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

различные глинистые минералы, но даже на небольших глуби­ нах преобладает хлорит-гидрослюдистая или каолинит-гидро- слюдистая ассоциация. С увеличением глубины залегания по­ род понижается роль разбухающих компонентов и возрастает значение гидрослюд и хлоритов. Следовательно, отрицательное влияние адсорбции и разбухания глинистых минералов на кол­ лекторские свойства терригенных пород в определенной мере понижается, чему способствует и высокая минерализация пла­ стовых вод. С другой стороны, это, по-видимому, снижает и экранирующую способность терригенных пород.

Кроме качества глинистого материала на проницаемость обломочных пород существенно влияет и его количество. В за­ висимости от содержания последнего, поры заполняются им частично или полностью, что в конечном итоге определяет тек­ стурные особенности цемента и его влияние на коллекторские или экранирующие свойства пород.

Согласно существующим представлениям, выделяются пять типов цемента: пленочный, контактовый, сгустковый, поровый и базальный. Цемент первых трех типов заполняет поры час­ тично, и в этом случае в сухой породе проницаемость в су­ щественной степени зависит от содержания глинистого мате­ риала, количество которого может изменяться от единиц до

25—30%.

Поровый и базальный цемент заполняют все поровое про­ странство. Количество порового цемента в обломочной породе при идеальной отсортированности частиц, как уже упомина­ лось, теоретически может изменяться от 25,96 до 47,6% объема, в зависимости от типа упаковки. В реальной породе этот диа­ пазон значительно шире, поскольку при низкой отсортирован­ ности обломков объем пустот, которые могут быть заполнены глиной, сокращается до 10—15%.

Таким образом, при одинаковых количествах цемента воз­ можно существование различных его типов. Поскольку поро-

121

ды с поровым и базальным типом цемента малопроницаемы,

нет. Действительно, в природе такие явления обычны. Проил­ люстрируем это примером. На глубинах до 500—700 м в При­

оказываются обломочные породы, содержащие до 35—40% гли­ нистого цемента. По мере увеличения глубины залегания по­ род тип упаковки обломочных частиц постепенно сменяется на плотнейший, объем порового пространства сокращается, вслед­ ствие этого пленочный и контактный типы цемента (при доста­ точном его содержании) сменяются поровым, при котором по­ роды теряют свойство проницаемости.

В Прикаспийской впадине (районы Порт-Артура, Северно­ го Жетыбая, Джамбейты и др.), например, на глубине 2000— 3000 м песчаники имеют цемент порового типа при содержа­ нии карбонатно-глинистого материала в количестве свыше 25%, при этом породы становятся практически непроницаемыми. В случае, если глинистого материала было мало и при уплотне­ нии породы его оказалось недостаточно для заполнения всего порового пространства, тип цемента не изменится, а проница­ емость сильно понизится, поскольку диаметр поровых каналов значительно сузится.

Кальцитовый и доломитовый цементы (последний в мезокайнозойских отложениях Прикаспийской впадины и приле­ гающих районах встречается крайне редко) влияют на прони­ цаемость подобно глинам. Вместе с тем следует отметить, что карбонатный (цементирующий) материал обладает большой подвижностью, способностью перекристаллизовываться уже на ранних стадиях катагенеза. Вследствие этого в обломочных по­ родах он распределяется менее равномерно, чем глинистый це­ мент; в одном образце обломочной породы карбонатный цемент может быть представлен сразу несколькими типами, при этом чаще всего сочетаются контактный, пленочный и поровый це­ менты.

Анализ образцов керна показывает, что в ряде случаев при одинаковом гранулометрическом составе породы отдельные ее участки очень сильно различаются по содержанию кальцита (17—25%, колебания в 3—5% обычны). Вследствие этого час­ то не удается установить более или менее четкой количествен­ ной зависимости между содержанием кальцита (или доломи­ та) в породе и ее проницаемостью. Нередко образцы с мень­ шим содержанием кальцита оказываются менее проницаемыми, чем при большем его содержании. Это вызвано особенностями размещения в породе карбонатов, определивших структуру по­ рового пространства. Микроскопическое изучение пород, для которых определялась проницаемость,.показывает,, что: из двух

122

образцов одинакового гранулометрического состава с равным содержанием кальцита более проницаем тот, в котором каль­ цит распределяется неравномерно. Установлено также, что образцы песчано-алевритовых пород оказываются более прони­ цаемыми при кристаллическом цементе, чем при пелитоморфном (при прочих равных качествах). Это обстоятельство объяс­ няется тем, что при равном весовом содержании агрегаты пелитоморфного кальцита вследствие меньшей их плотности занимают большой объем, чем кристаллические образования.

Наконец, так же как и в случае с глинистым цементом, влияние карбонатного цемента на проницаемость неодинаково на различных глубинах в силу описанных выше явлений. Осо­ бо здесь следует подчеркнуть роль процессов катагенеза, при которых, как уже отмечалось выше, содержание кальцита в песчано-алевритовых породах мезо-кайнозоя Прикаспийской впадины и ряде других районов понижается с глубиной (до

2000—2500 м).

Как известно, с глубиной возрастает плотность пород. На­ ряду с этим, за счет растворения карбонатов высвобождается часть порового пространства. В итоге темп снижения пористо­ сти песчано-алевритовых пород при их погружении до 2000— 2500 м замедляется. В ряде случаев в результате растворения и выноса кальцита происходит расширение существовавших поровых каналов и возникновение новых. Все это влечет за со­ бой увеличение пористости пород и особенно их проницаемости.

О явлениях повышения пористости пород с увеличением глу­ бины их залегания сообщалось в ряде работ. К. Р. Чепиков й его сотрудники (1962, 1972) отмечали, что повышенная пори­ стость нижнекаменноугольных песчаников Куйбышевского За­ волжья на глубине 1300 и 2500 м, по-видимому, связана с рас­ творением и выносом цемента, представленного сульфатом кальция. Повышение пористости песчано-алевритовых пород в мезозое Западной .Сибири отмечено Г. Н. Перозио (1960). Она писала, что на глубине ниже 2500 м «... породы более уплот­ нены, хотя открытая пористость несколько выше, чем в III зо­ не (вышележащей—Б. П.) и достигает 17,4—9,31% (против 15,53—2,19%)». Цемент пород, как отмечает автор, представ­ лен кальцитом и каолинитом. Учитывая сходство литологичес­ кого состава пород, можно предположить, что повышение по­ ристости здесь, как и в Прикаспийской впадине, связано с вы­ носом кальцита.

Вторичное повышение пористости в Северном Предкавказье нами было установлено в 1956—1958 гг. и отражено в сводном отчете (Чарыгин, Казаков и др., 1958) и статье (1960). В Прикумском районе Северного Предкавказья пористость нижнеме­ ловых песчано-алевритовых пород с кальцитовым цементом постепенно понижается до глубины 2500—2600 м, ниже (до 3200—3400 м) величина пористости стабилизируется, а в ряде

123

образцов даже повышается (до 20—28% против 14—20% на глубине 2400—2800 м). Проницаемость здесь также значитель­ но выше. Позднее подобные явления мы неоднократно наблю­ дали в различных районах Прикаспийской впадины. В частно­ сти, в образцах керна из Зареченских скважин на глубине 2500— 2600 м открытая пористость песчаников возрастает до 23—26%, а проницаемость достигает 250—365,6 мД, тогда как выше и ниже этой глубины в соседних скважинах одновозрастные пес­ чаники более кальцитизированы и имеют значительно худшие коллекторские свойства. Подобная картина наблюдалась в об­ разцах керна Джамбейтинской П-20, Мухорских Г-1, 2, Прорвенских и других скважин (Б. К. Прошляков, 1966, 1968). Изу­ чению изменения коллекторских свойств пород в этом плане до настоящего времени не уделялось должного внимания, поэтому во многих районах эти явления пока неизвестны. Однако уже имеющиеся данные позволяют считать явления вторичного улуч­ шения коллекторских свойств за счет выноса из пород кальцитового и ангидритового цемента в природе весьма широко рас­ пространенными. Обращает на себя внимание то обстоятельст­ во, что в различных районах повышение коллекторских свойств происходит примерно на одинаковых глубинах 2000—3000 м. Это, несомненно, представляет собой отражение единого гео­ химического процесса, описанного выше, связанного с пони­ жением устойчивости карбоната и сульфата кальция.

Выше уже отмечалась возможность повышения раствори­ мости карбонатов и на больших глубинах. Бурение Аралсорской сгерхглубокой скв. СГ-1 дало в этом отношении интерес­ ный материал. Здесь, на глубине 5940 м, по-видимому, вскрыта новая зона вторичного повышения коллекторских свойств, ко­ торая по предварительным данным прослеживается до глуби­ ны свыше 6070 м. К сожалению, керн с этих глубин поднимал­ ся крайне редко (всего два интервала), причем песчаников и алевролитов в нем не оказалось. В образцах шлама, посту­ пивших с глубины 5940—6070 м, содержалось чрезвычайно много светло-серого песка. В пробах, отобранных выше, встре­ чались исключительно обломки красноцветных аргиллитов и

глинисто-алевритовых пород.

Для установления природы обломочных частиц был произ­ веден гранулометрический анализ фракции шлама, прошедшей через сито 0.5 мм, и порошка барита, применявшегося при про­ ходке этого интервала (табл. 18).

Анализ полученных результатов показывает, что фракции шлама с глубины 5970 м и ниже отличаются повышенным со­ держанием глинистой и растворимой частей. Частицы крупнее

глинистых частиц. Именно с ними в значительной мере и свя­ зано присутствие карбонатов и фракции мельче 0,01 мм. Что-

124

Фракции шлама

бы исключить их влияние, обломочная часть была принята за 100% и вычислено соотношение песчаной и алевритовой фрак­ ций (табл. 19). Оказалось, что обломочные части барита и шлама существенно отличаются друг от друга.

Разделение песчано-алеврптового материала в тяжелой жид­ кости (плотность 2,8 г/см3) показало, что в пробах шлама тяжелая фракция составляла до 50%, а в порошке барита 91—93%. Минералогический анализ тяжелых фракций позволил установить почти полное тождество их состава как из порошка барита, так и из шлама. Легкая фракция шлама имела состав, типичный для обломочных пород. Это прежде всего свидетель­ ствует о том, что в шламе значительная часть «песчинок» пред­ ставлена баритом. Во-вторых, различное соотношение размер­ ных фракций и состав легкой фракции позволяют считать, что часть обломочного материала поступила из пород разреза. Очень возможно, что при работе долота на забое и химичес­ ком воздействии реагентов, вводимых в буровой раствор, сла­ бо сцементированные песчано-алевритовые породы дифферен­ цировались на отдельные составляющие. Это подтверждается

125

повышением механической скорости проходки отдельных ин­ тервалов до 4—5 м/ч, против 0,5—2,5 м/ч в выше-и нижележа­ щих частях разреза, а также поглощением глинистого раство­ ра в интервале 6024—6038 м. Кроме того, в описываемой части разреза газометрическими исследованиями установ­ лено повышенное содержание углеводородов в глинистом раст­ воре.

Существует мнение, что обломочный материал мог посту­ пать на глубины более 5900 м с верхних интервалов вследст­ вие повреждения (протертости обсадных труб. Этому, однако, противоречит то обстоятельство, что в интервалах 6032—6048, 6065—6068 м и других повышенное количество песчано-алев­ ритового материала выносилось при проходке как первого, так и второго стволов скважины.

Текстурные особенности пород, состав и характер распре­ деления в них цемента остаются неясными в связи с отсут­ ствием кернового материала и разобщенностью минеральных зе­ рен в шламе. Ввиду большого практического и теоретиче­ ского значения намечающегося явления необходимо его дальнейшее изучение на каменном материале с больших глубин.

Таким образом, кальцитовый цемент играет чрезвычайно важную роль при формировании коллекторских свойств портд как в стадии осадкообразования, диагенеза, так и в более позднюю стадию катагенеза.

Сравнение влияния карбонатного и глинистого цементов на проницаемость пород показывает, что в различных нефте­ газоносных районах их роль неодинакова. В Прикаспийской впадине и на Мангышлаке намечается более резкое снижение проницаемости за счет глинистого цемента, чем за счет каль­ цита. Так, например, в районе месторождения Узень при 20— 25% глинистого цемента проницаемость не привышает 10 мД, а многие образцы вообще практически не проницаемы, в то время как при таком же содержании кальцита проницаемость составляет до 500—700 мД. На Южной Эмбе, в районах КараАрны, Буранкуля при 11 —17% глины уже встречаются непро­ ницаемые песчано-алевритовые породы, тогда как при 20% кальцита (при отсутствии глины) образцы все еще обладают небольшой проницаемостью (до 10 мД). Подобные соотноше­ ния имеют место и в центральных районах междуречья Урал— Волга, правда, эти различия невелики. К аналогичным выво­ дам пришел и А. А. Ханин (1965). Имеются, однако, и проти­ воположные сведения Так, С. П. Корсаков (1965) отмечает, что в Бухарском нефтегазоносном районе при равных содер­ жаниях кальцита и глины в большей степени проницаемость снижается за счет первого. При количестве глинистого цемен­

126

Большая эффективность снижения проницаемости за счет глинистого цемента связана с его меньшей плотностью, вслед­ ствие чего при равных весовых содержаниях в породе объем, занимаемый глиной, выше (а поровые каналы меньше), чем при кальцитовом цементе. Кроме того, глины обладают боль­ шой удельной поверхностью частиц, адсорбционной способ­ ностью и свойством связывать большое количество воды. Как показывают расчеты, удельная поверхность зерен в песчаниках с 5% глинистого материала составляет преимущественно 3500—4500 см2/см3, а при увеличении глинистого вещества до 20—25°/о она возрастает до 10 000—13 000 см2/см3, т. е. адсорб­ ционная способность их при прочих равных условиях увеличи­ вается в 2,5—3,5 раза.

У карбонатов отмеченные качества выражены значительно слабее. Именно этим объясняется большая проницаемость песчано-алевритовых пород с карбонатным цементом по срав­ нению с соответствующими образованиями, ' имеющими гли­ нистый цемент. Кроме того, надо иметь в виду, что при пе­ рераспределении в стадию катагенеза кальцит может менее равномерно размещаться в породе, вследствие чего остаются открытыми для фильтрации отдельные системы поровых кана­ лов. Большее снижение проницаемости за счет кальцитового цемента в Бухарском районе, возможно, связано с различиями в гранулометрическом составе пород или специфическими структурными особенностями цемента. Во всяком случае для однозначного решения этого вопроса необходимы дополнитель­ ные специальные исследования.

Существенно влияют на коллекторские свойства пород структуры, возникшие в результате растворения и регенерации кварца. При образовании структур растворения возникают уд­ линенные контакты между зернами, вследствие чего снижают­ ся пористость и проницаемость пород.

При регенерации зерен кварца и полевых шпатов новооб­ разования заполняют первичные и вторичные поры, возникшие в результате выноса кальцита. В зависимости от количества кремнекислоты и глинозема заполнение может быть частич­ ным или полным. Если материала достаточно, возникают чрез­ вычайно плотные крепкие породы, иногда называемые окварцованными песчаниками (или алевролитами, в зависимости от

5%. Естественно, что такие песчаники или алевролиты практи­ чески непроницаемы. Часто, однако, материала недостаточно для полной регенерации. В этом случае пористость пород выше, а газопроницаемость достигает 200—400 мД. Подобное

127

нерация обломочных зерен в раннюю стадию катагенеза. Аутигенный кварц, скрепляя кварцевые обломки, создавал прочный каркас и тем самым препятствовал уплотнению породы при погружении. Авторы отметили, что такие явления характер­ ны для мелкозернистых песчаников, но редко наблюдаются в крупнозернистых, так как последние слабо окварцованы и не имеют прочного каркаса вследствие недостаточности кремнезема.

Явления регенерации типичны для мезозойских обломочных пород Прикаспийской впадины, погружавшихся ранее или за­ легающих в настоящее время на глубине более 2000—2500 м. Важным обстоятельством в процессе перераспределения крем­ незема является степень «чистоты» песчано-алевритовых по­ род. При повышенном содержании глинистого цемента регене­ рация и конформация в обломочных породах проявляются зна­ чительно слабее и не столь существенно влияют на коллектор­ ские свойства.

Изучение песчано-алевритовых коллекторов с глубокой ре­ генерацией обломочных зерен показывает, что большое значе­ ние для их перспективной оценки имеют знание направленнос­ ти катагенетических процессов, истории геологического разви­ тия района, гидрогеологического режима в настоящее время и прошлые геологические эпохи. В общем виде породы, зале­ гающие на небольших глубинах и не погружавшиеся прежде, не должны подвергнуться существенному окварцеванию.

Среди рассмотренных свойств и факторов, • влияющих на величину проницаемости, к числу важнейших относятся лито­ логический состав пород, степень их механического уплотнения и глубина постдиагенетических изменений. Мы попытались вы­ разить совместное их влияние на проницаемость с помощью диаграммы зависимости, в свое время предложенной нами для Северного Предкавказья (1S60) и Прикаспийской впадины (1966). Степень уплотнения пород и особенности их катагене­ тических преобразований отражает глубина залегания, она и наносилась на диаграмму. Для характеристики литологичес­ кого состава компоненты пород были объединены в две труп пы: обломочную — все частицы обломочного происхождения размером крупнее 0,01 мм, практически до 1 мм, положитель­ но влияющую на коллекторские свойства, и цементирующую — глинистые минералы, пелит и хемогенный материал, понижа­ ющую качество коллекторов.

Как известно, между проницаемыми и непроницаемыми по­ родами нет четкой границы, но, учитывая опыт нефтяников и газовиков, а также доводы М. К.. Калинко (1958) и А. А. Ханина (1965), при оценке фильтрационных свойств пород за проницаемые условно принимались породы с проницаемостью не менее 1 мД, остальные считались непроницаемыми. Диаг­

128

вано тем, что первый ряд пород при равных условиях обла­ дает более высокой проницаемостью в связи с большим диаметром пор. При построении диаграмм по вертикальной коор-

границы зон определенных значений проницаемости.

Динате откладывались глубины залегания, а по горизонталь­ ной — суммарное количество обломочной части в весовых про­ центах (число, дополняющее его до 100%, соответствует содер­

жанию цемента). На каждую из диаграмм было нанесено соответственно 378 и 346 результатов анализов образцов по­ род из различных районов Прикаспийской впадины.

На диаграммах отчетливо выделяются зоны с одинаковыми значениями проницаемости. Границы между ними представ­ ляют кривые линии, протягивающиеся сверху вниз под некото­ рыми углами к осям координат. В тяти правых зонах распола­ гаются только проницаемые образцы, три этом величина £пр последовательно справа налево, от зоны к зоне понижается. Конфигурация зон на обеих диаграммах (см. рис. 49, 50) тож­ дественна, но ширина их несколько отличается, что является отражением различия состава пород и прежде всего их гра­ нулометрии. Левые границы группы зон, характеризующих проницаемые породы, на обеих диаграммах совпадают. В шес­ той (считая справа) зоне одновременно располагаются прони­ цаемые и непроницаемые породы. Наконец, крайнее левое по­ ле занимают только условно непроницаемые (&Пр<1 мД) терригенные осадочные образования. Границы между крайней левой и соседней с ней справа на обеих диаграммах совпадают.

Таким образом, правые пять зон образуют область распрос­ транения проницаемых пород, шестая — зона возможно прони­ цаемых пород и седьмая, левая — зона непроницаемых пород (&пр<1 мД). Соответствующие границы между тремя левыми зонами на обеих диаграммах совпадают. Их совпадение сви­ детельствует о том, что в данных условиях положение Гранин определяется не размером обломочных частиц, составляющих породы, а количеством цемента и типом цементации. По мере увеличения глубины залегания (и соответственно уплотнения пород) область развития проницаемых пород сужается; обяза­ тельно проницаемыми остаются породы со все более низким содержанием цемента, наконец, на глубине 2700 м описывае­ мая зона исчезает совершенно и не проявляется даже при 95— 100%-ном содержании обломочной части. Здесь уместно об­ ратить внимание на то, что на глубине 100—200 м обязатель­ но проницаемыми оказываются глинистые породы, содержа­ щие 40—50% обломочного материала. Сверху вниз зоны неп­ роницаемых и возможно проницаемых пород (особенно первая) расширяются. На глубине около 4000 м (и ниже) гранулярные коллекторы, не заполненные углеводородами, по-видимому, исчезают полностью. Правда, их вторичное появление не иск­ лючено, о чем говорилось выше.

Левая (VII) зона представляет большой интерес как об­ ласть развития пород — возможных экранов для скоплений жидких и газообразных флюидов. Проницаемость пород пер­ вых пяти групп определяется в первую очередь размером обло­ мочных частиц (применительно к песку и алевриту) и содер­ жанием цемента. Справа налево роль размера частиц постепен­ но снижается, наоборот, значение цемента возрастает. В этих

130