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

Напомним, что трещинами называются разрывы в горных по­ родах (нарушение сплошности пород)., перемещения по которым либо совершенно отсутствуют, либо имеют очень незначительную величину. Совокупность трещин, разбивающих тот или иной уча­ сток земной коры, именуют трещиноватостью.

Нетектонические (первичные) трещины вызваны изменениями внутренних свойств горных пород силами экзогенных процессов на поверхности земли или вблизи нее. Такие трещины возникают в связи с уменьшением объема осадка при превращении его в гор­ ную породу. Они чаще различимы в породах, залегающих гори­ зонтально, и обычно замаскированы более поздней тектонической трещиноватостью. На поверхности наслоения первичные трещины образуют полигональную сеть. Количество этих трещин возрастает

вмаломощных слоях.

Впоследнее время [28] предлагается к категории нетектони­ ческих трещин отнести так называемые сейсмические трещины (природные и техногенные), возникающие в приповерхностной части земной коры на глубинах до 30—40 м вследствие упругих колебаний в ней и искусственных взрывов. Связь сейсмических трещин с тектоническими трещинами согласно этим представле­ ниям является «лишь следствием, а не причиной их образования»

,появлению кливажа.

Для сравнительной характеристики ниже приведены класси­ фикации трещин ряда исследователей. Так, в работе [173] пред­ лагается следующая систематика разрывных нарушений: разрывы без смещения — трещины, кливаж; разрывы со смещением — мел­ кие it крупные разрывы; разрывы региональные — зоны глубин­ ных разломов и дислокационного метаморфизма.

кальные, секущие пласты различного литологического состава, и региональные, выходящие за пределы отдельных структур.

Предполагается, что тта глубине в горных породах отсутствуют упорядоченные системы трещин, обычно наблюдаемые на поверх­ ности, в обнажениях. В связи с указанным отрицается возмож­ ность экстраполяции параметров трещиноватости с поверхности на глубину, что нельзя считать достаточно обоснованным.

10

По данным исследования меловых карбонатных пород Даге­ стана и перспектив их нефтегазоносное™ в работе [35] было пред­ ложено классифицировать трещины по их относительному вре­ мени образования: литогенетические (доскладчатые); тектониче­ ские (соскладчатые и послескладчатые); гипергенные (послеэрозионные). Такая классификация трещин отвечает современным представлениям об их подразделении.

При классификации трещин некоторые исследователи [56] верхнемеловых отложений северо-западной окраины Донецкого кряжа предлагают подразделять их по признаку ориентировки трещин относительно элементов залегания пород. В связи с ука­

Здесь уместно также упомянуть о технической номенклатуре трещин, принятой у каменотесов (в Крыму): наклады (трещины по слоистости), прорезь (вертикальные открытые трещины), потайник (незаметные для глаза трещины), косовики (трещины, на­ клонные к слоистости). В Арденнах (Франция) о способности гор­ ных пород к раскалыванию судят по наличию спайности по пло­ скости, перпендикулярной к плоскости сланцеватости, ее назы­ вают «лонгрен» (longrain).

' В целом необходимо отметить, что трещины имеют столь ши­ рокое распространение, что их часто не отмечают при геологиче­ ском картировании. Они особенно многочисленны близ контактов различных слоев или формаций. Трещины, наблюдаемые в при­ роде, отличаются часто гораздо большей неоднородностью и слож­ ностью, чем те идеальные трещины, которые принимаются при мо­ делировании.

Исследователь часто подвергается искушению подчинить явле­ ния природы известному порядку, отыскать в системе трещин пра­ вильность, не существующую на самом деле. В девяти случаях из десяти он часто не может определить, является ли трещина след­ ствием растяжения или сжатия [150]. Однако необходимо отме­ тить, что трещиноватость почти всегда сопутствует складчатости. Относительный возраст последней в свою очередь позволяет дати­ ровать те или иные трещины.

В общем случае различаются трещины непрерывные и преры­ вистые. Первые пересекают весь массив пород в рассматриваемом

11

разрезе; непрерывные трещины — почти повсеместное явление. Классификация трещин часто затруднена наличием между анизо­ тропностью и изотропностью горных пород многих промежуточ­ ных ступеней. Так, например, при рассмотрении элементов какойлибо структуры, и в частности трещиноватости, физические свойст­ ва последней могут оказаться анизотропными. Однако при стати­ стическом анализе этих данных в региональном объеме анизотро­ пия может не наблюдаться.

При классификации трещин и установлении особенностей их распространения исследователи пользуются понятием однородно­ сти (неоднородности) и изотропности (анизотропности) и пони­ мают их часто как синонимы. Меж тем эти понятия резко отли­ чаются друг от друга. Так, изотропия (анизотропия) характери­ зует свойства самой горной породы, тогда как понятие однород­ ности (неоднородности) относится лишь к величине и веществен­ ному составу слагающих ее частиц и взаимоанизотропии слагаю­ щих их веществ. Здесь, очевидно, прав Л. Мюллер, указывающий, что в процессе образования горной породы возникает первона­ чальная анизотропия, в последующем образуется приобретенная анизотропия [176]. Применительно к трещинам это может озна­ чать, что первичные их представители будут обладать первона­ чальной анизотропией, а тектонические — приобретенной.

Из приведенных выше данных видно, что при классификации трещин исследователи руководствовались различными соображе­ ниями. В одних случаях в основу классификации трещин «закла­ дывались» их морфологические особенности, в других — их отно­ шение к элементам залегания горных пород, к слоистости или к литологическому составу пород. Многие исследователи класси­ фицируют трещины по генетическому признаку (по их происхож­ дению). Во всех указанных случаях эти классификации право­ мочны, поскольку они предлагались для конкретных геологических' условий.

Однако наиболее приемлемыми следует считать те, схемы клас­ сификации трещин, в основу которых положен генетический кри­ терий. К таковым могут быть отнесены классификации, разрабо­ танные при изучении трещин в карбонатных породах верхнего мела Дагестана [35], девона и карбона Волгоградской области

[146] и др.

При исследованиях трещиноватости горных пород как коллек­ торов нефти и газа важно учитывать не только происхождение тре­ щин (тектонические, нетектонические), но и относительное время их образования (доскладчатые, соскладчатые, послескладчатые) и их ориентировки относительно элементов залегания слоев, их связи с разрывами со смещениями слоев, а также отношение трещин к литологическому составу пород.

12

ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД*

Параметры трещиноватости представляют собой характери­ стики трещиноватости горных пород, которые позволяют оцени­ вать последнюю количественными способами. К параметрам тре­ щиноватости относятся: а) объемная плотность трещин, б) эле­ менты ориентировки трещин в пространстве и в) раскрытие тре­ щин. Указанными параметрами трещиноватость горных пород лю­ бого участка определяется однозначно.

Объемная плотность (Т) трещин измеряется отношением по­ ловины суммарной площади стенок всех трещин, секущих неко­ торый объем породы, к величине этого объема. Из этого опреде­ ления видно, что Т есть не что иное как половина их удельной по­ верхности. Т измеряется в обратных линейных единицах и явля­ ется 'наиболее объективным критерием интенсивности трещинова­ тости горной породы.

Различают также поверхностную плотность трещин (Р ), кото­ рая характеризует интенсивность трещиноватости в случае произ­ вольной формы кривой распределения элементов ориентировки трещин в горной породе. Р измеряется отношением суммарной длины следов всех трещин, выходящих на некоторую площадку, к площади последней. Эта величина также измеряется в обратных линейных единицах. Величина Р зависит от ориентировки пло­ щадки, на которой производятся измерения.

Система трещин — совокупность трещин, образовавшихся при определенном напряженном состоянии вследствие действия од­ ного из главных максимальных напряжений (касательного или нормального), единого для всей системы. Распределение направле­ ний трещин такой совокупности подчиняется вполне определен­

проксимированному соответствующим нормальным законом. Дей­ ствием последующих процессов это первоначальное распределение

степени заполнения различаются трещины выполненные, ча­ стично выполненные и открытые; по составу заполнения — мине­ ральные, битумные и смешанные (битум и минеральное веще­ ство). По последовательности взаимопересечения наиболее ран­ ними генерациями являются минеральные, самыми поздними — битумные (с легким подвижным битумом) и открытые трещины.

*Описание методов определения параметров трещиноватости горных пород,

втом числе их проницаемости, содержится в главе IV.

13

В зависимости от конкретных геологических условий указанная последовательность генераций трещин может быть сужена или расширена.

Густота трещин (Г) характеризует интенсивность трещинова­ тости горных пород в тех случаях, когда трещины в породах рас­ пределены по системам. Г системы трещин — величина, измеряе­ мая количеством трещин, пересекающих единицу длины перпен­ дикуляра, восстановленного к их плоскостям. Эта величина изме­ ряется в обратных линейных единицах.

Между объемной плотностью трещин, поверхностной плотно­ стью трещин и их густотой существуют определенные соотноше­ ния. Так, сумма густот систем трещин равна их Т. Поверхностная же плотность трещин может быть равна сумме их густот или Т только в том случае, если условия позволяют для измерения по­ верхностной плотности выбрать такую площадку, которая была бы перпендикулярна ко всем трещинам.

В целом трещиноватость (макро- и микротрещины) горных по­ род характеризуется относительно правильными геометрическими системами. В общем случае геометрическая сетка трещин состав­ лена из двух основных систем вертикальных (по отношению к слоистости) трещин со взаимно перпендикулярными направле­ ниями. В частных случаях геометрическая сетка горных пород может быть представлена одной системой горизонтальных трещин по отношению к плоскостям напластования (тонкослоистые, рассланцованные породы), или тремя перпендикулярными системами (мергели), или сочетанием нескольких различно ориентированных систем (глины), создающим впечатление «бессистемного» (хао­ тичного) расположения трещин.

Исследования закономерностей в направлении тектонических трещин на локальных структурах показали, что эта ориентировки тесно связаны с элементами залегания слоев в данной точке. Эта связь устанавливается с помощью метода приведения систем тре­ щин в координаты слоя при построении структурных диаграмм. Анализ всех приведенных систем трещин в координаты слоя по­ казал, что как в складчатых, так и в платформенных условиях различаются однотипные системы трещин, располагающиеся в оп­ ределенной симметрии по отношению к элементам залегания слоя [115].

Исследования систем тектонических трещин как в обнажениях на дневной поверхности, так и в керне из буровых скважин (с при­ ведением их в координаты пласта) показали, что на глубине, так же как и на поверхности, наблюдаются те же системы трещин.

В платформенных областях в основном развиты перпендику­ лярные (к слою) трещины; наклонные к слою системы трещин здесь развиты слабо. В складчатых областях, наоборот, наклон­ ные системы трещин развиты в такой же степени, что и перпен­ дикулярные к слою трещины.

14

На общую густоту тектонических трещин большое влияние ока­ зывает литологический фактор. В общем случае эта зависимость, выражается в том, что, несмотря, на различия тектонических усло­ вий и разновозрастность горных пород, наибольшей общей густо­ той обладают глины, затем доломиты, известняки и наименьшей — песчаники, конгломераты. Указанная последовательность иллюст­ рируется (табл. 1) данными по Кавказу (верхний мел)', Иркут-

Таблица 1

Ряды литологических типов пород по убыванию общей густоты трещин (данные по естественным обнажениям)

состава в одном направлении,, увеличение или уменьшение густоты трещин имеет место одновременно для всех систем. Эта законо­ мерность имеет большое прикладное значение, так как она позво­ ляет судить об интенсивности трещиноватости горных пород на глубине и свидетельствует о правомочности исследования густоты трещиноватости по общей густоте трещин всех систем.

Для характеристики закономерностей распределения густоты трещин в породах с различными геологическими условиями их за­

Вместе с тем 80% всех значений располагаются в интервале 5—

платформе оказывается иной. Так,, на кривой распределения гу-

15

стоты трещин для Предуральской депрессии (6 тыс. измерений) 50% всех измерений падает на интервал 30—55 1/м при колеба­ нии густоты трещин в рассматриваемых условиях от 10 до 140 1/м. Из указанного можно заключить, что здесь наиболее вероят­ ное среднее значение густоты трещин равно 40 1/м (рис. 2). Срав­ нительное сопоставление этих данных с материалами по Русской платформе (рис. 1) показывает, что в платформенных условиях в связи с уменьшением интенсивности тектоники наблюдается рез­ кое уменьшение интервала распределения густоты трещин (по крайней мере в три с лишним раза).

увеличения количества микротрещин. Такую зависимость иллюст­ рируют данные по трещиноватости верхнемеловых пород СевероВосточного Кавказа *(рис. 3).

Соотношение густот макро- и микротрещин характеризуют также сводные кривые встречаемости различных значений, пост­ роенные для разреза трещиноватых кембрийских пород по Туруханскому району (рис. 4). Р1з анализа этого графика видно, что наиболее вероятными (80% вычисленных данных) как для макро-, так и для микротрещин являются значения их густоты в преде­ лах от 0 до 50 1/м.

Между густотой трещин и мощностью слоя различного лито­ логического состава существует обратная зависимость. Чем мощ­ ность слоя меньше, тем больше общая густота всех систем тре­ щин, и, наоборот, с увеличением мощности слоя уменьшается гу­ стота всех систем трещин.

Для изучения зависимости между густотой тектонических тре­ щин и мощностью слоев были построены кумулятивные кривые распределения густоты тектонических трещин по различным гори­ зонтам разреза верхней перми по Ермекеевской площади. Анализ этих кривых показал, что с увеличением мощности слоев густота трещин уменьшается (рис. 5). Так, в листоватых известняках

16

свиты А преобладающие значения густоты трещин выше, чем в известняках свиты С. Вместе с тем, поскольку разнос средних

мощностей по горизонтам сравнительно невелик (10—80 см), не­ большим оказалось и расхождение средних густот трещин (свита С и татарский ярус — 20%, свита А и татарский ярус— 10%). Естественно, что при больших колебаниях мощностей слоев рас­ хождения значений густот трещин будут большими.

Развитые в горных породах системы тектонических трещин возникали в определенной после­ довательности. Данными наблю­ дений как в обнажениях на днев­ ной поверхности, так и по керну скважин устанавливается многоэтапность трещин, свидетельст­ вом чему являются следы дефор­ маций трещин, имевших место после заполнения их минераль­ ным веществом.

Для практических целей важ­ на установленная закономерности в сохранении ориентировок си­ стем трещин (и их количества) в слоях однородного литологичес­

кого состава и в общих структурных условиях как на дневной по верхности, так и на глубине. Естественно, что эти данные способ ствуют прогнозированию указанных ^ар^мет-ров на глубину.

Ол&лкоточа С. о р

Г. .-.п г:--о

вать ориентировку трещин даже в глубокозалегающие слои раз­ ного литологического состава, что, кстати, весьма важно для опре­ деления анизотропии трещиноватых пород относительно их физи­ ческих свойств.

Установленная зависимость густоты трещин от мощности слоя

Поскольку густота трещин в горных породах различного лито­ логического состава определяется их прочностью, в общем случае представляется возможность руководствоваться следующим отно­ сительным по возрастанию прочности рядом горных пород, кото­ рый будет соответствовать убыванию густоты трещин: аргиллит, мергель, алевролит, доломит, известняк, песчаник, конгломерат. При этом следует учитывать, что прочность горных пород зави­ сит не только от литологического состава, но и от их структуры. Известно, например, что породы одинакового литологического со­ става, но обладающие различной структурой, по-разному реаги­ руют на проявление трещиноватости. Так, породы с неоднород­ ной структурой относительно более трещиноваты, чем с однород­ ной.

Детальными исследованиями в распределении участков интен­ сивной трещиноватости на площади локальных поднятий установ­ лено, что оно подчинено общей закономерности, свойственной для последних, но независимой от общего тектонического строения ре­ гиона. Участки с интенсивной трещиноватостью горных пород на всех локальных поднятиях платформенного и переходного к ним типов располагаются, как правило, на периклиналях структур. Распределение других участков с относительно повышенной тре­ щиноватостью на этих структурах определяется уже морфологиче­ скими особенностями последних.

Так, например, в зависимости от строения поднятия сводовая его часть может оказаться участком интенсивной трещиноватости горных пород в том случае, когда свод либо сравнительно крутой, либо широкий и пологий, но осложнен несколькими вершинами.

На структурах с асимметричным строением крыльев интенсив­ ность трещиноватости отмечается на более крутых крыльях либо на участках наибольшей деформации пород или неравномерного их падения. Участки повышенной трещиноватости горных пород могут выделяться и на пологих крыльях складок, в том случае если на последних различаются дополнительные поднятия.

Более сложным является распределение участков повышенной трещиноватости на поднятиях складчатого типа; здесь перикли-

18

пали поднятий не всегда выделяются как участки интенсивной трещиноватости горных пород.

Существенный интерес представляет рассмотрение распределе­ ния (изменения) трещиноватости горных пород отдельных гори­ зонтов по площади на локальных поднятиях. Согласно данным по Иркутскому району [102], на примере осинского горизонта (ниж­

Само собой разумеется, что совпадение участков интенсивной трещиноватости горных пород, установленной на глубине (в сква­ жинах), с распределением таковой на дневной поверхности имеет практическое значение для рационального размещения поисковых и разведочных скважин.

Подавляющее большинство систем трещин обладает верти­ кальными (или близкими к ним) падениями относительно слои­ стости горных пород. Так, например, в работе [69] показано, что из 9 тыс. измерений трещиноватости, произведенных по Иштугановской антиклинали, 90% (8100 измерений) имеют углы наклона трещин к слоистости пород 70—90°.

В ориентировке трещиноватости горных пород относительно стран света устанавливается определенная закономерность. В об­ щем случае для большинства регионов направления трещиновато­ сти горных пород согласуются с простираниями отдельных круп­ ных тектонических элементов. Так, например, в зоне Прибайкаль­ ского прогиба ориентировки основных систем трещин в кембрий­ ских породах отражают простирание крупных антиклиналов. Од­ нако в рассматриваемой зоне эти направления трещин не связаны

сориентировками размещенных в ней локальных поднятий.

ВНагорном Дагестане трещины в мезозойских и третичных отложениях обладают общими региональными северо-восточными

исеверо-западными простираниями. Подобные ориентировки ос­ новных систем трещиноватости известны и в мезозойских породах южных отрогов Гиссарского хребта, в Башкирском Приуралье и во многих других районах различного геологического строения.

Приведенные данные о преимущественном развитии в горных породах двух систем трещиноватости относительно стран света:

северо-западной и северо-восточной ориентировки — свидетельст­ вуют о том, что это явление может рассматриваться как законо­ мерность регионального характера.

Важно отметить, что установленная закономерность в прости­ рании основных систем трещиноватости сохраняется по более глубоким горизонтам и, возможно, в породах кристаллического фундамента.

2* 19