книги из ГПНТБ / Смехов Е.М. Теоретические и методические основы поисков трещинных коллекторов нефти и газа

среднезернистыми песчаниками; они обычно являются хорошими коллекторами нефти и газа. Тонкозернистые же известняки обла­ дают малой пористостью и низкой проницаемостью.

к а в е р н о з н о с т ь

И ОКАРСТОВАННОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ ЕМКОСТИ ТРЕЩИННЫХ к о л л е к т о р о в

В формировании емкости горных пород значительную роль играют их кавернозность и окарстованность. Особенно важно зна­ чение этих процессов для трещиноватых карбонатных пород-кол­ лекторов. Несмотря на многочисленные факты наличия в разрезах осадочных пород разных районов нашей страны и за рубежом карстовых полостей, должного внимания этим данным пока не при­ дается. Так, можно указать в качестве примера на месторожде­ ния Грозненского района, где наблюдаемые в известняках продук­ тивной толщи верхнего мела каверны и карстовые пустоты до последнего времени редко учитывались; общая пористость рас­ сматриваемых известняков оценивалась только по их межзерно­ вому пространству и трещинной пористости. Геофизическими ме­ тодами в какой-то мере учитывались только каверны, развитые по системам трещин. Из указанного видно, что кавернозность и окарстованность в основной массе известняков (матрице) не при­ нимаются во внимание. Если учесть, что блоки известняков, огра­ ниченные трещинами, некоторыми исследователями рассматрива­ ются в большинстве случаев как нацело заполненные пластовой водой, то станет очевидным, что часто допускается неточность в определении суммарной, эффективной емкости указанных из­ вестняков. Естественно, в подобных условиях возникают необъяс­ нимые расхождения между исчисленной подобным образом емко­ стью пород и объемом добываемой из них нефти.

Роль каверн и карстовых пустот в формировании трещинных коллекторов недостаточно учитывалась также для меловых извест­ няков юго-восточного Азербайджана по той причине, что эти пус­ тоты якобы разобщены между собой. Однако, судя по исследова­ ниям Э. X. Даидбековой [71], именно в кавернах (размеры до 0,2 мм в диаметре) часто содержится нефтяной битум, что, есте­ ственно, исключает какие-либо сомнения в отсутствии сообщаемости как между ними (кавернами), так и между ними и межзерно­ вой средой известняков.

Другие исследователи [12] указывают' на ограниченное разви­ тие каверн и карстовых полостей в карбонатных породах, полагая, что их распространение свойственно только для пород, некогда выведенных на дневную поверхность. Такой вывод не всегда спра­ ведлив, поскольку известны многочисленные данные о циркуляции подземных вод на относительно больших глубинах в условиях ак­

102

тивного водообмена, происходящего как по межзерновым порам, так и по системам микротрещин, что обусловливает развитие по ним каверн и карстовых пустот. Некоторые исследователи [250], руководствуясь соображениями об ограниченном развитии кавернозности и окарстованности на больших глубинах на примере кем­ брийских пород Иркутского амфитеатра, делают даже заключе­ ния «о снижении шансов открытия крупных запасов нефти и газа в них на большой глубине». Такой вывод, разумеется, несколько опрометчив, поскольку он не соответствует современным пред­ ставлениям об условиях развития карста и кавернозности карбо­ натных пород.

Результатами исследований явлений кавернозности и закарстованности установлено, что они обладают сравнительно широким развитием, особенно в карбонатных породах; каверны и карсто­ вые полости часто сопровождаются взаимными переходами, что весьма затрудняет их выделение. В целом можно условно считать, что каверны характеризуются относительно округлыми, изометричными формами, близкими по конфигурации к межзерновым поровым пространствам, карстовым же пустотам свойственны пре­ имущественно линейные (удлиненные) формы и самые различные их размеры.

Проблема исследования кавернозности и окарстованности горных пород и правильной оценки этих явлений представляет со­ бой пока еще малоизученную область. Дальнейшие исследования в этом направлении, очевидно, должны развиваться как в направ­ лении комплексной разработки и применения прямых геологиче­ ских и литолого-петрографических методов оценки их емкости, так и по пути использования методов промысловой геофизики.

Несмотря на слабую изученность кавернозности и окарстован­ ности горных пород с позиций их коллекторских свойств, в на­ стоящее время известны данные, позволяющие наметить пути ре­ шения этой проблемы.

Установлено, что при изучении коллекторских свойств трещи­ новатых горных пород явления кавернозности и закарстованности приходится рассматривать совместно, поскольку возникновение каверн и карстовых полостей в горных породах как на дневной поверхности (в эрозионной зоне), так и на глубине связано с од­ ними и теми же процессами выщелачивания (растворения). Ис­ следованиями было показано, что между трещиноватостью горных пород и их окарстованностью и кавернозностью существуют опре­ деленные генетические связи. Впервые на эти связи было указано спелеологами, о чем неоднократно сообщалось в литературе [259 и др.]. Ими обращалось внимание на тот факт, что образо­ вание карстовых полостей обусловлено системами трещин, посто­ янно развитыми в карбонатных породах. Отмечалось, что извест­ няки, относительно богатые примесями терригенного материала, оказываются менее подверженными окарстованию. В последую­ щем на эти связи между трещиноватостью и окарстованием гор­

103

ных пород в литературе указывалось многими исследователями, и в частности в работах [100, 163, 256]. Было замечено, что карсто­ вые полости развиваются преимущественно избирательно по ос­ новным системам трещин, обладающим северо-западным и северовосточным простираниями, свойственными данному региону. Так,

в работе [222] сообщается, что в Карлюкской пещере (югозападные отроги Гиссарского хребта) в верхнеюрских известняках развиты карстовые пещеры — две галереи, из которых первая про­

ления отвечают простираниям основных систем трещин в рассмат­ риваемых породах. Современный план Карлюкской карстовой пе­ щеры может служить наглядным примером развития карста по системам трещиноватости (рис. 31).

Весьма интересные данные о связях между тектонической тре­ щиноватостью и карстом были получены при исследованиях

104

пелитоморфных известняках. Тектоническая трещиноватость опре­ делила положение полостей пещеры. В известняках преобладают трещины северо-западного и северо-восточного направлений, с уг-

Рис. 32. Схематический план пещеры Ени-Сала III (225].

лами падений трещин 30—80°. Соответственно ориентированы и галереи пещеры (рис. 32). Галерея АА\ по своему простиранию следует по трещине, ориентированной по азимуту 150—330°, гале­ рея ББ\ — по трещине, имеющей простирание 175—355°. Аналогич­ ные исследования производились и в районе Караби-Яйла, в пе­ щере Хаджи-коба, в тех же верхнеюрских чистых (2% глинистой примеси) известняках.

Вработе [207] указывается, что все карстовые формы на плато Костивере, в окрестностях Таллина, тесно связаны с тектониче­ скими трещинами северо-западного, северо-восточного, меридио­ нального и широтного простираний. Можно также привести све­ дения о карсте по Среднему Поволжью [231], где, например, уста­ новлено, что направление знаменитых Сюкеевских пещер хорошо согласуется с ориентировкой тектонических трещин.

Вцелом необходимо отметить, что наиболее широким распро­ странением в карбонатных породах пользуются не собственно кар­ стовые полости, а так называемые закарстованные трещины, т. е. трещины, расширенные за счет растворения. В работе [227] пра­

вильно отмечено, что изначальные истоки процессов образования крупных подземных карстовых полостей начинаются с развития закарстованных трещин.

105

Роль трещиноватости в развитии карста столь велика, что'без участия этого важнейшего фактора не может быть и речи об об­ разовании карстовых форм. Трещиноватость горных пород явля­ ется основным условием для развития карста, поскольку она обусловливает фильтрацию растворов с выносом продуктов выще­ лачивания карбонатных пород. Исследованиями показано, что в складчатом фундаменте докембрийских платформ (Русская платформа) не только развитие карста, но и его формы становятся целиком зависимыми от величины трещинной проницаемости по­ род.

О широком распространении кавернозных разностей раствори­ мых пород на больших глубинах известны многие факты. Так, на Сибирской платформе в ряде скважин кавернозные зоны были встречены в доломитах кембрия на глубине до 1000 м и более. Во многих районах Сибирской платформы известны следы древ­ него карста; они часто находят свое выражение в образовании мелких карстовых форм (закарстованные трещины, каверны, вто­ ричная пористость). Такие мелкие карстовые формы часто игно­ рируются при определении коллекторских свойств карбонатных пород, поскольку предполагается, что должно быть уделено преи­ мущественное внимание только крупным карстовым формам. На самом деле наличием именно этих мелких карстовых форм часто обусловлено высокое значение физических параметров карбонат­ ных коллекторов.

О наличии пустот карстового и кавернового происхождения свидетельствуют и данные по территории Татарской АССР [101], где они отмечены в карбонатных породах на глубине 1200—1400 м

ниях. Известны также данные о развитии карстовых процессов в карбонатных породах (известняки, доломиты) девона и мела Бело­ руссии, наблюдаемых ниже базисов эрозии современных рек [90].

Установлено, что благоприятным условием для развития кар­ ста является более или менее ровная или слабо наклонная поверх­ ность карстуемых пород. Массивные известняки при этом более склонны к закарстованию, чем тонкослоистые, так как последние обычно богаче нерастворимыми терригенными примесями.

Некоторыми исследователями предпринимались попытки коли­ чественной оценки емкости каверн и карстовых пустот в общей емкости карбонатных пород-коллекторов. Так, для карбонатных пород-коллекторов по Речицкому месторождению в Белоруссии емкость каверн колеблется в значительных пределах — от 1,8 до 8,4%. Предполагают, что в рассматриваемом случае межзерно­ вые поры преимущественно заполнены погребенной водой и основ­ ную емкость коллектора составляют каверны (74% от общей ем­ кости коллектора). Эти данные вызывают сомнение как в отно­ шении заполнения межзерновых пор водой, так и в части высокой оценки доли каверн в общей емкости рассматриваемого карбо­

106

натного коллектора. Более близка к истине оценка, данная в ра­

ное™ продуктивных карбонатных пород здесь указаны пределы от 0,7 до 4,5% и среднее значение — 3,5%.

Судя по изложенным выше данным, в настоящее время уже определилась важная закономерность в развитии карста, заклю­ чающаяся в том, что ориентировки его в толщах карбонатных по­ род обусловлены геометрией и ориентировками развитых в них основных систем трещин. Эта закономерность имеет важное прак­ тическое значение, поскольку она указывает вероятные направле­ ния развития карстовых полостей в карбонатных породах на глуби­ не и распределение их по площади. Другой, не менее важной, зако­ номерностью является установление того факта, что карстовые полости находятся в состоянии сообщаемое™ по системам мик­ ротрещин, связывающих указанные полости не только друг с дру­ гом, но и с призабойными зонами скважин.

Заметим здесь, что карстовые процессы на больших глубинах протекают, видимо, не очень интенсивно и в геологическом вре­ мени крайне медленно, из чего можно заключить, что палеокарстовые пустоты в общем случае обладают относительно неболь­ шими размерами и не могут быть соизмеримы с карстовыми поло­ стями, развивающимися в эрозионной зоне. Естественно, это об­ стоятельство затрудняет изучение карста для целей экстраполяции его на глубину. Очевидно, по данным современной окарстованности горных пород как на дневной поверхности, так и вблизи нее представляется возможным получить лишь качественные характе­ ристики карстовой пустотности (емкости), пригодные для экстра­ поляции их на глубину.

В литературе известны также высказывания по поводу того, что циркуляция подземных вод может происходить только в так называемых «активных» трещинах, шириной не менее 1—2 мм. Движение жидкости в более узких трещинах, согласно этим пред­ ставлениям, исключается. Это положение опровергается как экс­ периментальными данными, так и данными микроскопических на­ блюдений над эпигенетическими преобразованиями горных пород, которые свидетельствуют о фильтрации водных растворов в гор­ ных породах по тончайшим микротрещинам.

Интересные данные приведены в работе [50] по результатам изучения закарстованности горных пород на глубине. По этим данным так называемый коэффициент активности карста для кар­ бонатных пород приблизительно равен 0,4, что означает наличие

вних 40% открытых трещин, сообщающихся между собой. Заслуживают также внимания исследования фильтрации под­

земных вод в трещиноватых и закарстованных породах-коллекто­ рах методом расходометрии [66], в результате которых была установлена крайняя неравномерность распределения трещинно­ карстовых пустот и их водообильности. Эти данные ограничивают

107

вероятность пересечения скважинами как отдельных трещин, так и карстовых пустот. Установление водообильности пород в подоб­ ных условиях, очевидно, крайне затруднительно.

Ранее было отмечено, что образование кавернозности связано с теми же, что и для карстовых полостей, процессами выщелачива­ ния. Однако геологические условия развития кавернозности гор­ ных пород отличны от таковых для карстовых пустот. Кавернозность в основном, очевидно, развивается в зонах перерывов седи­ ментации. Обычно условия пространственного распространения подобных зон весьма сложные, хотя по размеру эти зоны могут оказаться весьма широкими. В связи с указанным исследования зон кавернозности карбонатных пород могут производиться на значительных площадях.

В работе [112] на примере исследования продуктивных трещи­ новатых карбонатных пород турне на Ромашкинском месторожде­ нии показано, что их наибольшая кавернозность связана с верх­ ними пачками «элементарных ритмов» указанного разреза, рас­ сматриваемых как поверхности внутриформационных перерывов. Большинство (до 80%) известных случаев поглощения раствора при бурении скважин были отмечены в указанных интервалах (пачках). Аналогичные данные известны также и по трещинова­ тым карбонатным породам разреза верхнего мела Грозненского района и другим месторождениям.

Вместе с тем данные по Кинзебулатовским месторождениям нефти свидетельствуют о том, что пространственное распределение кавернозности карбонатных пород часто контролируется ориен­ тировками направлений их трещиноватости [69]. Очевидно, сле­ дует допустить вероятность развития кавернозности в карбонат­ ных породах двояким путем — в зонах перерывов седиментации и по системам трещиноватости.

Так же как и в случае с карстовыми пустотами, сообщаемость каверн друг с другом и с призабойными зонами скважин обу­ словлена системами микротрещин.

СТИЛОЛИТЫ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ОБРАЗОВАНИИ ЕМКОСТИ ТРЕЩИННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Стилолиты, представляющие собой своеобразные структурные образования, сравнительно широко развиты в горных породах и преимущественно в карбонатных. Стилолиты обладают столбча­ той структурой, образуя в горной породе входящие друг в друга выступы. При поперечном сечении в стилолитах отчетливо разли­ чаются извилистые швы, напоминающие сутурные (перегородоч­ ные) линии у аммонитов.

Стилолиты часто следуют по наслоению горных пород (гори­ зонтальные) или под углом к их поверхности (наклонные), но не­ редко ориентируются перпендикулярно к слоистости (вертикаль­

108

ные), переходя из слоя в слой. Отличительной чертой стилолитов является приуроченность к их поверхности глинистого вещества, иногда обогащенного гидроокислами железа или выделениями органического вещества (битума), чем подчеркивается бугристая поверхность текстуры этих образований. Состав вещества, выпол­ няющего стилолиты, часто соответствует составу нерастворимого остатка, содержащегося в горной породе.

Вопросы происхождения стилолитов обсуждаются с давних пор. В основном определились две точки зрения. Согласно одной

литы следует рассматривать как эпигенетические образования

[203, 235, 247 и др.].

Большое влияние на формирование взглядов о происхождении стилолитов оказали представления К. Фукса, высказанные им еще в 1894 г. Согласно этим представлениям, стилолиты образуются во вполне консолидированной горной породе под влиянием нерав­ номерного растворения.

Сторонники диагенетического происхождения стилолитов пола­ гают, что их образование происходило в период формирования осадка, сопровождающегося последовательным выщелачиванием. Наиболее благоприятные условия усматриваются в быстро меняю­ щихся обстановках осадконакопления, сопровождающихся выхо­ дом осадков на дневную поверхность или близко к ней. В работе [211] на примере пермских и каменноугольных отложений По­ волжья указывается, что стилолитовая поверхность датирует эле­ мент ритма (конец и начало его).

Другие исследователи, сторонники эпигенетического происхож­ дения стилолитов, объясняют их образование в уже сформирован­ ных горных породах, в условиях циркуляции вод-растворителей как по Плоскости наслоения, так и по трещинам. Эпигенетическое про­ исхождение стилолитов доказывается тем, что процессы растворе­ ния как в карбонатных, так и в терригенных породах имеют место в условиях возрастающего давления гораздо позднее стадии на­ копления осадков и их диагенеза. Своеобразие форм стилолитов находит свое объяснение в составе циркулирующих в породах рас­ творов, их температуре и длительности процесса растворения пород, а также в различной прочности связей между составными частями последних (цемент и форменные элементы, обломочные зерна и др.) и в особенностях структур кристаллических решеток слагающих породы минералов. Об эпигенетическом происхожде­ нии стилолитов свидетельствуют, в частности, данные [165] по карбонатным породам верхнего девона Южного Урала, в которых стилолиты рассекают не только мелкозернистую массу карбоната кальция, но и участки эпигенетической доломитизации.

Наиболее убедительным аргументом, доказывающим образо­ вание стилолитов в твердом осадке, являются данные об их со­ отношениях с трещиноватостью. Многочисленными наблюдениями

109