Глава 16. КОЛЛЕКТОРЫ В КАРБОНАТНЫХ ПОРОДАХ

Карбонатные породы как коллекторы нефти и газа уверенно конкурируют с терригенными образованиями. По различным данным от 50 до 60% современных мировых запасов УВ приурочено к карбонат­ ным образованиям. Среди них выделяются наилучшие по качеству коллекторы - рифовые сооружения, с которыми связано почти 40% запасов УВ в капиталистических и развивающихся странах1 . Сейчас добыча нефти из известняков и доломитов составляет около половины мировой. Хотя максимальное число подобных залежей связано с палеозойскими отложениями, наиболее крупные месторождения, в том числе в рифах, открыты в мезозойских породах. Это прежде всего Ближний Восток с наиболее крупным в мире нефтяным месторожде­ нием Гхавар в Саудовской Аравии. В этом районе сосредоточено наибольшее количество нефти на планете преимущественно в карбо­ натных породах. Крупнейшие скопления в рифовых сооружениях мезозойского возраста открыты в южной части бассейна Мексиканско­ го залива, здесь же получены и рекордные дебиты в десятки тысяч тонн в сутки. Можно отметить некоторую связь между развитием карбонатных коллекторов и усилением карбонатонакопления в гео­ логической истории, что связано с общей цикличностью геотектони­ ческого развития и периодичностью осадкообразования.

Карбонатные коллекторы характеризуются весьма специфически­ ми особенностями. Они отличаются крайней невыдержанностью, зна­ чительной изменчивостью свойств, что затрудняет их сопоставление. В них относительно легко происходят разнообразные диагенетические и катагенетические изменения. Фациальный облик известняков в большей мере, чем в обломочных породах, влияет на формирование коллекторских свойств. В минеральном отношении карбонатные породы менее разнообразны, чем обломочные, но по структурно-текс­ турным характеристикам имеют гораздо больше разновидностей. В процессе изучения коллекторских свойств карбонатных толщ многи­ ми авторами неоднократно подчеркивалась решающая роль генезиса отложений, гидродинамики среды карбонатообразования в заложении структуры пустотного пространства, которая может быть более или менее благоприятна для формирования коллекторов и определяет характер последующих преобразований.

В целом вторичные изменения (в том числе и тектонического порядка) больше сказываются на карбонатных коллекторах, чем на терригенных. Это связано с легкостью их растворения как на глубине, так и при перерывах в осадконакоплении, явлениями метасоматоза и большей эффективностью развития трещиноватости. Особенно велико

1 После усиления раэбуривания континентальных склонов все эти цифры возможно существенно изменятся.

247

Таблица 15, Пустоты в карбонатных породах

влияние вторичных преобразований в породах с первично неоднород­ ной структурой порового пространства (детритовые разности типа вакстоун, грейнстоун). Как показано К.И. Багринцевой (1979 г.), наи­ большее значение для формирования высокой емкости и проницаемо­ сти имеют генетические черты карбонатных пород. На основе этого положения ею создана принципиальная классификационная схема карбонатных коллекторов, в которой величины пористости, проницае­ мости и коэффициенты флюидонасыщенности привязаны к генетичес­ ким и текстурно-структурным особенностям пород. По характеру постседиментационных преобразований карбонатные породы отлича­ ются от терригенных, прежде всего это касается уплотнения. Остатки биогермов с самого начала представляют практически твердые образо­ вания и далее не уплотняются. Мелководные осадки из форменных элементов (обломков раковин) литифицируются в диагенезе очень быстро. Пористость несколько сокращается, но вместе с тем значи­ тельный объем порового пространства "консервируется".

В карбонатных породах отмечаются все виды пустот (табл. 15). В зависимости от времени возникновения они могут быть первичными (седиментационными и диагенетическими) и вторичными (постдиагенетического происхождения). В органогенных карбонатных породах к первичным относятся пустоты виутрираковинные (в широком смыс­ ле - внутриформенные), реликтовые, а также межраковинные.

Созданию вторичных пустот способствуют процессы растворения (выщелачивания), перекристаллизации, метасоматоза (в основном доломитизации и раздоломичивания), стилолитизации, образования трещин. Те или иные процессы сказываются по-разному в зависимости от генетического типа породы.

Перерывы в осадконакоплении, имеющие региональное значение с выводом отложений на поверхность, играют большую роль при формировании зон высокоемких коллекторов.

248

Под поверхностью размывов и несогласий в массивах карбонатных пород часто можно встретить закарстованные зоны, связанные с выветриванием и выщелачиванием. В пределах нефтяных месторожде­ ний к этим зонам приурочены высокопродуктивные горизонты. Вдоль трещиноватых зон растворение происходит до больших глубин, в Камском Приуралье оно отмечается на глубинах до 1,0 км .

Среди карстовых явлений следует отметить некоторые особые слу­ чаи, имеющие локальное и региональное значения. Одним из примеров подобных явлений служит хемобиогенная коррозия, проявляющаяся в случае развития микрофлоры на ВНК, которая создает кислую среду, повышает ее агрессивность и способствует растворению карбонатов. Другим примером является развитие карста под влиянием углекисло­ ты, образующейся при разрушении нефтяной залежи. В обоих случаях переотложение растворенного карбоната кальция ниже подошвы залежи приводит к изоляции последней от остальной части пласта.

Особую проблему представляет развитие глубинного карста (гипокарста). Это явление связывают с различными процессами, при которых в глубинных зонах осадочного чехла происходит хотя бы кратковременное раскрытие трещин, в результате чего увеличивается поступление CO2 с глубин и, как следствие, развивается глубинный карст с образованием коллекторов. Очевидно, на развитие гипокарста влияет и достижение состояния неустойчивости кальцита при погру­ жении (о чем говорилось в предыдущей главе).

Впределах основных генетических групп карбонатных пород можно выделить определенные структурные разности пустот. Среди биоморфных разностей органогенных известняков, например, в рифах нижнепермского возраста в Предуралье, развиты внутрираковинные и межраковинные пустоты.

Врифах выделяются "ситчатые" известняки с пористостью (пустотностью) до 60%, сложенные кораллами, мшанками, брахиоподами (см.

рис. 36), "губчатые" крупнодетритовые известняки (с пористостью 4 0 - 45%), часто кавернозные и малопористые известняки с отдельными порами и кавернами, чаще всего выщелачивания. Все разновидности известняков выделяются внутри рифового массива. Ситчатые и губча­ тые группируются в зоны повышенной пористости. Образование ее в этих зонах часто связано с выведением пород на поверхность и вывет­ риванием. Дебиты скважин в разных частях рифов резко различаются.

Среди фитогенных известняков выделяются строматолиты, имею­ щие широкое развитие в породах кембрийского, вендского и рифейского возраста. Скелетные остатки этих организмов имеют пустоты и могут быть коллекторами.

Органогенно-обломочные известняки, как правило, всегда сцемен­ тированы и обладают меньшими емкостными возможностями по сравнению с биоморфными разностями. Пустоты (поры) органогенно-

249

Рис. 61. Пустоты и мелкие ка­ верны вдоль стилолитового шва в известняке (увел. 24, николи +)

обломочных пород называются межагрегатными, так как внутренняя структура составных частей этих пород различна.

Хемогенные породы по особенностям структур пустот подразде­ ляются на три группы.

1.В оолитовых породах различается пористое пространство межоо­ литовое, трещины сокращения между и внутри концентров оолитов и, наконец, отрицательно-оолитовые пустоты, образующиеся при выще­ лачивании оолитов.

2.В кристаллических (зернистых) известняках структура порового пространства (в случае растворения) межзерновая и кавернозная.

3.Пелитоморфные известняки обычно обладают повышенной трещиноватостью по сравнению с другими типами карбонатных пород.

Вних же наиболее часто развиты стилолитовые швы. Обычно можно видеть все переходы от самых ранних стадий - зародышей и сутурных швов к типичным стилолитам. Образование стилолитов связано с неравномерным растворением под давлением. Глинистая корочка на поверхности стилолитовых швов представляет нерастворимый остаток породы. Часто горизонты развития стилолитов являются наиболее продуктивными в разрезе. Они проницаемы, за счет вымывания глинистых корочек может образоваться зияющая пустота (рис. 61).

Обломочные карбонатные породы в структурном отношении отли­ чаются от перечисленных групп. В принципе они сходны с обычными кластическими породами, но по характеру преобразований тяготеют к известнякам.

Из числа вторичных процессов важнейшее значение имеют цемен­ тация, перекристаллизация, доломитизация, выщелачивание, кальцитизация, сульфатизация. Цементация может начаться очень рано и происходить быстро, как это было хорошо видно на примере бич-рока Гавайских островов. Кальцитовый цемент выкристаллизовывается из морской воды, заливающей пляж, и за счет частичного растворения

250

нестойких минералов. Пляжный карбонатный песок может отверде­ вать за несколько дней. Подобная почти мгновенная литификация происходила и в прошлые времена. Дальнейшая судьба оставшихся в каркасе такого "литификата" пустот может быть различна. При перекристаллизации происходит существенное изменение структуры и текстуры пород. В целом этот процесс направлен в сторону увеличения размеров кристаллов. Если при перекристаллизации часть вещества выносится, пористость возрастает. Наибольшей вторичной пористостью обладают неравномерно перекристаллизованные породы. Рост круп­ ных кристаллов способствует образованию микротрещин.

Наиболее эффективное влияние на формирование вторичной пустотности оказывают выщелачивание и метасоматоз (в основном доло­ митизация). Растворение при выщелачивании проявляется по-разному в зависимости от большей или меньшей дисперсности слагающих породу частиц. Тонкодисперсные компоненты сильнее подвержены этому процессу. Растворимость также зависит от состава минералов и вод: арагонит растворяется лучше, чем кальцит, сульфатные воды более активно растворяют доломит и т. п. Анализ изменения фильтра- ционно-емкостных параметров, определяемых в том числе и выщела­ чиванием, устанавливает их весьма отчетливую связь со структурногенетическими типами пород. Хорошим примером в этом отношении является крупный рифовый массив раннепермского и каменноуголь­ ного возраста, расположенный в северной бортовой части Прикаспийс­ кой впадины.

Месторождение Карачаганак находится под соленосной кунгурской толщей на глубинах от 3750 до 5400 м. В продуктивной толще преимущественным развитием пользуются биогермные и биоморфнодетритовые известняки. В меньшей степени развиты хемогенные и органогенно-обломочные разности, присутствуют доломиты, как продукты замещения известняков. По фациальной принадлежности различаются породы ядра биогерма, склоновых фаций, внутририфовой лагуны и шлейфовые отложения. Это обычная схема строения всех рифовых массивов. Наилучшими коллекторскими свойствами облада­ ют породы ядер биогермов, а также отложения склоновой фации раннекаменноугольного возраста, залегающие уже на глубине порядка 4,8-4,9 км. Для них характерны значения пористости от 10 до 23% и проницаемости (100-500)·10- 1 5 м 2 . Такие высокие свойства на больших глубинах определяются тем, что широко развитые процессы растворе­ ния привели к формированию линзовидных крупнопористых зон с унаследованной кавернозностью. Аналогичные рифовые и предрифовые фации меловых отложений в Мексике в зоне Ла-Реформа являются основой для формирования хороших коллекторов с пористостью от 14 до 26% и проницаемостью в десятые доли квадратного микрометра. Унаследованное выщелачивание в рифогенных известняках К. И. Баг-

251

Рис 62. Распределение коллекторов различных типов в рифовом массиве месторождения Карачаганак (по К. И. Багринцевой и др.).

Типы коллекторов:

1 — каверново-поровый, 2 — поровый, 3 — сложный (порово-трещинный, трещинно-поро- вый, трещинный; фациальные зоны: 4 — биогермная постройка, 5 — внутренняя лагуна; отложения: 6 — склоновые; 7 — шлейфовые, 8 — соль, 9 — ангидриты, 10 — глинистые

ринцева относит к числу главных факторов формирования коллектор­ ских свойств. Распределение фациальных зон и типов коллекторов Карачаганакского месторождения иллюстрируется на рис. 62.

Доломитизация (и обратный процесс раздоломичивания) является одним из ведущих факторов при формировании коллекторов. На образование доломита влияет соотношение в воде магния и кальция и общая величина солености. При более высокой концентрации солей требуется и большее количество растворенного магния. В процессе диагенеза доломит возникает за счет своих предшественников, таких, как магнезиальный кальцит. Первичная диагенетическая доломитиза­ ция не имеет существенного значения для формирования коллекторс­ ких свойств. Метасоматическая доломитизация в катагенезе более важна для преобразования коллекторов. Для доломитообразования необходимо поступление магния. Источники его могут быть различны. Одним из главных являются рассолы, связанные с соленосными тол­ щами. Действительно, на примере Припятского прогиба можно видеть, что между составом рассолов и интенсивностью вторичной доломити­ зации устанавливается достаточно отчетливая зависимость. В тех стра­ тиграфических зонах, где девонские карбонатные породы наиболее сильно доломитизированы, содержание магния в рассолах резко падает, он использовался для образования доломита. При катагенетических процессах в условиях повышенных температур растворы теряют свой магний, обменивая его на кальций вмещающих пород, как следует из хорошо известных реакций Гайдингера и Мариньяка. Например, по Мариньяку:

252