В результате изучения гидрогеологических условий мезозойских отложений северных районов Тюменской области, где открыты уникальные газовые месторождения Уренгойское, Медвежье, Губкинское, Заполярное, Тазовское и др. (рис. 1), были получены весьма важные данные по растворенным газам пластовых вод [Кругликов, 1963; Шилов и Крюкова, 1967]. Интерес к последним возрастает в связи с необходимостью объяснения некоторых явлений.

Северо-Тюменские газовые месторождения с громадными промышленными запасами вполне вписываются в гигантскую водонапорную систему, в которой ресурсы растворенного газа по меньшей мере на два порядка превышают выявленные запасы. В этом отношении не вызывает сомнения генетическая общность газовых месторождений и «океана» газонасыщенных пластовых вод, как бы омывающего многочисленные скопления свободного газа.

Особенности состава растворенных газов пластовых вод, представленных почти исключительно метаном, можно объяснить при помощи гипотезы о формировании газовых залежей в результате длительного разгазирования водонапорной системы по мере достижения ее предельного газонасыщения. Исходя из этих положений, можно сделать вывод о первичности газонасыщенной системы и вторичности промышленных залежей газа.

Вместе с тем возникают затруднения в объяснении фактов, свидетельствующих о наличии определенного порога между давлением насыщения пластовых вод и пластовыми давлениями [Кругликов, 1963; Шилов и Крюкова, 1967]. Эти данные говорят о том, что на современном этапе геологической истории, в силу каких-то причин, разгазирование системы прекратилось и ранее сформировавшиеся газовые залежи в определенной мере утратили свои генетические связи с системой. Между тем из общего характера водонапорной системы, приуроченной к сравнительно молодой платформе с интенсивными процессами нефтегазообразования, не вытекает возможность установления столь необычных и в известной мере парадоксальных для данного региона условий.

Имеющиеся в литературе высказывания о возможных причинах дефицита давления насыщения пластовых вод системы сводятся к предположениям о резких изменениях гидростатических давлений системы в связи с колебаниями уровня Полярного бассейна. Так, по некоторым данным [Кузин, 1963], за плиоцен-четвертичный период уровень Полярного океана сначала опустился на 260 м (считая от современной отметки), затем поднялся на 460 м, после чего снова понизился на 200 м.

Не касаясь вопроса о достоверности таких резких колебаний уровня Полярного бассейна, следует отметить, что даже если подобные колебания и имели место, то система не смогла столь резко дегазироваться. Действительно, разгазирование пластовых вод, занимающих пористое пространство осадочного покрова, происходит более сложным и длительным путем, чем это имеет место в гомогенной массе воды. Газовые пузырьки, выделявшиеся из предельно насыщенных и перенасыщенных пластовых вод, должны были преодолевать сложный путь к ловушкам, мигрируя по ажурному лабиринту коллекторов. Представляется, что притормаживание процесса разгазирования при этом может играть роль, придающую системе известную инертность. Вот почему кратковременные изменения давления в системе не могут привести к немедленному ее разгазированию. Для этого требуется более значительный промежуток геологического времени [Корценштейн, 1963]. Ниже предлагаем другое объяснение причин существующего дефицита давления насыщения системы, основанное на реконструкции палеогидрогеологических условий формирования газовых залежей.

Из положения о первичности газонасыщенной системы и вторичности промышленных залежей газа следует вывод о том, что сами залежи углеводородов можно рассматривать в качестве захороненных, уцелевших реликтов древних гидрогеологических процессов. С точки зрения палеореконструкции газовой составляющей водонапорной системы, залежи газа ничем не отличаются от травертинов, однозначно указывающих на выделение из системы свободного углекислого газа. Отличие заключается лишь в том, что залежи газа «менее вечны» по сравнению с травертинами. Но зато они являются весьма ценным свидетельством, позволяющим восстановить более полную, чем по травертинам, картину минувших процессов, поскольку по параметрам газовой залежи можно в известной мере восстановить параметры палеоводонапорной системы.

Исходя из этих соображений, можно сделать следующие выводы.

1. Выявленные газовые залежи на фоне обширной газонасыщенной водонапорной системы могут расцениваться как доказательство предельного газонасыщения системы в период наиболее активной фазы их формирования.

2. Наличие дефицита давления насыщения свидетельствует о том, что после формирования залежей произошли какие-то явления, приведшие к заметному снижению давления насыщения.

Как известно, давление насыщения пластовых вод зависит главным образом от их газонасыщенности, пластовой температуры и минерализации. Выше было показано, что резкое разгазирование системы в связи с предполагающимся кратковременным скачкообразным изменением пластового давления, маловероятно. Для образования дефицита давления насыщения за счет изменения общей минерализации необходимо резкое опреснение подземных вод, что сопряжено с возникновением окислительной обстановки. Этому противоречит фактическое состояние системы характеризующееся, судя по имеющимся гидрогеологическим данным, восстановительной обстановкой, способствовавшей сохранению уникальных залежей.

Остановимся теперь на последнем параметре, могущем существенно повлиять на формирование дефицита давления насыщения, - на температурных условиях. Для получения искомого дефицита упругости достаточно снизить пластовые температуры хотя бы на 10° [Корценштейн, 1963]. При этом условии пластовые воды, предельно насыщенные на этапе активного формирования залежей, должны снизить давление насыщения примерно на 10 атм. (рис. 2).

Обратимся теперь к геологическим явлениям четвертичного периода, могущим служить доказательством имевших место понижений пластовых температур на наиболее вероятных глубинах формирования залежей. К таким явлениям можно отнести неоднократные оледенения полярных районов Тюменской области, южная граница которых доходила до 60° северной широты [Обручев, 1930; Урванцев, 1930]. Судя по современному распределению многолетней мерзлоты, максимальная мощность ее нередко достигает 500 м. Имеются данные о двухслойном строении вечной мерзлоты, разделенной талыми слоями, что свидетельствует о том, что периоды оледенения сменялись эпохами потепления.

В связи с имевшими место оледенениями изучаемого региона, можно отметить следующее.

1. Несколько фаз оледенения в течение четвертичного периода были источником существенного нарушения теплового режима недр, по крайней мере, до глубин не менее 1500 м (рис. 3).

2. Установление отрицательных температур на глубинах до 500 м свидетельствует о том, что волна вековых снижений температуры распространялась постепенно, проникая на все большие глубины.

3. Сравнивая ненарушенное тепловое поле недр с фактически установленным в настоящее время, нетрудно заключить, что снижение температур недр до глубин 1500 м в результате различной длительности фаз оледенения составляет не менее 10-15° (см. рис. 3).

4. Эффект влияния низких пластовых температур Западно-Сибирской плиты на снижение давления насыщения воды должен постепенно затухать в южном направлении. Действительно, для Березовского газоносного района температура недр заметно выше, чем в газоносных районах севера Тюменской области.

Сопоставляя приведенные данные, можно сделать следующие выводы.

1. В результате различных процессов генерации углеводородов мезозойская водонапорная система приполярных районов Западной Сибири, вероятно, к концу палеогенового периода достигла предельного газонасыщения, что произошло, очевидно, в условиях, при которых тепловое поле недр не испытывало существенных искажений под воздействием экзогенных факторов, поскольку оледенение полярных районов произошло гораздо позднее.

2. Вследствие своего предельного газонасыщения и перенасыщения система постепенно дегазировалась, сформировав газовые залежи.

3. Неоднократные оледенения четвертичного периода заметно охладили недра, исказив тепловое поле недр на глубинах до 2-3 км. При этом пластовые температуры на глубинах до 1500 м снизились минимум на 10-15°.

4. Указанное снижение температур недр существенно повысило коэффициент растворимости метана (рис. 2). При этих условиях следует ожидать снижения давления насыщения пластовых вод примерно на 10-15 атм., с чем согласуются фактические данные.

5. Учитывая влияние колебания температур недр на динамику процесса дегазации предельно газонасыщенных водонапорных систем, можно полагать, что периодическая смена оледенений фазами теплого климата будет сопровождаться такими же периодическими фазами разгазирования системы, поскольку повышение пластовых температур неизбежно влечет за собою исчезновение порога между давлением насыщения и пластовым давлением.

6. Не исключено, что пульсационные колебания температуры недр, связанные с периодическими оледенениями, явились теми внешними благоприятными импульсами, которые привели к невиданному по масштабу разгазированию системы и формированию уникальных по запасам газовых месторождений.

7. Задавшись близкими к современным давлением насыщения и общей минерализацией пластовых вод и исходя из величины снижения температуры недр, представляется возможным по графику (рис. 2) установить начальное давление насыщения системы, существовавшее до снижения температуры недр в результате оледенения.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Корценштейн В.Н. Методика гидрогеологических исследований нефтегазоносных районов, М., 1963.

2. Кругликов И.М. // Матер. совещ. по нефтяной геологии, 1963.

3. Кузин И.Л. // Тр. ВНИГРИ, в. 225 (1963).

4. Обручев В.А. // Природа, № 5 (1930).

5. Урванцев Н.Н. // Природа, № 4 (1930).

6. Шилов Ю.С., Крюкова З.С. Научный отчет Всесоюзн. н.-и. инст. природн. газа за 1967 г.