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

Растворимость 5i,Og,мг/л

Рис. 8. Растворимость кремнезема в природных водах при различных температурах по данным К. Краускопфу (1956),

Д. Вайту и др. (111966):

Иелустонский парк, Стимбоутские горячие источники.

Рис. 9. Растворимость кремнезема в растворах, тождественных хлоркальциевым природным во­ дам, при взаимодействии их с породами. По дан­ ным И. Г. Киссина, С. И. Пахомова, 1967:

40

забое этой скважины (6806 м) должна составлять около 170°С. Геотермический градиент во впадине довольно низок 1,0— 2,9°С/100 м. Крайние значения характерны для южных (Астра­ ханская скв. 4-Р — 2,9°С/100 м, Южно-Эмбенская опорная скв. 2—2,6°С/100 м) и северо-восточных районов (Актюбинское Приуралье 1,0—1,5°С/100 м). Изменение температуры с увели­ чением глубины залегания в Прикаспийской впадине, Южном Мангышлаке й Северном Предкавказье показано на рис. 10.

Рис. 10. Геотермическая характеристика геологических разрезов Северного Предкавказья, Прикаспийской впа­ дины, Южного Мангышлака.

Для общего представления о распределении тепла в недрах юго-востока Русской платформы весьма интересна серия, гео­ термических карт (для глубин 1000, 1500 й 2000 м), составлен­ ных Ю. М. Васильевым, Д. И. Дьяконовым, М. М. Чарыгиным (1965). Направление и степень изменения величин геоизотерм на этих картах почти не меняются.

41

На рис. 11 приводится сводная геотермическая карта для глубины 2Q00 м, составленная по материалам Ю. М. Васильева, Д. И. Дьяконова, М. М. Чарыгина, Г. М. Сухарева, В. Н. Корценштейна, Ж. С. Садыкова, Б. Кунабаева и др., которая дает общее представление о распределении тепла в недрах Прикас­ пийской впадины и соседних районах.

Приведенные материалы показывают, что внутренние райо­ ны Прикаспийской впадины имеют примерно одинаковую теп­ ловую характеристику, по крайней мере до глубин, достигну-

/ — опорные разрезы, цифры у точек — температура на глубине 2000 м; 2 — изотермы.

42

тых буровыми скважинами к настоящему времени. Это обстоя­ тельство позволяет считать, что влияние температуры на эпи­ генетические процессы вообще и перераспределение кремнезема в частности повсеместно должно быть равноценным. Исключе­ ние составляют лишь приграничные части впадины, в соответст­ вии с геотермическими особенностями которых можно ожидать некоторого смещения границ зон вторичного изменения квар­ ца, учитывая, что при повышении температуры растворимость кремнезема повышается, и наоборот.

Тепловая характеристика недр Южного Мангышлака отли­ чается от Прикаспийской впадины более высоким геотермичес­ ким градиентом (3,5—3,6°С/100 м) и соответственно более ко­ роткой геотермической ступенью (28—31 м/°С). В связи с этим уже на глубине 2000 м разница в температурах Прикаспийской впадины и Южного Мангышлака достигает 30—40°С. На боль­ ших глубинах тепловые характеристики этих районов различа­ ются еще сильнее.

Восточная и центральная части Северного Предкавказья по величинам геотермической ступени и геотермического градиен­ та близки к Южному Мангышлаку. Геотермический градиент здесь составляет 3—3,6°С/100 м, а в отдельных районах дости­ гает 4,58°СУ100 м (Прасковея) и даже 5°С/100 м (Чкаловский район), при этом температура на глубине 2000 м достигает ПО—120°С. Для сравнения напомним, что в Актюбинском Приуралье, где недра отличаются аномально низкими температу­ рами, в Биштамской скв. Г-13 на глубине 2000 м зафиксирова­ на температура 33°С, т. е. почти на 100°С ниже. Естественно, вторичные изменения, связанные с внутренним теплом Земли, на Мангышлаке и в Восточном Предкавказье проявляются на меньших глубинах, чем в Прикаспийской впадине.

Давление. Исследования Д. Кеннеди (1950), Н. И. Хитарова (1957), Р. Роя и О. Татла (1958); В. П. Якушева, Н. В. Смир­ новой (1964) позволяют считать, что умеренные гидростатичес­ кие и литостатические давления, характерные для малых и средних глубин, не оказывают существенного влияния на раст­ воримость кремнезема и его переход из раствора в твердую фа­ зу. Даже при постоянном давлении 1200 кгс/см2 (а на контак­ тах зерен оно было во много раз выше) и температуре 80°С в экспериментах В. П. Якушева и Н. В. Смирновой (1964) раст­ ворения кварцевых зерен на контактах не наблюдалось. В со­ четании с высокими температурами влияние давления возрас­ тает. Уже при 100°С и давлении 1200 кгс/см2, по данным упомя­ нутых выше авторов, появились структуры растворения, выделений аутигенного кварца при этом не наблюдалось, что, впрочем, трудно было и ожидать, так как пересыщение раство­ ра при этом вряд ли достигалось.

Исследования Д. Кеннеди (1950) показывают, что давление существенно влияет на растворимость SiCb в области близкри-

43

тических температур воды (а при давлениях более 1000 кгс/см2 и при закритических температурах) — чем выше давление, тем больше растворимость при равных температурах (рис. 12). При

Температура, °С

Рис. 12. Растворимость ЗЮг в воде как функция температуры и давления. По Д. Кеннеди, 1950.

уменьшении последних до 160—200°С (и ниже) роль давления снижается.

Чрезвычайно интересные результаты были получены Г. В. Ферберном (1954) в опытах с кварцевым песком кембрийского возраста. Этот исследователь пришел к выводу, что заметное растворение кварца происходит при минимальной температуре 200°С и всестороннем давлении около 358 кгс/см2. В процессе воздействия на кварц высоких температур и давлений равнове­ сие между твердой и жидкой фазами наступает очень быстро. По данным Г. В. Мори с соавторами (1962), при давлениях до 1000 кгс/см2 и температурах до 300°С оно устанавливалось че­ рез 1—2 сут.

Серия экспериментов над образцами горных пород из При­ каспийской впадины была выполнена в МИНХ и ГП им. И' М. Губкина Я. Р. Морозовичем и Л. П. Петровым. Образцы пёсча-

44

ников из скважин Чувашской П-19 и Аралсорской СГ-1, подня­ тые с глубины 2500—3700 м, насыщались растворами, близкими по составу к пластовым водам, а затем подвергались разноос­ ному (до 550 кгс/см2) и всестороннему (до 800 кгс/см2) давле­ нию при температурах до 150°С. Опыты проводились в течение 1—3 сут. После испытаний из образцов были приготовлены шлифы, которые мы исследовали под микроскопом. Никаких изменений в структуре опытных образцов при сравнении с кер­ ном, не подвергшимся обработке, обнаружить не удалось. Это обстоятельство мы прежде всего связываем с тем, что породы уже до эксперимента были сильно уплотнены, расположение частиц упорядочено, а норовое пространство заполнено цемен­ том, содержание которого достигало 30%. В силу этих особен­ ностей нельзя было ожидать очень высоких давлений на кон­ тактах зерен. Несомненно, надо учитывать и кратковременность эксперимента.

Обобщение экспериментальных данных, приведенных в опуб­ ликованной литературе, и анализ явлений, наблюдаемых в по­ родах (в шлифах под микроскопом), отобранных на различных глубинах, приводят к выводу о том, что роль гидростатического давления как фактора, способствующего перераспределению кремнезема в породах, при температурах менее 100°С незначи­ тельна. Литостатическое давление, вызывающее очень высокие напряжения на контактах зерен, в породах с низким содержа­ нием цемента должно сопровождаться явлением Рикке, а сле­ довательно, способствовать растворению и перераспределению кремнезема.

Углекислота. Углекислота в осадочных горных породах мо­ жет находиться в различных состояниях: в виде С02, не диссо­ циированных молекул Н2СОз, ионов НСО; и С 03”. в щелочных

водах преобладает СОз> в нейтральных, слабо и умеренно ще­ лочных — НСОз, в кислых — Н2СОз (табл. 4).

45

В горных породах углекислота может образовываться в ре­ зультате: 1) восстановления органическим веществом гидро­ окислов железа, сульфатов железа и сульфатов кальция; 2) разложения органического вещества под действием радиоак­ тивного излучения и, наконец, 3) растворения карбонатов, главным образом кальция и магния; кроме того, углекислота может поступать в горные породы вместе с поверхностными или глубинными водами.

Повышение температуры вызывает понижение растворимос­ ти углекислоты в воде, а увеличение давления дает обратный результат. Наряду с этим С. Д. Малинин (1965) показал, что характерное для области низких температур уменьшение раст­ воримости газов в воде с повышением температуры происходит лишь в ограниченной области (до +180°С), выше которой раст­ воримость возрастает вплоть до смешения фаз во всех отноше­

(рис. 14).

Экспериментальные исследования Е. С. Кабановой (1960) показали, что растворимость кварца и опала в воде в токе С02 или при насыщении этим газом в 1,5—2 раза выше, чем в токе азота или в воде с нормальной атмосферой (рис. 15, 16). Раст­ воримость опала значительно выше, чем кварца (при 25°С и прочих равных условиях — примерно, в 3,5 раза). Повышение температуры усиливает агрессивность углекислого газа по от­ ношению ко всем формам кремнезема. Особенно резко возрас­ тает растворимость опала (табл. 5).

4 6

Установлено, что растворение тонких фракций минералов кремнезема в токе СО^ происходит интенсивнее, чем крупных, что связано с уменьшением удельной поверхности. Зависимость

растворимости кремнезема от содержания НСОз маловырази-

Рис. 14. Растворимость СОг в воде в зависимости от содержа­ ния при 25°С и равных значениях парциального давления. По данным Е. Б. Штерниной и Е. В. Фроловой, 1952.

тельна. В некоторых случаях с увеличением содержания этой формы углекислоты в растворе количество растворимой формы кремнезема понижается (И. И. Гинзбург и Е. С. Кабанова, 1960).

Распределение углекислого газа в породах мезозойского разреза изучено очень слабо, а сопоставлений по площади не проводилось вообще. Имеющиеся анализы газов, массовые оп­ ределения органического вещества в мезозойских породах При­ каспийской впадины, Северного Предкавказья и Южного Ман­ гышлака, а также растворение карбонатов в терригенных поро­ дах, описанное ниже, позволяют считать, что до глубины 2000—

47

2500 м в породах содержится достаточно высокое количество углекислого газа. Подтверждением этого являются данные не­ прерывного газового каротажа Аралсорской скв. СГ-1. Здесь при проходке терригенных сероцветных пород мезозоя до глу-

Время, ч

углекислого газа значительно меньше — единицы и редко де­ сятки кубических сантиметров на 1 л глинистого раствора. Это позволяет связывать образование значительной части углекис­ лого газа с преобразованием органического вещества, содер­ жание которого в сероцветных породах обычно в несколько раз (5—10) выше, чем в красноцветных. Кроме того, много угле­ кислоты образуется при растворении кальцита. Расчеты пока­ зывают, что из 100 г СаСОз получается 22,4 г СОг (при 20°С и давлении 1 кгс/см2). Подавляющая часть углекислоты, судя по результатам исследования подземных вод, находится в виде растворенного газа. Анализ результатов газометрических иссле­ дований показывает, что в высокопористых песчано-алеврито­ вых породах количество кислых газов (главным образом СО2) значительно выше, чем в одновозрастных, обычно менее порис­ тых, глинистых. Это обстоятельство также является одной из причин меньшей измененности кварца в глинистых породах по сравнению с песчаными.

Растворенные соли. Влияние растворенных солей и основ­ ных ионов подземных вод на поведение кремнезема рассматри­

48

мость различных форм кремнезема в поверхностных условиях, по-видимому, незначительно, если вообще имеет место (табл. 6).

Т а б л и ц а 6

Зависимость содержания разных форм Si02 от бикарбонатов кальция и магния (по Гинзбургу и Кабановой, 1960)

j

Содержание кремнезема в природных водах с увеличением об­

(М. Г. Валяшко, 1958). По данным И. И. Гинзбурга и Е. С. Ка­

зема и понижают за счет этого долю растворенного SiCV, при малых содержаниях последнего влияние хлор-иона, по данным этих же авторов, не поддается учету. В соответствии с этим на­ ходятся и результаты экспериментов И. Г. Киссина и С. И. Па­ хомова (1967), согласно которым интенсивность выщелачивания кремнезема дистиллированной водой из терригенных пород при повышенных температурах (до 200°С) в ряде случаев даже вы­ ше, чем минерализованной.

Содержание кремнезема в природных водах из мезозойских отложений Прикаспийской впадины незначительно — до 2— 12 мг/л, в подземных водах Северного Предкавказья — от еди­ ниц до 100 мг/л. Названные величины, однако, не показатель­ ны, поскольку многочисленные анализы этих вод в различных организациях (ВНИИГаз, ВНИГРИ, МГРИ и др.) производи­ лись по истечении значительного времени после отбора. Вслед­ ствие этого в пробах вод отстаивался осадок, природа которого не исследовалась. Возможно, что в его составе содержится кремнезем, выпадавший вследствие понижения температуры и удаления углекислого газа.