книги из ГПНТБ / Прошляков, Б. К. Вторичные изменения терригенных пород-коллекторов нефти и газа

Отсутствие зависимости между величиной пористости и ко­ личеством кальцита в глинистых породах на глубине свыше 1500—2000 м позволяет считать, что степень их уплотнения в такой обстановке определяется главным образом физическими причинами. При этом наряду с уплотнением под давлением и упорядочением расположения глинистых частиц происходит из­ менение структуры глинистых минералов, их решетка приобре­ тает более плотную упаковку. Рентгеновский анализ глин пока­ зывает, что на небольших глубинах глины мезо-кайнозоя Прикаспия слагаются минералами группы каолинита, гидрослюд и, реже, монтмориллонита. На глубинах свыше 1500—2000 м по­ степенно возрастает роль гидрослюд, а к 3500 м глинистые породы представлены исключительно хлорит-гидрослюдистыми образованиями, отличающимися более плотной кристаллической решеткой.

.Отмеченная обратная зависимость пористости и карбонатности глинистых пород на небольших глубинах наблюдается толь­ ко в том случае, если данный осадочный комплекс не претерпевал больших нисходящих, а затем восходящих движений. Породы, находившиеся на большой глубине, сохраняют черты, приобре­ тенные в процессе глубинного катагенеза даже после выхода их на поверхность, поэтому их пористость и плотность будут близки приобретенным на соответствующей глубине (лишь несколько возрастет пористость и понизится плотность за счет упругих деформаций). На явления необратимого уплотнения горных

пород Северного Предкавказья и другие исследователи. Отмечая отрицательное влияние цементирующего материала

на пористость обломочных пород, следует подчеркнуть, что при­ сутствие различного по составу цемента вызывает неодинаковые последствия. Сравнение в этом аспекте роли глинистого и кар­ бонатного цемента показало, что на глубинах до 1000 м (при постоянной карбонатности менее 5%) изменение количества глинистого материала от 1,5 до 40% сопровождается понижени­ ем полной пористости от 30—40 до 15—20%. Такое же пониже­ ние пористости (при более или менее постоянном — до 5% — содержании глинистого материала) происходит при увеличении содержания кальцита от 1—2 до 20—25%. Таким образом, при равных увеличениях количества глины и кальцита пористость интенсивнее снижается за счет последнего.

К подобному выводу пришел и С. П. Корсаков (1965) при изучении меловых коллекторов Бухарского нефтегазоносного района. Отмеченная закономерность, однако, распространяется лишь на породы ограниченного интервала глубин. С увеличе­ нием глубины залегания различие во влиянии этих цементов снижается и к 2500—3000 м их роль становится примерно равно­ ценной. Такое явление можно объяснить следующим образом:

101

на небольших глубинах глина, заполняющая поры в песчано­ алевритовых породах, сама является пористым материалом. На глубинах до 1000 м ее пористость составляет 25—40%, а плот­ ность 1,6—1,9 г/см3. Кальцит как продукт хемогенный, образо­ вавшийся в стадию седиментогенеза или позже, не участвует в строении каркаса породы. Он может заполнять имеющиеся поры и, таким образом, резко, пропорционально его количеству, сни­ жать пористость осадочных образований. Породы, содержащие хемогенный кальцит, с глубиной уплотняются слабее, поскольку они ужэ уплотнены, низкопористы, а спаянный кальцитом кар­ кас менее подвержен деформации. С увеличением глубины залерания бескарбонатной породы (бессульфатной и вообще не содержащей хемогенного цемента) сокращение порового прост­ ранства происходит за счет деформации ее каркаса; при этом существенно снижается пористость глинистого цемента как за счет упорядочения расположения глинистых частиц, так и за счет изменения структуры глинистых минералов, а плотность глин на глубине 2500—3000 м повышается до 2,3—2,5 г/см3, приближаясь к плотности кальцита. (6 = 2,72 г/см3). Эти обстоя­ тельства и определяют выравнивание влияний глинистого и кадьцитового цемента на пористость пород на глубинах свыше

2500—3000 м.

Как следует из изложенного, величины пористости и плотно­ сти в значительной мере определяются глубиной залегания пород. Они в определенной степени отражают интенсивность давления, которому подвергались осадочные образования. Есте­ ственно, что тектонические процессы, неоднократные восходящие и нисходящие движения затрудняют оценку роли глубины в процессе уплотнения пород и изменения их пористости. Известно много примеров чрезвычайно сильного уплотнения пород, зале­ гающих на небольших глубинах, особенно в геосинклинальных областях. Например, неогеновые и палеогеновые песчаники из Даниловской опорной скважины (Предкарпатский прогиб) с глубины 500—600 м имеют плотность 2,41—2,58 г/см3 и общую

для исследования. Здесь в течение длительного времени, начи­ ная с триаса, происходили в основном нисходящие движения, поэтому в межкупольных зонах скважины вскрывают породы в условиях их максимального погружения. Именно настоящее глубинное положение и определяет существующие значения по­ ристости и плотности пород.

Вопросу изучения влияния горного давления на пористость пород посвящены многочисленные работы советских и зарубеж­ ных исследователей: Э. Э. Фотиади (1957), И. Фетта (1957), Д. Веле (1959), Б. К- Прошлякова (1960, 1964), В. М. Добрыни­ на (1963, 1965, 1970), В. Энгельгардта (1964), Д. Максвелла

102

(1964) и других. Общая тенденция изменения пористости с из­ менением глубины залегания для всех обломочных и глинистых осадочных горных пород одинакова — чем больше глубина зале­ гания, тем сильнее уплотнена порода, тем ниже ее пористость.

С увеличением глубины залегания пористость пород различ­ ного состава изменяется неодинаково. Глинистые породы вначале

пийской впадины до глубины 3300—3500 м. Ниже темп уплот­ нения песчано-алевритовых отложений понижается (рис. 38), при этом пористость сокращается на 3—5% на каждые 1000 м погружения. Например, на глубине около 4000 м (скважины Аралсорская СГ-1, Чувашская П-19 и др.) полная пористость

103

варьирует впределах 5—10% и лишь на немного ниже, чем на глубине 3000 м. Пористость песчаников и алевролитов с высо­ ким содержанием цемента изменяется по кривой, промежуточ­ ной между кривыми глин и чистых песчаников. Неодинаковое изменение пористости пород с глубиной определяется тем, что действие факторов уплотнения в осадочных породах различного состава проявляется по-разному.

В связи с вопросами оценки запасов нефти и газа, а также разработки месторождений этих полезных ископаемых на боль­ ших глубинах важное значение имеет установление соотношений между величинами полной и открытой пористости. На Всесоюз­ ном совещании по унификации методов определения коллектор­ ских свойств пород (труды ВНИГНИ, вып. XVII, 1966) по этому вопросу были высказаны различные мнения. Ю. С. Мельникова (1966) и К- Г. Оркин (1966) считают, что открытая пористость для обломочных пород в большинстве случаев совпадает с пол­ ной. А. А. Ханин (1966) отметил, что это наблюдается далеко не всегда.

Проведенные нами исследования на керновом материале из Прикаспийской впадины и Южного Мангышлака показали, что на небольших глубинах (примерно до 500—900 м) в песчано­ алевритовых породах с низким содержанием цемента полная и открытая пористость по величине, действительно, нередко сов­

4000—4200 м достигая 3,5—4% при общем снижении пористости. В результате полная пористость превышает открытую в 1,4—2

раза, при этом величина отношения к" /к" существенно умень­ шается (рис. 39).

Подобное превышение полной пористости над открытой типично как для песчано-алевритовых, так и для глинистых по­ род. Открытая пористость глинистых пород снижается с увеличе­ нием глубины вначале очень резко, примерно на 15% в интерва­ ле первой 1000 м. Постепенно темп снижения пористости убывает; в диапазоне от 3000 до 4000 м он составляет около 1,5%, и в дальнейшем стабилизируется (1,5% на 1000 м). От­ крытая пористость на глубине 4000 м по усредненным данным составляет 4,9% (колебания в пределах 3,55—6,30%), а в интервале глубин 6500—6661 м — 0,85—1,2%. Тенденция сниже­ ния описываемой величины такова, что к 7000—7100 м она должна стать близкой к нулю. Полная пористость при этом ожидается равной 3—4%.

Отношение к„ /к п в глинистых породах на глубине до 1000 м изменяется в пределах 0,80—0,95. Глубже эта величина посте­ пенно понижается и к 6800 м составляет 0,20—0,54, т. е. откры­ тая пористость становится в 2—5 раз меньше полной. В песчано­ алевритовых породах эта зависимость ниже 4400 м не исследова­

104

лась в связи с отсутствием подходящего каменного материала. Основываясь на общей тенденции изменения отношений порис­ тости этих пород, можно полагать, что на глубине около 7000 м полная пористость превышает открытую в 4—б раз.

Такие различия в изменении описанных видов пористости с глубиной происходят вследствие уменьшения сечения поровых каналов и изоляции значительной части пор друг от друга за счет уплотнения и вторичного перераспределения части вещества

генных пород: по три песчаных и алевритовых с содержанием цемента менее 10, 10—30 и 30—50% и две глинистых с содер­ жанием фракции мельче 0,01 мм более 80 и 60—80%. Количе­ ство растворимой части в цементе обломочных пород не пре­ вышало 30%, а в глинистых породах — 25% (таким образом, глинистые мергели не учитывались).

Для каждой из выделенных разностей пород была определе­ на медианная открытая пористость по всему вскрытому сква­ жинами интервалу глубин и среднеарифметическая поинтервально для каждых 500 м (табл. 11, 12, 13, 14). Результаты полно-

105

стью совпали. Материалы обработки представлены на рис. 40. Для построения каждой кривой использовалось от 91 до 234 образцов, лишь алевролиты с содержанием обломочной части свыше 90% представлены только 40 образцами.

106

В связи с различием величины пор и поровых каналов в песчаных и алевритовых породах мы пытались выявить отличи-

107

тельные особенности в изменении открытой пористости тех и других с увеличением глубины залегания. Полученные материа­ лы показывают, что открытая пористость песчаников и алевро­ литов с равным содержанием цемента изменяется практически

Рис. 40. Изменение открытой пористости терригенных пород с глубиной:

Породы: а — песчаные; б — алевритовые; б'— глинистые. Со­ держание фракций: / — <0,01 мм более 80%; 2 — < 0,01 мм

60—80%; Содержание цемента: 3, 4—30—50%; 4, 5—10—30%; 7, В—<10%.

одинаково. Максимальные различия медианных значений их пористости на равных глубинах обычно не превышают 1,5%. В то же время изменение пористости каждой разности песчани­ ков (или алевролитов) по мере увеличения глубины залегания имеет специфические особенности.

108

Открытая пористость глин различного состава изменяется

сглубиной примерно одинаково. Как и следовало ожидать, бо­ лее «чистые» глины близ поверхности более пористы, чем глины

сповышенным содержанием примесей (см. рис. 40). Здесь ска­

лывается роль отсортированности пород и то обстоятельство, что обломочные частицы (и карбонатный материал), занимая опре­ деленную часть объема и являясь практически не пористыми, способствуют снижению пористости. Кроме того, по А. А. Ханину, глины с примесью песчано-алевритового материала облада­ ют более высокими фильтрационными свойствами, чем «чистые» разности, и поэтому, отдавая поровую воду, уплотняются быст­ рее. Наряду с этим в «чистых» глинах выше капиллярное давле­ ние, препятствующее уплотнению. Таким образом, на небольших глубинах чем больше обломочных частиц в глинистой породе, тем ниже ее пористость (при прочих равных условиях). Вместе с тем темп снижения пористости «чистых» глин несколько выше, чем глин, обогащенных примесями, и на глубине свыше 900— 1000 м они становятся менее пористыми, правда, различие медианных значений не превышает 0,9% до глубины 3250 м. Ни­ же описываемый параметр изменяется одинаково для всех раз­ ностей глин.

Уже первое знакомство с графиком изменения пористости пород вызывает вопрос, почему различные породы уплотняются неодинаково? Результаты исследования постдиагенетических процессов, изложенные выше, позволяют, как нам представляет­ ся, дать на это вполне определенный ответ. «Чистые» песчаники и алевролиты (содержание цемента менее 10%) вначале уплот­ няются очень медленно. До глубины 1200—1300 м их пористость снижается главным образом за счет перегруппировки обломоч­ ных частиц, образования более плотной упаковки. Ниже этой глубины достигается критическое давление на контактах обло­ мочных зерен, начинается их растворение, образуются кон­ формные и инкорпорационные структуры, пористость резко сни­ жается, примерно на 10% в интервале 1200—2000 м. В дальней­ шем темп снижения пористости уменьшается. Основной причиной этого, по-видимому, является увеличение элементарных площа­ док на контактах между обломочными зернами, сопровождаю­ щееся понижением роли эффекта давления. Ниже 2500—2700 м в результате интенсивного проявления процессов регенерации и эпигенетичной карбонатизации градиент снижения пористости вновь возрастает. К глубине 3500 м вследствие заполнения поровых каналов продуктами катагенеза снижаются фильтрацион­ ные свойства пород, сокращается привнос растворенных ве­ ществ.

Как следствие всего этого, происходит резкое снижение темпа уменьшения открытой пористости. К 4500 м пористость «чистых» песчаников и алевролитов теоретически должна стать равной пористости аргиллитов.

109

Иначе изменяется открытая пористость песчаников и алевро­ литов с повышенным содержанием цементирующей части. Ввиду наличия цемента уплотнение их происходит по кривым, проме­ жуточным между линиями изменения «чистых» песчано-алеври­ товых и глинистых пород. Вли­

в породах были нанесены на график совместно с данными изме­ нения медианной открытой пористости глинистых и песчано­ алевритовых образований (рис. 41).

Выявилась весьма интересная закономерность: объемы порового пространства песчано-алевритовых и глинистых пород на равных глубинах отличаются друг от друга на величину, очень близкую изменению объема карбонатов в песчано-алевритовых образованиях в процессе катагенеза. Подобная же картина наблюдается и при анализе полной пористости.

Установленные соотношения между пористостью и объемом вынесенной растворимой части позволяют предположить, что уплотнение песчано-алевритовых и глинистых пород при отсут-

МО