|
После образования в породе
порового пространства или системы пор, первичных либо вторичных, либо тех и
других, они обычно начинают видоизменяться под влиянием одного или сразу
обоих наиболее универсальных вторичных процессов, каковыми являются цементация
и уплотнение. Развитие этих процессов ведет к уменьшению объема порового
пространства и проницаемости пород. Они могут проявляться как во время
отложения осадков, так и на постседиментационной стадии. Обычно пористость
осадочных пород уменьшается с увеличением глубины их залегания, температуры и
возраста [67].
Цементация. Цементация пород отчасти является
первичной; цемент может осаждаться или отлагаться совместно с классическим
материалом. Кремнезем, карбонаты и другие растворимые вещества осаждаются одновременно
с отложением обломочного материала. Первичный цементирующий материал
подвергается позднее перекристаллизации, и такой перекристаллизованный цемент
затем лишь с трудом можно отличить от материала, привнесенного после
консолидации осадка. Песчаники, содержащие кремневый цемент, отложившийся
вместе с песчаными зернами или осажденный в процессе диагенеза, называются
ортокварцитами в отличие от метакварцитов, которые образуются при
метаморфизме. Как считает Крынин, 90-95 % кварцитовых песчаников Аппалачей
имеют первичный кварцевый цемент [68]. Если это так, то можно надеяться на
лучшие перспективы нефтегазоносности Аппалачского региона. В противном случае
прогноз был бы значительно менее благоприятен, ибо в связи с существующими
представлениями об образовании кварцитовых песчаников в процессе
регионального диастрофизма и метаморфизма все потенциальные породы-коллекторы
должны были стать непроницаемыми и вся нефть должна быть из них выжата.
Нерастворимые, а поэтому не являющиеся хемогенными
осадками вещества могут вести себя подобно хемогенному цементу, заполняя
пустоты, уплотняя породу и скрепляя отдельные ее зерна. Особенно плохо
растворимы глинистые минералы, однако они неустойчивы физически и быстро
реагируют на изменения давления, температуры и характер вод. В тех или иных
количествах они отлагаются в виде различного рода обломков почти во всех
осадках, являясь обычным цементирующим материалом.
Некоторые глинистые минералы замещаются хлоритом,
серицитом и карбонатами. При выжимании воды из глины и илов последние
вдавливаются в тончайшие промежутки между зернами и служат связующим
материалом, который скрепляет отдельные песчаные зерна. Обломочными породами,
сцементированными первичным обломочным материалом, являются, например,
граувакки. Глины, образовавшиеся в результате выветривания полевых шпатов,
заполняют поры в породах формации Чанак (третичного возраста) на восточном
борту бассейна Сан-Хоакин в Калифорнии. Здесь они играют роль скрепляющего
материала и, создавая препятствие на пути движения нефти по восстанию
коллекторских пластов, способствуют образованию нескольких залежей нефти.
Другой вид обломочного цемента встречается в песках формации Мак-Меррей (мел)
близ Атабаска-Лендинг в северо-восточной Альберте. Эти пески сцементированы
вязкой тяжелой нефтью, которая отлагалась, вероятно, вместе с песчаными
зернами. При удалении нефти песок рассыпается на отдельные зерна.
Химическое осаждение цементирующих материалов в порах
обломочных пород в течение диа- или катагенеза представляет собой фактор
вторичного изменения их пористости и проницаемости. Наиболее
распространенными цементирующими материалами в обломочных породах-коллекторах
являются, в порядке убывания распространенности, кварц, кальцит, доломит,
сидерит, опал, халцедон, ангидрит и пирит. Часто в составе цемента одной
породы может присутствовать сразу несколько минералов [69],
4-14. Шлиф ортокварцита, в котором видны регенерация
зерен и перекристаллизация, заметно изменяющие первичную структуру порового
пространства породы (Кryninе, Journ. Geol., 56, p. 152, Fig. 12,
1948).
1 ‑ зерна кварца; 2 ‑ регенерационный
кремнезем; 3 ‑ доломит; 4 ‑ пирит; 5 ‑ поровое
пространство.
В большинстве песчаников наряду с тем или иным
развитием структур инкорпорации зерен можно обнаружить следы цементации за
счет взаимного растворения соприкасающихся зерен на контактах, растворения
тонкозернистой кремнистой основной массы, привноса кремнезема из внешних
источников (см. 3-3). Цементирующим материалом могут служить самые
разнообразные минералы. Изучение 40 образцов керна полевошпатовых песчаников
из скважин, пробуренных в центральной и южной Калифорнии, показало наличие в
открытых порах и внутри сложенной обломочными глинистыми минералами основной
массы этих пород следующих вторичных минералов: кварца, альбита, ортоклаза,
микроклина, доломита, кальцита, анатаза, каолинита, глауконита, барита и пирита
[70].
Кварц представляет собой основной хемогенный
цементирующий материал многих обломочных пород-коллекторов и осаждается
первым среди других хемогенных связующих веществ [71]. Кремнезем не обнаружен
в составе пластовых вод, поэтому источники больших его количеств в породах в
виде цемента, так же как и механизм осаждения, явились предметом
многочисленных исследований, но до сих пор полностью не выяснены [72],
Предполагают следующие источники кремнезема: 1) кремнезем, осаждавшийся из
кремнийсодержащих поверхностных или метеорных вод; 2) кремнезем, приносимый
реками в океан, где он химически осаждался вместе с песком; 3) химически
осажденный кремнезем, образовавшийся в результате растворения мелких зерен
кремнийсодержащих минералов на контактах песчаных зерен при раздавливании и
истирании первых в процессе отложения или под давлением в течение диа- и
катагенеза (принцип Рике) [73]; 4) кремнезем, выносимый растворами из
глинистых минералов [74] и транспортируемый водами, выжатыми из глинистых
отложений в процессе их уплотнения. Характер вторичного разрастания
кремнезема и его воздействие на песчаник показаны на 4-14.
Вторичное разрастание кристаллов кварца свойственно
так называемым «искристым песчаникам» формации Варко (нижний эоцен), которые
слагают главный продуктивный горизонт на нефтяном месторождении Петролеа в
восточной Колумбии [75] (6-37). Эти породы получили свое наименование
благодаря тому, что в обнажениях мириады кристаллов вторичного кварца
сверкают на солнце своими гранями. Песчаники имеют среднюю пористость 12,5% и
проницаемость 79 миллидарси, причем пористость их преимущественно первична.
Источники появления в породах карбонатного цемента
более легко объяснимы по сравнению с источниками кремнезема, поскольку даже в
песчаниках обычно содержится некоторое количество карбонатов, которые могут
быть растворены и переотложены в другом месте. Карбонатный цемент в
песчаниках может присутствовать в форме идиоморфных кристаллов кальцита или
доломита, находящихся в промежутках между песчаными частицами; он может
покрывать поверхности песчаных зерен, являясь связующим материалом между
ними, а также быть образован остатками карбонатных окаменел остей, как
распознаваемыми, так и концентрирующимися в пятна неопределимых обломков.
Поскольку цементация породы часто происходит за счет
растворения ее же собственного материала, эти два процесса действуют в
противоположных направлениях. Там, где растворение превалирует над отложением
цемента, пористость породы возрастает, и наоборот, на участках, где
преобладает отложение, пористость уменьшается. Растворение и цементация
неузнаваемо изменяют структуру норового пространства и особенно проницаемость
породы [76]. С образованием залежи углеводородов прекращается циркуляция
поровых вод, а вместе с ней и деятельность процессов растворения и
цементации. Отсюда мы можем заключить, что растворение и цементация в
природных резервуарах происходит почти исключительно до аккумуляции нефти и
газа в пласте.
Уплотнение. В геологии нефти и газа
важны три результата воздействия на породы давления: 1) уплотнение
коллекторских отложений; 2) уплотнение отложений, не являющихся коллекторами,
особенно глинистых; 3) сжатие пластовых флюидов. Мы коснемся здесь только
уплотнения отложений, которые служат коллекторами нефти и газов.
Уплотнение пород-коллекторов происходит главным
образом под влиянием увеличивающейся нагрузки перекрывающих отложений. Такое
воздействие на породу, подобно цементации, приводит к сокращению пористости.
Уменьшение объема порового пространства при уплотнении в замкнутой системе
природного резервуара вызывает увеличение пластового давления. Уплотнение
особенно значительно в коллекторах, содержащих глинистый или коллоидный
материал. При возрастании горного давления из них выжимаются огромные массы
адсорбированной воды, и поскольку глинистые и коллоидные материалы
чрезвычайно пластичны, они могут растекаться между зернистыми частицами,
образуя цемент и тем самым снижая пористость. Чистые песчаники, вскрытые на
забоях самых глубоких скважин, достигающих 15 000 футов, не несут следов раздробления зерен (R.В. Hutchison, личное сообщение); это указывает на то, что
подобные породы вполне могут оказаться продуктивными на больших
глубинах². В то же время заиленные и загрязненные песчаники становятся
непроницаемыми под давлением и на гораздо меньших глубинах. Однако даже в
чистых песчаниках наблюдается увеличение с глубиной количества точек
соприкосновения зерен, что свидетельствует об уменьшении объема порового
пространства пород при все большем
Различают два вида уплотнения пород-коллекторов:
пластическое и упругое. Пластическое уплотнение выражается в проникновении
мягких акцессорных минералов основной массы, таких, как глинистые минералы,
продукты выветривания и коллоиды, в открытые поры по мере увеличения давления
и вытеснения из них воды. В результате этого породы теряют пористость,
сокращается их проницаемость и происходит общее уменьшение их объема (см.
9-13). Пластическое уплотнение наблюдается в основном на ранней стадии диагенетического
преобразования отложений, когда из них удаляются огромные количества воды.
Однако из-за продолжающегося воздействия нагрузки вышележащих пород
сокращение пористости пород вследствие пластического уплотнения происходит в
течение длительного времени и после завершения стадии диагенеза, хотя со все
более уменьшающейся скоростью.
увеличение плотности пород с глубиной на месторождении
Гарбер в Оклахоме. В возрастании плотности здесь играют определенную роль как
цементация, так и уплотнение, и очень трудно, а иногда и вообще невозможно
отделить один из этих процессов от другого. В песчаниках пластическое
уплотнение устанавливается по наличию вдавленных в поры и деформированных
частиц мягких минералов, по перераспределению зерен, более плотной их
упаковке, раздроблению краев зерен и более тесной приспособленности последних
к материалу основной массы. Порода, претерпевшая пластическую деформацию,
даже частично не восстанавливает при снятии давления свой первоначальный
объем. Следовательно, объем таких пород является функцией максимальной
величины горного давления, которому они подвергались в течение своей
геологической истории.
Породы, подвергшиеся упругому уплотнению, наоборот,
могут при снижении давления восстанавливать, хотя бы частично, свой
первоначальный объем. Такое явление особенно вероятно в твердых песчаниках.
Оно обусловлено тем, что энергия, накопленная в песчаных зернах при повышении
горного давления, освобождается при его ослаблении. По-видимому, можно
провести некоторую аналогию между этим явлением и накоплением энергии в
сжатой пружине. Однако пласт песчаника, содержащий какое-то количество
пластичных минералов и испытывающий воздействие нагрузки вышележащих пород,
которая вызывает еще большее неупругое уплотнение частиц, никогда не
восстанавливает полностью при снятии давления своей исходной мощности. Какой
величины может достигать упругое сжатие пород и каково количество энергии,
которое может накопиться в них при этом,- это вопросы, относительно которых
мнения исследователей разделились; конкретные же данные весьма скудны.
Мейнцер [78] рассматривал упругое сжатие водоносных
горизонтов в качестве источника энергии, вызывающей артезианское истечение в
некоторых скважинах. Его доказательства базировались на том, что вес столба
воды между пьезометрической поверхностью и водоносным горизонтом меньше веса
соответствующих по мощности покрывающих пород. Давление воды внутри
водоносного пласта распределяется по всем направлениям и помогает выдерживать
вес перекрывающих его пород. Обычно при отборе воды из водоносного пласта
пьезометрическая поверхность снижается, однако Мейнцер считал, что падение
направленного вверх гидростатического давления в пласте компенсируется
опусканием перекрывающих пород. Другими словами, соприкасающиеся зерна в этом
случае принимают на себя большую часть давления, чем тогда, когда давление
воды было выше. По мере повышения давления нагрузки зерна испытывают упругое
сжатие, и, вероятно, они вновь увеличились бы в объеме, если бы упало горное
давление. Сжатие сокращает объем порового пространства, повышает давление на
флюиды и заставляет воду двигаться к поверхности в фонтанирующих артезианских
скважинах. Но отличить сжатие твердой фазы пород-коллекторов от сжатия
пластовых флюидов, таких, как воздух, газ и вода, очень трудно, поскольку оба
этих эффекта одинаково сказываются на дебите флюидов в скважинах. Концепция
сплошной флюидной фазы, распространяющейся от уровня грунтовых вод до очень
больших глубин и способной передавать давление в соответствии с определенным
градиентом гидростатического давления, является в большинстве случаев
наиболее простым и реальным объяснением природы подземного гидростатического
давления. Более того, по сравнению со сжатием различных флюидов влияние,
оказываемое на движение пластовых флюидов упругим сжатием пород, ничтожно.
Те же представления были использованы Джилули и
Грантом [791 в их попытке объяснить проседание грунтов в районе Лонг-Бича,
Калифорния. Они предполагали, что падение пластового давления флюидов в
результате отбора нефти было вполне достаточным, чтобы вызвать
соответствующее увеличение эффективной нагрузки от перекрывающих пород.
Дополнительная нагрузка на песчаные зерна обусловила упругое сжатие песчаной
породы, которое привело к сокращению объема последней и проседанию всей
перекрывающей ее толщи до самой поверхности.
Одна из проблем, связанных со сжатием песчаников,
заключается в установлении различия между воздействием на них пластического и
упругого сжатия. Можно ожидать, содержащих то или иное количество глин и
других пластичных материалов; тем не менее определить относительное влияние
каждого из них на погребенные породы-коллекторы практически невозможно.
Низкая сжимаемость кварцитов и песчаников [80] приводит к выводу, что
уплотнение, испытываемое обломочными породами-коллекторами, обусловливается
больше пластическим сжатием, чем упругим. Аналогичным образом легкость, с
которой карбонатные минералы и породы перекристаллизуются и заполняют все
имеющиеся поры, заставляет предполагать, что большинство карбонатных пород
испытывает скорее пластическое, чем упругое сжатие.
|