападноСибирской плиты. Предмет исследования - поле глубинного теплового потока этой территории.
Степень разработанности темы исследования
Дискуссионность природы вариаций теплого потока обусловлена существованием большого количества нестационарных факторов, оказывающих влияние на тепловое поле Земли. Несмотря на это, уже установлено много важных закономерностей: связь теплового потока с возрастом тектоно-магматической активизации (Поляк, Смирнов, 1968), примерное равенство тепловых потоков на континентах и океанах (Lee, Uyeda, 1965), наличие аномально высоких тепловых потоков в зонах активных рифтов (Langseth, Von Herzen, 1971).
Изучению теплового поля Западной Сибири посвящены труды А.Р. Курчикова, А.Д. Дучкова, А.Г. Череменского, М.Д. Хуторского, А.Э. Конторовича, В.С. Суркова, Б.П.
Ставицкого, А.А. Смыслова, В.И. Ермакова, В.А. Скоробогатова, В.И. Исаева, Г.А. Лобовой. Многие аномальные участки теплового потока известны давно, однако причины их возникновения до сих пор не установлены. В настоящее время вариации связывают с возрастом последней тектоно-магматической активизации, наличием интрузий и дизъюнктивных нарушений, движением подземных флюидов, влиянием вариаций палеоклимата или изменением генерации радиогенного тепла.
Накопленный томскими геотермиками опыт моделирования позволит детально изучить структуру теплового поля Западно-Сибирской плиты и выявить причины возникновения его неоднородностей.
Цель исследования - выявление связи теплового потока с геологическим строением и нефтегазоносностью юго-восточной части Западно-Сибирской плиты.
В диссертационной работе решались следующие научные задачи:
A. Моделирование и построение схематической карты глубинного теплового потока из основания осадочного разреза юго-восточной части Западно-Сибирской плиты.
Б. Определение набора геологических факторов, потенциально влияющих на
распределение теплового потока исследуемой территории, и оценка степени их влияния.
B. Выявление связи распределения плотности глубинного теплового потока с нефтегазоносностью исследуемой территории.
Научная новизна работы
A. Впервые для территории западной части Томской области на основании моделирования теплового поля в разрезах 433 глубоких скважин построена схематическая карта плотности теплового потока из основания осадочного чехла, характеризующаяся погрешностью ± 1,5 мВт/м2.
Б. Выявлены причины неоднородности теплового потока юго-восточной части
Западно-Сибирской плиты, главной из которых является возраст образований тектоно- магматических активизаций в истории развития доюрского фундамента.
B. Установлено, что распределение органического вещества в волжских отложениях коррелирует с региональными и локальными изменениями поля плотности теплового потока.
Г. Выявлено, что величина теплового потока влияет на фазовый состав
углеводородных флюидов, формирующих залежи на месторождениях.
Теоретическая и практическая значимость работы
Согласно программе фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021-2030 годы), утвержденной распоряжением Правительства РФ от 31.12.2020 г. № 3684-р, отмечается важность изучения геодинамики осадочных бассейнов и формирования месторождений углеводородов, а также новых эффективных, экологически безопасных технологий поиска и разведки. И в этом особая роль отводится геофизическим исследованиям. Все большую значимость приобретают исследования глубинных процессов и физических полей Земли. Получать принципиально новые научные знания предлагается путем анализа геолого-геофизических данных с применением математического моделирования.
Предмет и методы настоящего исследования полностью соответствуют обозначенным направлениям развития науки РФ. Тепловое поле Земли остается одним из наименее изученных. Данная работа иллюстрирует, что с помощью математического моделирования и анализа уже имеющейся геолого-геофизической информации удается рассчитывать и достаточно детально картировать распределение глубинного теплового потока.
Для территории юго-востока Западно-Сибирской плиты подтвердилось существование фундаментальной зависимости плотности теплового потока от возраста образований различных тектоно-магматических активизаций. Результаты исследования позволяют утверждать, что именно этот фактор является основной причиной вариаций теплового потока как на глобальном уровне, так и на довольно ограниченной территории.
Найденные закономерности распределения органического вещества волжских отложений, а также размещения месторождений углеводородов с различным фазовым составом флюида с плотностью теплового потока позволяют приблизиться к разработке геотермических критериев прогнозирования залежей и типа флюида.
Особую значимость имеет построенная схематическая карта плотности теплового потока, которая может быть применена для изучения теплового поля, оценки перспектив территории в отношении геотермальной энергетики или в качестве входных параметров для бассейнового моделирования.
Методология и методы исследования
Определение величины плотности теплового потока из основания осадочного разреза производилось по методике В.И. Исаева (Исаев, Волкова, Ним, 1995; Исаев, 2002), основанной на численном решении уравнения теплопроводности горизонтально-слоистого твердого тела с подвижной верхней границей, и было реализовано с помощью комплекса одномерного бассейнового моделирования Teplodialog.
Построение схематической карты теплового потока выполнялось с использованием программы Surfer, задача интерполяции решалась геостатистическим методом Kriging. Расчет цифровых моделей плотности разрывных нарушений, радиогенной теплогенерации и теплопроводности пород поверхности доюрского основания производился с помощью программного кода, написанного автором на языке Python и реализованного посредством функций модуля OpenCV. Он основан на применении одного из инструментов машинного зрения - выделении контуров объектов.
Корреляционно-регрессионный и однофакторный дисперсионный методы анализа осуществлялись с помощью программного обеспечения Statistica и Excel.
Диссертационное исследование выполнялось с позиции осадочно-миграционной теории нефтегазообразования.
Положения, выносимые на защиту
Первое положение. На основе моделирования плотности теплового потока в 433 глубоких скважинах по авторской методике В.И. Исаева построена схематическая карта теплового потока юго-востока Западно-Сибирской плиты, характеризуемая ранее недостижимой погрешностью ± 1,5 мВт/м2. Высокая детальность новой карты позволила установить связь аномальных зон теплового поля со структурно-вещественной неоднородностью доюрского основания.
Второе положение. Главным фактором, влияющим на величину теплового потока в отдельных блоках, является возраст их тектоно-магматической активизации: по мере его омоложения установлено закономерное усиление теплового потока. Все основные аномалии связаны с зонами триасовых рифтов и их последующим тектоническим подновлением. Положительные аномалии тяготеют к областям проявления интенсивного рифтогенного магматизма и повышенной плотности тектонических нарушений коньяк-кайнозойского возраста. Сами же рифтовые долины, заполненные мощной толщей терригенно-вулканогенных пород, выделяются преимущественно пониженными значениями теплового потока. Локальные слабоамплитудные аномалии внутри одновозрастных блоков объясняются изменением теплофизических свойств пород.
Третье положение. Выявлена тесная пространственная связь положительных аномалий теплового потока с участками концентрирования органического вещества в волжских отложениях. Установлены закономерности локализации месторождений углеводородов с различным типом флюида по отношению к зонам с аномальной плотностью теплового потока. К их периферии тяготеют нефтяные и нефтегазоконденсатные месторождения, при этом последним свойственны повышенные градиенты. Газоконденсатным месторождениям соответствуют самые высокие значения и градиенты теплового потока.
Характеристика исходных данных
Информация о литолого-стратиграфическом разрезе скважин, а также фактические сведения о температурах, измеренных в ходе пластовых испытаний, получены из первичных дел скважин (материалы ТФ ТФГИ СФО). Данные об отражательной способности витринита (ОСВ) переданы А.Н. Фоминым ИНГГ СО РАН. А.Д. Дучковым предоставлены экспериментальные определения теплопроводности пород доюрского основания из базы данных тепловых свойств горных пород Сибирского региона (Дучков и др., 2017). Томскими коллегами-геотермиками Г.А. Лобовой, Т.Е. Луневой и А.С. Герасимовой были переданы в совокупности 87 моделей и определений теплового потока на территории западной части Томской области.
В работе анализируются тектоническая карта фундамента Западно-Сибирской плиты В.С. Суркова (Сурков, Жеро, 1981) и карта вещественного состава пород доюрского основания А.Э. Конторовича (Карта вещественного..., 2001). Сведения о локализации разрывных нарушений, распределении органического вещества, естественной радиоактивности и кажущихся сопротивлений волжских отложений приняты согласно картам В.А. Конторовича (Конторович, 2002).
Степень достоверности результатов
Достоверность расчетов плотности теплового потока подтверждается соответствием погрешностей критерию оптимальной невязки. Построенная схематическая карта плотности теплового потока хорошо согласуется с картами изолиний и дискретными схемами предыдущих лет авторства А.Д. Дучкова (Геология и полезные., 2000; Дучков, Соколова, Аюнов, 2013).
Сделанные выводы о возрасте последней тектоно-магматической активизации как о главенствующем факторе, влияющем на распределение теплового потока, наследуют взгляды, отраженные в работах Б.Г. Поляка и Я.Б. Смирнова (Поляк, Смирнов, 1968), А.Д. Дучкова (Геология и полезные., 2000), А.Р. Курчикова (Курчиков, 2001) и М.Д. Хуторского (Хуторской, Поляк, 2016).
Апробация результатов исследования
Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Международном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова (Томск, 2018-2024 гг.), на 2-й Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы геологии нефти и газа Сибири» (Новосибирск, 2019 г.), на Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2018 г., Пермь, 2019 г., Екатеринбург, 2020 г., Пермь, 2021 г., Пермь, 2023 г.)., на Всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых «Трофимуковские чтения» (Новосибирск, 2019, 2021 гг.), на Всероссийской конференции с международным участием «Научные чтения памяти Ю.П. Булашевича (Екатеринбург, 2019 г., 2021 г.), на Международном научном семинаре им Д.Г. Успенского (Пермь, 2019 г., Воронеж, 2020 г.)
Основные положения диссертационной работы изложены в 28 публикациях, в том числе 5 статей в журналах перечня ВАК, из них 3 индексируемых в Scopus и Web of Science, 2 статьи опубликованы в международном журнале, индексируемом в Web of Science.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из 5 разделов, введения и заключения, общим объемом 108 страниц, 42 иллюстраций, 6 таблиц, 108 источников литературы и 1 приложения.
Благодарности
Автор чтит светлую память первого научного руководителя Исаева Валерия Ивановича, которому он обязан зарождением интереса к науке, и благодарит за чуткое руководство и плодотворную совместную работу. Он основал научную группу томских геотермиков и на протяжении многих лет являлся наставником своих учеников и примером настоящего Ученого.
Особую благодарность автор выражает Юрию Викторовичу Колмакову за помощь в трудную минуту, научные консультации и ценные советы, благодаря которым удалось успешно завершить исследование.
Автор благодарит главных научных сотрудников ИНГГ им. А.А. Трофимука СО РАН А.Н. Фомина и А.Д. Дучкова и руководителя ТФ ТФГИ СФО О.С. Исаеву за предоставление геологогеофизической информации.
Автор выражает признательность Г.А. Лобовой и ее ученице А.С. Герасимовой за сотрудничество и внимание к работе, а также Е.В. Гусеву за консультации на некоторых этапах исследования.
Слова благодарности заслуживают коллеги из отделения геологии и в особенности Н.В. Гусева за содействие при подготовке к защите диссертации, П.Н. Максимов, Н.А. Калинина и В.Г. Федоров за моральную поддержку и общение.
Конечно же, автор искренне благодарит свою супругу Крутенко Маргариту Фаритовну за безграничную поддержку, всеобъемлющую помощь и терпение!

Купить

Известно, что месторождения углеводородов тяготеют к аномальным особенностям распределения глубинного теплового потока, преимущественно к градиентным зонам положительных аномалий. Скопление месторождений нефти и газа в зонах повышенных значений теплового потока можно объяснить достаточной степенью прогрева нефтематеринских пород для генерации углеводородов. Однако вопрос о причинах, вызывающих появление таких аномальных зон в распределении теплового потока, до сих пор является дискуссионным.
В рамках настоящей работы решались научные задачи картирования плотности глубинного теплового потока и выявления связей аномалий теплового поля на поверхности доюрского фундамента юго-восточной части Западно-Сибирской плиты с образованиями главных тектоно-магматических событий длительной истории его развития, включая продукты процессов, предшествующих, сопутствующих волжскому времени накопления нефтематеринских отложений, и происходящих позднее.
Построена схематическая карта глубинного теплового потока из основания осадочного разреза по результатам моделирования в 433 глубоких скважинах. Выявлены зоны аномального теплового потока, расположение которых согласуется с менее детальными картопостроениями предыдущих лет.
В качестве основного фактора, контролирующего величину теплового потока в отдельных блоках, определен возраст их тектоно-магматической активизации: по мере его омоложения установлено закономерное усиление теплового потока. Локальные аномалии в пределах одновозрастных блоков можно объяснить латеральным изменением теплофизических свойств пород.
Установлена связь теплового потока с распределением органического вещества волжских отложений и локализацией месторождений углеводородов с различным фазовым составом флюида. Полученные результаты хорошо согласуются с главенствующей осадочномиграционной теорией и роли в ней геотермического режима как главного фактора реализации нефтегенерационного потенциала.
Накопление достоверных представлений о причинах появления аномалий теплового поля способствует более полному выяснению их связи с месторождениями углеводородов, что позволит повысить эффективность прогноза по данным геотермии в самом Западно-Сибирском бассейне, а также перенести сделанные выводы и обобщения на другие нефтегазоносные бассейны.

Купить