Вторичные преобразования пород-коллектов

Многие свойства пород-коллекторов, слагающих природные резервуары нефти и газа, закладываются во время седиментации. Особенно это относится к обломочным породам, скелет которых формировался в активной подвижной водной или воздушной среде (среди карбонатных пород первоначальные коллекторские свойства обычно формируются у калькаренитов, оолитовых, а также органогенных разностей).

Изменения всех нефтеносных пород происходят в системе минеральное вещество—органическое вещество-флюиды (вклю­чая нефть и газы). Вторичные преобразования отложений осадоч­ных бассейнов носят неоднонаправленный характер. На волно­вой характер многих процессов в недрах, в том числе на чередо­вание зон уплотнения и разуплотнения, обратил внимание Б.А. Соколов. В предложенной автоколебательной модели он свя­зал все процессы с пульсационной дефлюидизацией пород при погружении. Основными факторами, которые следует учитывать при анализе нелинейных преобразований, являются формацион-но-генетические характеристики нефтегазоносных комплексов, слагающих осадочные бассейны. Разделы между комплексами

различного литологического состава являются рубежами резкого изменения основных физических свойств пород, таких как плот­ность, пористость, теплопроводность и др. Резкий скачок гради­ентов значений величин этих свойств является причиной нерав­новесного энергетического состояния на этих уровнях. Если по­вышается содержание флюидов, неравновесие системы возраста­ет. Породы разного состава в целом оказывают влияние друг на друга в пределах осадочного бассейна. Широко известным при­мером является влияние соленосных толщ на подстилающие от­ложения, нагрузка здесь меньше по сравнению с другими случая­ми, так как соль имеет меньшую плотность, чем другие породы, процессы катагенеза замедляются из-за относительно более низ­ких температур под высоко теплопроводной солью и т.д. Большое влияние на все процессы оказывают находящиеся в разрезе вул­каногенные толщи и вообще вулканический, особенно пепловый материал как высоко реакционноспособный. В нефтяной геоло­гии важно изучение всех неравномерных, другими словами, не­линейных изменений, в том числе возникновения зон разуплот­нения и формирования вторичных коллекторов.

Сохранение пористости при погружении в обломочных поро­дах зависит прежде всего от способа их образования. Наиболее промытые отсортированные породы высокоэнергетических обста-новок, состоящие из однородного материала устойчивых минера­лов, имеют жесткий скелет и дольше всего сохраняют свои пер­вичные свойства. Это относится не только к русловым и баровым отложениям, но и к телам склоновых скоростных зернистых потоков.

Размер зерен определяет и размер пор, что влияет на прони­цаемость. Тонкозернистым осадкам с микропорами характерна низкая проницаемость, особенно если они образовались в низко­энергетической среде. В них же обычно отмечается и повышен­ное содержание более пластичных зерен (обломки пород, слюды), которые сминаются при росте нагрузки. Это, например, поймен­ные осадки или отложения тех частей дельты, которые разделяют протоки (иногда их называют переплетающимися отложениями, так как тиховодные струи меняют направления). Песчаники, об­разовавшиеся в активных зонах каналов русел и проток, имеют более высокие емкостные и фильтрационные характеристики.

Формирование вторичной пористости и появление при этом природных резервуаров с удовлетворительными свойствами свя­заны с разуплотнением как следствием процессов трансформации и выщелачивания минерального вещества, так и дефлюидизации пород. Процессы растворения являются одной из главных при­чин формирования вторичной пористости. В.Н. Холодов показал, что растворение мелкорассеянных карбонатов начинается доста-

9 Баженова 257

точно рано при насыщении вод углекислотой, возникшей при разложении ОВ. Растворение активно происходит при просачива­нии больших объемов воды, недонасыщенной веществами рас­творяющихся минералов. Чаще всего это характерно для вод, просачивающихся через флюидальные дельтовые отложения и мелководноморские отложения. На больших глубинах немало­важное значение имеет генерация СО₂. Гумусовое вещество про­изводит значительно больше углекислоты, чем сапропелевое, 1 г керогена гумусового вещества может продуцировать СО₂ в ко­личестве, способствующем растворению от 20 до 200 мг карбона­тов. Б.К. Прошляков на примере изучения пород Аралсорской сверхглубокой скважины показал, что до глубины 2,2—2,3 км (со­временная температура 55°С) карбонаты в цементе песчаников активно выщелачиваются. Глубже с повышением температуры растворимость карбонатов понижается, и они выпадают в твер­дую фазу. Но при температуре выше 75°С в растворах появляется СО₂, поступающий из глинистых пород за счет гидролиза рассе­янных в них карбонатов. Гидролиз идет по схеме:

Более интенсивно гидролизуется сидерит, который начинает разлагаться при температуре 75°С и выделяет большие объемы СО₂. В.Н. Холодовым рассчитано, что 100 г рассеянных в глинах карбонатов могут выделить 23 м³ СО₂. Вследствие роста содержа­ния СО₂в поровых водах карбонаты в Аралсорской скважине ниже глубины 4,4 км вновь начинают растворяться. Декарбонати-зация является результатом действия на осадочные породы не только СО₂, но и органических кислот, которые образуются при декарбоксилировании органического вещества глин, чередую­щихся в резервуарах с песчаниками и алевролитами. Агрессивные кислоты диффундируют в проницаемые пласты, вызывая выще­лачивание карбонатов и возникновение вторичной пористости.

При воздействии карбоксильных кислот освобождающийся алюминий выносится из зон выщелачивания. Возможно, его пе­ремещение происходит в виде алюмоорганических комплексов. Опубликованные экспериментальные работы дают возможность судить о высокой подвижности алюминия в присутствии раство­ров карбоксильных кислот. Растворение полевых шпатов повы­шалось в присутствии оксалатовых и меланатовых кислот. Повы­шение концентрации алюминия в растворах является индикато­ром возрастания его подвижности при выщелачивании. Высвобо­дившаяся кремнекислота идет на регенерацию кварцевых зерен, что способствует образованию жесткого каркаса, сохраняющего пористость. Все эти процессы эффективны в достаточно прони­цаемых породах.

Известно, что трансформация глинистых минералов в цемен­те иногда приводит к улучшению коллекторских свойств. Б.А. Ле­бедев подсчитал, что величина пористости каолинитизированных пород возрастает на 2-3% по сравнению с исходной породой. При этом совершенствуется структура порового пространства и повышается проницаемость. Особенно велика разница проницае­мости для песчаников с первичным монтмориллонитом в цемен­те. Каолинитизация приводит к образованию эффективных кол­лекторов за счет образования кристаллов правильной формы.

Трансформация глинистых минералов, их дефлюидизация является одной из причин проявления дилатансии в породах оса­дочных бассейнов и в том числе формирования в них коллектор­ских свойств. Дж. Берет в 1969 г. впервые описал явление выде­ления воды в процессе иллитизации смектитов на примере осад­ков Галф Коста. Подобные явления были отмечены и в других бассейнах, где указывалось на связь дефлюидизации с разуплот­нением пород на глубинах, варьирующих в зависимости от гео­термического градиента от 2 до 4 км. С разуплотнением связано появление резервуаров в мощных глинистых толщах, подобных майкопской серии олигоцена-нижнего миоцена в Предкавказье. Взаимосвязанные процессы между преобразованиями ОВ и трансформациями глинистых и кремнистых минералов определя­ют образование таких резервуаров. Вдоль ослабленных зон в гли­нистых породах возникают трещины и образуется основная доля вторичной пористости. Нетрадиционные глинистые коллекторы характеризуются в основном субпараллельными слоистости тре­щинами, обеспечивающими латеральную проницаемость. Меха­низм образования трещин связан с нарастанием давления в обра­зующихся за счет разложения и преобразования органики газо-во-жидких пузырьках. При установлении определенного предель­ного давления происходит схлопывание пузырьков, этот микро­гидравлический удар вызывает образование микротрещин. Об­щий рост внутреннего напряжения вызывает увеличение объема пород в определенной зоне (явление дилатансии) и образование послойных деформаций. Происходит субгоризонтальное (лате­ральное) смешение одной серии слоев по отношению к другим. Пример подобного смещения виден на сейсмопрофилях, прове­денных в Западно-Камчатском прогибе (рис. 6.15). В разрезе это­го прогиба на глубинах 2500-2600 м в породах эоцена хорошо видны сорванные чешуи, толщина которых достигает 150—200 м. В данном разрезе сдвиги с образованием чешуи связаны с гли­нистыми и угленосными толщами. Масштабы перемещения че­шуи составляют десятки метров, амплитуды складок достигают 100 м. Можно предположить, что в момент перенапряжения раз­рядка произошла таким образом, что вызвала перемещение мас-

сы вещества по латерали в область меньших давлений. Подобное явление — один из видов дилатансии. Можно предположить, что газовые и жидкие флюиды, находящиеся в породах, заполняют трещины, образовавшиеся при смещении, и таким образом веро­ятно формирование скоплений углеводородов в особом природ­ном резервуаре дилатантного типа. Этот природный резервуар следует рассматривать как геологическое тело особого способа образования со своими специфическими физическими и другими параметрами. Подобные смещения и возникновение дилатантных резервуаров наиболее активно происходит на границах толщ раз­личного состава с различными прочностными, пластическими, термическими свойствами и др.

К этому же ряду явлений, по-видимому, относятся процессы милонитизации. После разрядки напряжений в период релакса­ции объем трещинной пустотности может уменьшиться, что вы­зовет частичный переток флюидов на другие уровни, выше по разрезу, если такое перемещение будет возможно. Латеральное послойное смещение чешуи вызывает и побочные явления в гео-энергетическом поле: повышение содержания флюидов (воды) снижает электрическое сопротивление, возникают волноводы, по которым сейсмическая энергия может распространяться широко и выйти на поверхность. Процессы разуплотнения оказывают су­щественное влияние на возникновение аномалий в тепловом поле. Основываясь на формуле Фурье, можно предположить, что при постоянном значении величины теплового потока разуплот­нение и снижение удельной теплопроводности пород вызовут рост величины температурного градиента. Расчеты показывают,

что в 100-метровой толще глинистых пород это может создать аномалию и температура превысит фоновую на 20-30°С.

С увеличением глубин более отчетливо видны результаты тех процессов, которые в верхних частях разреза часто почти неза­метны. Представляет интерес химическое уплотнение. Петрогра­фические исследования кремнистого (кварцевого) цемента в юр­ских преимущественно кварцевых песчаниках в Североморском бассейне и на шельфе Норвегии показали, что основная его мас­са образовалась за счет растворения кварца на контакте со слю­дами и чешуйками глинистых минералов группы иллитов, кото­рые в виде корочек покрывают поверхности стилолитовых швов в песчаниках. Кварц растворяется на контактах со слюдой и илли-том благодаря процессам химического катализа. Проникновение и внедрение пластичной слюды в кварцевые зерна без заметной физической деформации свидетельствуют о том, что именно слю­да способствует растворению кварца.

Главным фактором, контролирующим степень и распределе­ние химически образованного цемента, является температурно-временная история данной песчаной свиты. Давление, по-види­мому, создает маленький эффект, но оно нужно для тесного кон­такта зерен. Рассматривая энергетическую сторону химического уплотнения, авторы обращают внимание на некоторое количес­тво энергии, которое освобождается при уплотнении. По расче­там получается, что при растворении и переосаждении 1 моля кварца выделяется 159 кал на глубине 2,5 км и 286 кал на глуби­не 4,5 км. Эти величины могут быть завышенные, но принципи­альное соображение о выделении энергии является, по-видимо­му, верным, что важно для всех сторон литогенеза.

Процессы уплотнения и перераспределения вещества иногда сочетаются с процессами разуплотнения на больших глубинах. В этом отношении интересный материал дало бурение сверхглубо­ких скважин. В Тюменской скважине в песчаниках триаса в ин­тервале глубин 5,2-5,8 км была вскрыта зона с развитием вто­ричной пористости, которая превышает первичнореликтовую и достигает 10-12%. Эти породы были изучены О.В. Япаскуртом, который и дал свое объяснение феномену. В обломочной части кварцевых граувакк распространены литокласты аргиллитов, кремней, а также эффузивных, кварц-серицитовых и кварц-хло­ритовых пород. Повышенная гетерогенность состава создает не­равновесие в системе. Неустойчивые компоненты разлагаются (кварц растворяется по вышеизложенной схеме), высвобождаю­щийся кремнезем идет на регенерацию зерен кварца. Локально регенерированный на поверхности зерен кварц может образовать «отростки», которые, соприкасаясь, препятствуют сближению зе­рен, создавая ажурный скелет с межзерновыми «мостиками»

(рис. 6.16). Общая схема чередования зон уплотнения и разуплот­нения дана на рис. 6.17.

Все рассмотренные преобразования могут быть обобщены только на базе генетических представлений. Литогенетический (генетический) тип отложений является как бы главным управля­ющим фактором всех преобразований пород прежде всего на на­чальных стадиях литогенеза. Отражение генетических типов в петрофизических свойствах существенно сказывается на продук­тивности нефтегазоносных горизонтов. Наименьшая дифферен­циация по свойствам отмечается в песчано-алевритовых осадках шельфов с высокой гидродинамической подвижностью. В дельто­вых отложениях дифференциация велика, особенно на участ­ках разветвления дельты. Отложения фаций подводной дельтовой платформы, образовавшиеся в низкоэнергетических обстановках,

сложенные глинистыми мел­козернистыми песчаниками и алевролитами, имеют низкую первичную пористость (преи­мущественно микропорис­тость) и слабое развитие вто­ричной пористости. Отложе­ния врезанных каналов более грубозернистые по составу и характеризуются значительно более высокими емкостными свойствами, большим разме­ром пор и более простой структурой порового простран­ства. Важно то, что грубые песчаники содержат меньшее количество пластичных зерен. Баровые песчаники всегда от­личаются высокими свойства­ми, если в дальнейшем они не были зацементированы про­дуктами преобразования из смежных лагунных отложений. Зер­новые потоки на склонах бассейна осадконакопления, если они отлагались в достаточно высокоскоростных гидродинамических условиях, хорошо промыты и сохраняют свои первичные физи­ческие свойства при быстром погружении до глубин 5-6 км. Крупное газовое месторождение Фригг было открыто в нижне-эоценовом глубоководном конусе в грабене Викинг Северного моря. Природными резервуарами являются песчаники врезанных каналов конуса, сложенные мелко- и среднезернистыми хорошо отсортированными разностями с хорошими коллекторскими свой-

ствами (пористость 25-32%, проницаемость 1200-1600 мД). Наме­чается связь распределения коллекторов и резервуаров по основ­ным типам осадочных бассейнов. Русловые и дельтовые коллек­торы попадают преимущественно в бассейны передовых предгор­ных прогибов и на склонах крупных сводовых структур. Пласто­вые песчаные тела коллекторов развиты на обширных простра­нствах бывших эпиконтинентальных морей. Глубоководные ко­нусы (фэны) связаны с бассейнами, существовавшими и сущес­твующими в тектонически дифференцированных условиях под­вижных поясов и в бассейнах на континентальных склонах.

Обработанный материал показывает, что интенсивные внут­ренние процессы преобразования в полной мере проявляются на тех стадиях, когда интенсивно начинает действовать флюидоди-намический фактор (по Б.А. Соколову). При возрастании нагруз­ки с погружением и ростом температур состояние вещества пород становится нестабильным. Обычно нестабильное, неустойчивое состояние возникает прежде всего в пластичных породах. Благо­приятными уровнями возникновения зон неустойчивости явля­ются также разделы между различными литологическими комп-

лексами (глинистые и песчаные толщи, известняки и соли, угле­носные и вулканогенные толщи). Обычно на этих рубежах отме­чаются резкие изменения основных физических свойств пород, особенно плотности и теплопроводности. Скачок градиентов зна­чений величин является толчком для создания неравновесия в системе. При усилении нагрузки породы на этих уровнях перехо­дят в неустойчивое состояние и даже приобретают квазипласти­ческие свойства. Если на этих уровнях также повышается содер­жание флюидов в породах, неравновесие системы увеличивает­ся, возрастает пластичность пород. Резкое увеличение уровня энергии в пластовой системе может быть обусловлено массовой трансформацией разбухающих компонентов и выделением свя­занной воды и(или) усиленной генерацией других жидких и газовых флюидов, что способствует развитию вторичной порис­тости (см. рис. 6.17).

При дефлюидизации порода стремится увеличить свой объ­ем, в ней возникает обилие микротрещин, по которым стремится двигаться вещество породы, приобретшее свойства текучес­ти. В наиболее критический момент роста давления происхо­дит автогидроразрыв. После снятия напряжения (релаксации) минеральный скелет породы трансформируется в более уплот­ненное состояние, волна разуплотнения сменяется волной уплот­нения.

Подводя итоги, следует подчеркнуть, что стадиальные изме­нения основных физических свойств в породах осадочных бас­сейнов не носят непрерывного характера, что в настоящее время отмечается многими исследователями. В ходе нелинейных преоб­разований возникают зоны разуплотнения. Они образуются при перераспределении энергии и вещества, прежде всего флюидов, дополнительные объемы которых генерируются в самих породах, а также поступают извне из глубоких зон земной коры и лито­сферы. Наличие цикличности строения толщ способствует разви­тию этих периодических процессов. Цикличность определяет ха­рактер преобразования пород в разрезе. Осадочные породы под­вергаются необратимым изменениям. Каждая стадия преобразо­вания имеет свои предельные значения характерных параметров, после достижения которых постепенные линейные изменения пород заканчиваются и они переходят в неустойчивое критичес­кое состояние. На этих критических уровнях наиболее вероятным является перераспределение энергии и скачкообразное приобре­тение породами новых свойств. Коллекторы не исчезают вплоть до метагенеза, они вновь и вновь появляются в новых видах, природные резервуары приобретают новые формы, и это одна из черт, которая характеризует осадочные бассейны как постоянно развивающиеся системы с высоким энергетическим уровнем.