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

пески, лессы и некоторые глины, максимальным — кристалли­ ческие известняки, аргиллиты и другие породы.

В зависимости от состава и физико-химических свойств со­ ставных компонентов при уплотнении пород ведущее значение имеют различные факторы. Триасовые, юрские, нижнемеловые известняки Прикаспийской впадины уплотняются главным об­ разом в результате процессов перекристаллизации. На глубине 400—600 м их kf>уже превышает 0,83, а ниже 1000 м (до 3600 м и, вероятно, глубже) изменяется в пределах 0,90—0,98 (рис. 1).

Рис. 1. Изменение уплотне­ ния мезозойских пород При­ каспийской впадины с глу­ биной:

личением глубины залегания уплотняются постепенно, ka плав­ но снижается от 0,58 на глубине 200—600 м до 0,77—0,85 на глубине 2600—3000 м, в среднем на 0,1 на каждые 1000 м. Уплотнение этих пород происходит под действием веса выше­ лежащих пород, в значительной мере за счет изменения упа* ковки обломочных частиц (здесь не рассматриваются песча-

следовании этого вопроса не учитывались). Песчаники и алев­ ролиты с высоким (более 25%) содержанием карбонатного цемента на небольших глубинах (до 1000 м) имеют различную степень уплотнения — от 0,73 до 0,95, что обычно связано со структурными особенностями карбонатов. Там, где они среднеили крупнокристаллические ka выше, а в случае пелитоморф-

бине около 4000 м 0,91—0,97. Здесь уплотнение происходит как за счет изменения упаковки частиц, так и в результате эпиге­ нетического перераспределения вещества.

Глины уплотняются иначе, чем все выше рассмотренные по­ роды. Близ поверхности они уплотнены так же, как и песча­ ники с низким содержанием цемента, при этом ka составляет 0,60—0,70. К глубине 1000 м коэффициент уплотнения возра­ стает до 0,75—0,80, т. е. сильнее, чем у песчаников и других пород, а еще глубже темп уплотнения постепенно снижается и к 3000 м составляет 0,85—0,90. При такой степени уплотне­ ния в большинстве случаев глины превращаются в аргиллиты.

По степени уплотнения осадочные породы рационально раз­

В Прикаспийской впадине терригенные мезо-кайнозойские породы с низким содержанием карбонатов до глубины 3000 м относятся в основном к категориям слабо уплотненных и уп­ лотненных. Ниже, примерно до 5500—6000 м, распространены сильно уплотненные, а на глубинах свыше 6000 м (по материа­ лам Аралсорской скв. СГ-1) очень сильно уплотненные. Кар­ бонатные породы (известняки, мергели) уже на глубинах свы­ ше 1000 м сильно уплотнены. По характеру уплотнения к ним близки и сильно известковые песчано-алевритовые породы.

20

В делом, в Прикаспийской впадине к глубине 4500 м вели­ чина уплотнения всех осадочных пород выравнивается, при этом ka достигает 0,90—0,95. Ниже 4500 м уплотнение проис­ ходит очень медленно, примерно в одном темпе для всех оса­ дочных пород. Тесно связана с уплотнением величина полной пористости пород (табл. 2). Таким образом, темп уплотнения и понижения пористости терригенных пород в Прикаспийской впадине с увеличением глубины залегания уменьшается.

нием давлений падает. По данным В. М. Добрынина, изучав­ шего этот параметр на каменном материале из Прикаспийской впадины, рп терригенных и карбонатных пород особенно резко

глубине 3000—3500 м) составляет 0,5 • 10-4 (кгс/см2)-1.

Эти экспериментальные данные вполне удовлетворительно объясняют особенности уплотнения глин. Что касается песча­ ников и алевролитов кайнозойского и мезозойского возраста Прикаспийской впадины и Северного Предкавказья, то анализ фактических данных свидетельствует о том, что до глубины 3000—3500 м (литостатическое давление порядка 600— 700 кгс/см2) интенсивность снижения пористости остается более или менее постоянной и лишь ниже заметно уменьшается (см. рис. 1). Это отклонение от экспериментальных и расчетных данных, по нашему мнению, связано с эпигенетическими про­ цессами, в частности выносом кальцита из песчано-алевритовых пород. Растворение и удаление некоторой части кальцита ос­ вобождает часть порового пространства, частично компенсируя снижение пористости за счет уплотнения. В глинах и глинистых песчаниках процесс выноса кальцита, если и происходит, то в очень ограниченных масштабах, именно поэтому расчетные данные хорошо согласуются с особенностями уплотнения, на­ блюдаемыми в природе.

Таким образом, глинистые и обломочные породы до глу­ бины 3000—3500 м уплотняются по-разному, а породы смешан­ ного состава в зависимости от соотношения глинистой и обло­ мочной частей, при уплотнении занимают промежуточное положение. Ниже отмеченного интервала глубин полная порис­ тость и уплотнение всех терригенных пород постепенно вырав­

0,94—0,96, а плотность до 2,60—2,62 г/см3. Породы других типов с такой глубины не подняты.

21

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ

Породы, образовавшиеся из осадка, особенно возникшего в водной среде, содержат значительное количество воды. По взаимодействию с породами последнюю, как известно, подраз­ деляют на свободную (гравитационную) и связанную (хими­ чески или физически).

Свободная подземная вода перемещается под действием силы тяжести. Она не связана с минеральной частью. Хими­ чески связанная вода входит в состав минералов (конститу­ ционная, кристаллизационная, цеолитная), а физически свя­

Соотношения между этими видами вод в породах различ­ ного состава неодинаковы. В песчано-алевритовых образова­ ниях с низким содержанием цемента вследствие относительно небольшой величины удельной поверхности частиц подавляю­ щая часть воды является свободной. В тонкодисперсных, на­ пример, глинистых породах, где удельная поверхность частиц в несколько раз больше, значительная часть воды находится в связанном состоянии под влиянием поверхностных сил.

При уплотнении горных пород (а до их образования и осад­ ков) вначале отжимается свободная вода, а при погружении в более жестких термодинамических условиях отделяется и связанная. Согласно лабораторным исследованиям физически связанная вода отделяется от твердой фазы при давлении 3000—5000 кгс/см2 (Лонтадзе, 1955). Химически связанная во­ да при атмосферном давлении высвобождается при повышен­

личество воды. Подсчеты показывают, что из 1 км3 водонос­ ного песчаника при уменьшении пористости от 30 до 10% выделяется до 200 млн. т воды. Потеря воды сопровождается изменением . физических свойств (плотность, пластичность, прочность и т. д.) и минерального состава пород.

Изначально свободные, а также освобождающиеся на боль­ ших глубинах прежде связанные воды оказывают большое влияние на процессы растворения и перераспределения веще­ ства, а также и минерального новообразования.

РАСТВОРЕНИЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ ПОРОД

Растворение минеральных и органических компонентов по­ роды в постдиагенетические стадии—-довольно широко распро­ страненный процесс. Об этом можно судить хотя бы по солености подземных вод, достигающей 30 г/100 г раствора и

32

более. Явно, что минерализация таких вод в большинстве слу­ чаев не седиментогенная, а вторичная, возникшая вследствие растворения составных частей вмещающих пород. Галоиды, сульфаты, карбонаты, являясь наиболее легко растворимыми соединениями, обычно и составляют основу солевой части под­ земных вод. Помимо упомянутых образований, растворяются и многие другие, в том числе кремнезем, алюмосиликаты, фос­ фаты и т. д.

Изменение растворимости минералов с увеличением глуби­

свойств среды. В природных условиях возможны разнообразные сочетания упомянутых факторов, поэтому в различных частях разреза минералы имеют неодинаковую растворимость. Подтверждением этого является широко известная вертикаль­ ная зональность химического состава подземных вод, постоян­ но наблюдаемые в шлифах под микроскопом следы раство­ рения кварца, полевых шпатов, кальцита и т. д., характерные для определенных глубинных зон.

Масштабы растворения отдельных соединений, особенно породообразующих, огромны. Как будет показано ниже, в пес­ чано-алевритовых породах растворяется более половины ис­ ходного количества кальцита, заметная часть кварца, полевых шпатов и т. д.

Кроме минеральных образований подземные воды раство­ ряют органические соединения. Гуминовые кислоты и битумоиды, являясь обычными компонентами подземных вод, в свою очередь, активно влияют на растворимость составных частей горных пород.

МИНЕРАЛЬНЫЕ НОВООБРАЗОВАНИЯ

Образование новых природных соединений в стадию ката­ генеза— процесс весьма широко распространенный. Он тесней­ шим образом связан с явлениями растворения. Именно продук­ ты растворения минералов являются основным исходным ма­ териалом для вторичных образований. Среди них широко распространены такие породообразующие минералы, как кварц, халцедон, полевые шпаты (в том числе микроклин, ортоклаз, кислые плагиоклазы),кальцит, гидрослюды, каолинит и др.

Выделение новообразований происходит в результате того, что подземные воды, несущие растворенные компоненты, попа­ дают в иную термодинамическую или геохимическую обстанов­ ку. Изменение условий сопровождается изменением раствори­ мости отдельных компонентов и выделением соответствующих соединений в твердую фазу. Минеральные новообразования, кроме того, могут возникать в результате взаимодействия

23

между минералами, с одной стороны, и газообразными или растворенными компонентами — с другой. Так, в результате воздействия кислорода на сульфиды железа образуются соот­ ветствующие окислы, взаимодействие кальцита с водами, не­ сущими магний, в определенных условиях приводит к образо­ ванию доломита. Нередко при взаимодействии с растворенны­ ми в воде соединениями трансформируются глинистые минера­ лы. Так, частичное замещение кальция, натрия, магния и воды в монтмориллоните калием приводит к образованию смешан­ нослойных образований, а их полное замещение калием соп­ ровождается возникновением нового глинистого минерала — гидрослюды.

Каждое изменение термодинамической и геохимической об­ становок нарушает состояние равновесия в системе минералы

— природные растворы — газы, в результате чего активизи­ руются процессы как растворения, так и минерального ново­ образования.

Большую роль в деле перераспределения веществ в поро­ дах играют нефть и битумы. А. В. Копелиович (1965) считал, что присутствие даже незначительных количеств нефти в плас­

и кристаллизации вещества. Данные, полученные в последние годы, показали, что это положение нуждается в существенной корректировке. Так, Л. И. Филиппова (1967) описала корро­ зию регенерированных зерен кварца, у которых обломочная часть была отделена от каемок регенерации пленкой битума. Коррозия затронула не только каемки, но и сами обломочные зерна, при этом битум не послужил помехой (как и при реге­ нерации) .

Г. Э. Прозорович с соавторами (1972) на примере место­ рождений Западной Сибири показали, что приход нефти в пласт при контакте с водой сопровождался ее окислением и частичным разложением с выделением углекислоты и за счет этого — повышением растворимости кварца. К. Р. Чепиков с со­ авторами (1972) установили, что приход нефти и углеводород­ ных газов в песчаные пласты (каменноугольные отложения Ура- ло-Поволжья) способствует восстановлению сульфатных ионов пластовых вод. Последние вследствие этого оказываются недонасыщенными сульфатами, что вызывает растворение ангид­ ритового цемента. Вместе с тем широко известно и консерви­ рующее влияние нефти на породы (Чепиков, Ермолова, Орло­ ва, 1960, 1967; Перозио, 1966; Чарыгин, Васильев, Прошляков и др„ 1964 и др.).

Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что в мо­

24

— кварца, кальцита, ангидрита. После насыщения ловушки уг­ леводородами процессы растворения прекращаются полностью (или почти полностью), так как главный растворитель — вода, оставшаяся в породах, лишается подвижности, между ней, ок­ ружающими углеводородами и минеральной частью устанав­ ливается химическое равновесие. Кроме того, нефть в тех мес­ тах, где она контактирует непосредственно с поверхностью твердой фазы породы, изолирует последнюю от взаимодействия

сводой.

Всвете изложенного есть все основания считать, что об­ воднение нефтяных пластов, происходящее в процессе отбора нефти и особенно при закачке в пласт поверхностных пресных вод с целью поддержания пластового давления, приводит к

серьезному нарушению физико-химического равновесия в эк­ сплуатируемом объекте. В зависимости от термодинамических условий и сочетания компонентов, находящихся в твердой, жид­ кой и газообразной фазах, в каждом конкретном случае реак­ ции взаимодействия между ними могут сопровождаться рас­ творением минеральной части или ее новообразованием и набуханием глинистых минералов. В первом случае коллектор­ ские свойства пород будут повышаться, во втором, наоборот, снижаться.

ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Перекристаллизация является весьма обычным процессом стадии катагенеза. Она происходит в обстановке возрастающих давления и температуры. В терригенных породах ей подверга­ ется главным образом цементирующий материал.

Перекристаллизация выражается в увеличении размера и упорядочении расположения кристаллов, что в конечном итоге приводит к уменьшению объема реагирующего вещества, прис­ пособлению его к существованию в новых термодинамических условиях.

В терригенных породах Прикаспийской впадины перекрис­ таллизация затрагивает преимущественно кальцитовый цемент. Процесс протекает в сложной обстановке, происходит частич­ ное растворение кальцита и его удаление из породы. Судя по размеру кристаллов кальцита, наиболее интенсивная перекри­ сталлизация происходит на глубинах до 2000—2500 м, при этом размер кристаллов возрастает от тысячных и сотых долей до десятых и даже целых миллиметров. Структура цемента при этом меняется от микрозернистой до среднезернистой, пойкилитовой.

- Перекристаллизация отдельных компонентов терригенных пород и особенно их цементирующей части сопровождается уве­ личением доли изолированных пор и соответственно пониже­ нием проницаемости.

25

Глава III

ЗОНАЛЬНОСТЬ, ФАКТОРЫ И ОСОБЕННОСТИ ВТОРИЧНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГЛАВНЕЙШИХ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

Терригенные мезозойские отложения Прикаспийской впади­ ны, Южного Мангышлака и Восточного Предкавказья состоят из трех основных составных частей: обломочной, хемогенной и глинистой. Среди них ведущее место занимают кварц, каль­ цит и глинистые минералы. Именно эти образования опреде­ ляют состав, строение и всю совокупность физических, в том числе и коллекторских, свойств горных пород. Для оценки ро­ ли каждого из этих образований в процессе формирования и изменения коллекторских свойств пород необходимо детальное изучение их «поведения» в самых различных природных усло­ виях и, в частности, в обстановке больших глубин.

ОСОБЕННОСТИ ВТОРИЧНЫХ ИЗМЕНЕНИИ КВАРЦА И НОВООБРАЗОВАНИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Вторичное перераспределение кремнезема широко известно в осадочных породах. Этот процесс выражается в регенерации зерен кварца, их коррозии, развитии структур растворения, окремнении известняков, доломитов, органических остатков и т. д. Явления вторичного перераспределения кремнезема описывались во многих работах советских и зарубежных ис­ следователей. В последние годы в связи с развитием глубоко­ го бурения исследованию этого процесса уделяют большое вни­ мание литологи-нефтяники. Это объясняется тем, что перерас­ пределение кремнезема существенно влияет на коллекторские свойства; к песчано-алевритовым породам с явлениями реге­ нерации и растворения кварцевых зерен нередко приурочены скопления нефти и газа. В связи с этим исследуются возмож­ ности использования кварца для определения времени форми­ рования нефтяных и газовых залежей.

В мезозойских породах Прикаспийской впадины Мангыш­ лака, Северного Предкавказья регенерация кварцевых зерен,

26

их коррозия, образование структур растворения на контактах обломочных частиц и окремнение карбонатных пород широко распространены. Изучение значительного количества (свыше 3000) образцов в шлифах под микроскопом показало, что пе­ речисленные выше образования характерны для обломочных (песчано-алевритовых) и карбонатных пород. Иногда (притом только на больших глубинах — свыше 3000 м) явления коррозии кварцевых зерен наблюдались в песчаных и алевритовых аргил­ литах. Не встречались вторичные выделения кремнезема в со­ ляных породах (каменная соль, гипс, ангидрит) и мергелях.

Характерно, что регенерация зерен кварца в исследуемых районах происходит на разных глубинах. Первые признаки это­ го процесса в центральных районах Прикаспийской впадины появляются с глубины около 2000 м, постепенно усиливаясь вниз по разрезу, а с 2700—2750 м они выражены весьма от­ четливо. Описываемое явление имеет и нижнюю границу рас­

разведочных площадей Южного Мангышлака (Жетыбай, Узень, Теньге, Тасбулат, Асар, Мыс Песчаный и др.) вторичные изме­ нения обломочного материала наблюдаются уже на небольших глубинах. Они проявляются прежде всего в коррозии кварца и полевых шпатов. Меньше подвержены этому процессу обломки пород, а мусковит вообще не несет следов коррозии. Обраща­ ет на себя внимание то обстоятельство, что растворение обло­ мочных зерен характерно для пород с карбонатным цементом. Там, где последний отсутствует, явление коррозии выражено гораздо слабее. По разрезу меловых и юрских отложений кор­ родированные зерна обломочных минералов наблюдались до забоя скважин (в скв. Жетыбайской 25 — до 3844 м).

Растворение под давлением на контактах обломочных зерен установлено уже в самом верхнем образце (скв. Асар Г-2, ин­ тервал 1116—1119 м). Первыми появляются конформные струк­ туры, а несколько глубже, с 1500—1600 м, встречаются и инкорпорационные. Микростилолитовые контакты наблюдаются редко. Возможно, что они возникли при формировании метамор­ фических пород, в области сноса, и в осадочных породах явля­ ются образованиями унаследованными. Независимо от глуби­ ны залегания, в песчано-алевритовых породах с базальным кальцитовым цементом структуры растворения под давлением не встречаются, даже если обломочные зерна контактируют друг с другом.

Регенерация обломочных зерен кварца и полевых шпатов в

27

в обломочных образованиях всех разрезов и прослеживалась до забоя скважин. В большинстве случаев каемки, отделяющие зону регенерации от обломочных зерен, едва различимы.

В карбонатных породах вторичный кварц наблюдался в ви­ де скелетных образований и правильных кристалликов (Жетыбай, скв. 25, глубина 3228—3274 м). Кроме того, встречены новообразования полевых шпатов и халцедона, обычно заме­ щающего остатки фауны или выполняющего каверны непра­ вильной формы.

Регенерация зерен кварца имеет различные внешние выра­ жения. В том случае, когда первоначальный контур обломка обрисовывается инородными образованиями, отчетливо видны первоначальное зерно и зона регенерации (рис. 2). В зависи­ мости от расположения обломка относительно других частиц зона регенерации может быть сплошной или прерывистой. Ши­ рина каемки регенерации определяется количеством растворен­ ного кремнезема, поступавшего в породу, и размером пор, в свою очередь определяемых количеством цемента, величиной и отсортированностью обломочных частиц. Как правило, ширина регенерированной зоны не превышает четверти диаметра реге­ нерируемого зерна.

Вторая, более распространенная, форма регенерации квар­ ца характеризуется отсутствием разделительных контуров меж­ ду обломочными частицами и зонами, возникшими в катагенетическую стадию (рис. 3). Поскольку обломочная и постдиагенетическая части имеют к тому же одинаковую оптическую ориентировку, установить первоначальный размер и форму зе­ рен не представляется возможным.

Интенсивность проявления процесса регенерации кварца в обломочных породах в значительной степени регулируется на­ личием цемента и в первую очередь глинистого. Микроскопи­ ческие исследования образцов горных пород показали, что по мере увеличения количества глинистого материала степень регенерации отдельных зерен и массовость охвата этим про­ цессом обломков кварца снижаются. При содержании глинис­ той части в породе свыше 45—50% регенерации обычно не про­ исходит. Карбонатный цемент значительно меньше влияет на регенерацию.

Обе названные выше формы регенерации известны и в дру­ гих районах, в частности, они прекрасно описаны А. В. Копелиовичем (1965) на материалах из древних толщ Приднест­ ровья. Он считал, что основным источником кремнезема для первого типа регенерации является, по-видимому, терригенный кварц, подвергшийся растворению (на месте, под давлением Б. П.). Доказательство этому он видит в широком развитии структур растворения под давлением. Второй тип регенерации,

28