Нефтегазовая геология

 

 

Классификация и происхождение порового пространства - типы порового пространства осадочных пород

 

Различают два основных типа порового пространства осадочных пород: первичную, или межзерновую, пористость и вторичную, или промежуточную [17].

 

Первичная, или межзерновая, пористость

 

Эта пористость иногда называется первоначальной (original) в связи с тем, что она возникает вместе с отложением осадков. Песок является проницаемой породой с первичной пористостью. К менее проницаемым средам относятся глинистые, карбонатные и кристаллические породы. Характер первичной пористости определяется структурой порового пространства, формой пор, степенью их сообщаемости между собой и распределением в пласте осадочной породы [18].

Термин «упаковка» характеризует способ взаимного сочленения минеральных частиц обломочной породы [19]. Первичная пористость породы в значительной мере зависит от характера упаковки частиц, который в свою очередь контролируется, кроме всего прочего, степенью однородности размеров обломочных зерен. Если бы все зерна песчаника представляли собой правильные сферы одинакового размера, то его пористость колебалась бы от 47,6% при кубической до 25,9% при ромбоэдрической упаковке сферических зерен, а среднее значение пористости такого песчаника составляло бы 36,7% (4-7). Пористость агрегата единообразно упакованных сферических зерен теоретически не зависит от их размера при условии, что он одинаков для всех частиц. Таким образом, песок, сложенный однородными округлыми крупными зернами, будет иметь такую же пористость, что и песок, сложенный однородными округлыми, но мелкими зернами, если в обоих будет одинаковым тип упаковки. Однако в действительности полной гранулометрической однородности в обломочных породах-коллекторах никогда не бывает, поскольку известно, что пористость песчаников обычно составляет около 20%.

 

 

Поры между крупными зернами, как правило, заполняются более мелкими частицами основной массы. В конечном счете порода занимает минимально возможный объем, ибо обычные седиментационные процессы, такие, как деятельность волн и течений, взмучивают и сортируют частицы, пока при данном гранулометрическом составе и форме частиц не достигается наиболее плотная их упаковка.

 

Наибольшая гранулометрическая однородность свойственна обломочным породам, сложенным хорошо отсортированными и окатанными песчаными зернами или оолитами. Частицы, слагающие тонкодисперные обломочные породы, обычно менее хорошо окатаны по сравнению с частицами более грубозернистых пород, так как природные процессы окатывания не могут эффективно воздействовать на очень мелкие частицы [20]. В гранулометрическп однородных породах чем меньше размер зерен, тем выше пористость; это обусловлено трением, сцеплением частиц и образованием ими перемычек - явлениями, которые более присущи зернам меньшего размера, обладающим большей удельной поверхностью [21]. Форма частиц обломочных пород изменяется от округлой до угловатой, уплощенной и пластинчатой, а их размер ‑ от очень крупных до мелких и даже коллоидных. Столь же широко варьирует количество цементирующего материала, заполняющего прмежутки между зернами. Таким образом, пористость обычной обломочной породы представляет собой результат комбинации таких переменных параметров, как размер и форма зерен, сортировка, упаковка, а также характер и количество цементирующего материала. Пористость резко снижается с добавлением тонких частиц основной массы, которые заполняют поровое пространство. Многие менее значительные изменения пористости и проницаемостп, происходящие в обычном коллекторе обломочного происхождения, связаны с изменениями условий осадконакопления, к которым: минеральные частицы весьма чувствительны.

 

Пористость большинства песчаных коллекторов является преимущественно первичной. В пластах с очень высокой пористостью песчаные зерна обычно несцементированы и слабо связаны между собой, а потому могут захватываться и увлекаться потоком нефти, иногда в значительных количествах. Например, зерна рыхлого песка, извлекаемые вместе с нефтью из формации Уилкокс (ордовик) на месторождении Оклахома-Сити, при плотной упаковке образуют агрегат с пористостью около 3 %, тогда как пористость консолидированных пород того же месторождения, судя по данным исследования керна, составляет в среднем 16 % [22]. Крайне низкая пористость обломочных пород чаще всего связана с заилением песчаного материала, неоднородностью гранулометрического состава, высоким содержанием основной массы, а иногда и плотной цементацией слагающих породу частиц ‑ кремнеземом, кальцитом или доломитом.

 

Условия, контролирующие проницаемость, в значительной мере отличаются от тех, которые определяют пористость [23]. К числу геологических факторов, влияющих на проницаемость возможных пород-коллекторов, можно отнести следующие:

1. Температура¹. С повышением температуры понижается вязкость жидкостей, а проницаемость изменяется обратно пропорционально последней.

2. Гидравлический градиент. Скорость течения флюида прямо пропорциональна гидравлическому градиенту. Вероятно, при достаточно высоком перепаде давлений и низкой вязкости жидкостей в какой-то степени проницаемы любые породы. Однако мы имеем в основном дело с низкими градиентами, большей частью составляющими в среднем менее 50 фунт/кв. дюйм (3 5 кг /см²) и редко превышающими 500 фунт/кв. дюйм (35 кг/см ) на милю.

3. Форма зерен и упаковка. Установлено, что при неоднородном гранулометрическом составе проницаемость пород тем выше, чем больше форма зерен отклоняется от правильной сферической. Так, проницаемость песчаных пород состоящих из угловатых зерен, выше проницаемости тех же пород, сложенных преимущественно сферическими зернами аналогичных размеров, что обусловлено менее плотной упаковкой угловатых зерен и образованием ими перемычек. Породы, сложенные главным образом уплощенными или пластинчатыми (наподобие листочков слюды) частицами, а также кристаллами игольчатой формы, обладают рыхлой упаковкой, характеризуются высокой пористостью и, как правило, имеют хорошую проницаемость. И хотя в данном случае с уменьшением размера зерен пористость пород возрастает относительная проницаемость понижается, что объясняется увеличением извилистости поровых каналов и повышением капиллярного давления, вызывающими более высокое насыщение пород смачивающими жидкостями.

 

Уплотнение и цементация пород уменьшают их проницаемость, связанную с первичной пористостью, в то время как появление каналов растворения увеличивают ее. Наличие трещин, разрывов, поверхностей отдельности и особенно поверхностей напластования значительно повышает проницаемость пород благодаря большой площади поперечного сечения связанных с ними плоских щелей. Проницаемость меняется обратно пропорционально длине потока и, следовательно, извилистости путей миграции; поэтому любое укорочение последних ведет к увеличению проницаемости.

 

Карбонатные породы-коллекторы обычно в большей степени, чем песчаные характеризуются вторичной пористостью. Однако часто трудно провести различие между первичной и вторичной пористостью карбонатных пород хотя некоторые из них бесспорно обладают первичной пористостью, которая представлена такими формами, как: 1) поры внутри и между раковинами ядрами ископаемых, их обломками, остатками фораминифер и водорослей и поры в ракушнике; 2) поры между карбонатными кристаллами и по плоскостям спайности внутри них ‑ это так называемая межкристаллическая пористость; 3) поры, связанные с оолитами и оолитовыми известняками; 4) поры вдоль поверхностей напластования, образующиеся в результате изменения условий седиментации, отложения глинистого и алевритового материала и, возможно, появления кристаллической структуры, отличной от таковой в основной части карбонатного пласта; 5) трещины усыхания и уплотнения, возникающие в процессе седиментации.

 

Некоторые диагенетические процессы продолжаются в карбонатных породах и после их литификации [24], что способствует образованию вторичной пористости. Уплотнение, цементация, растворение, перекристаллизация и доломитизация обычно протекают в диагенетическую и катагенетическую стадии преобразования карбонатных отложений. Пористость, возникающая в результате этих процессов (если она поддается выявлению), может считаться вторичной, тогда как пористость, являющаяся результатом лишь незначительного изменения первичных осадочных свойств пород, может рассматриваться как первичная. Межкристаллическая пористость может быть как первичной, так и вторичной, и определение ее генезиса часто весьма затруднительно. То же самое справедливо и по отношению к трещинам, которые образуются в результате вторичных деформаций, или в процессе первичного уплотнения карбонатных осадков¹. Примеры различных типов пористости в известняках показаны на 4-8.

 

Примерами природных резервуаров, приуроченных к карбонатным породам с первичной пористостью, могут служить линза оолитовых известняков и ракушечника на месторождении Лисбон в Луизиане [25] (см. также стр. 296: 7-26) и пенсильванская ракушечниковая толща на месторождении Тодд в западном Техасе [26] (см. стр. 295-296: 7-25 – 7-27). На Южных месторождениях Мексики нефть добывается из известняка Эль-Абра (мел). Его пористость обусловлена преимущественно наличием обломков раковин, а также полых отпечатков кораллов и различных типов моллюсков, включая рудистов, а сообщаемость пор ‑ присутствием трещин и разрывов. Внутренняя часть полых отпечатков выполнена друзами. Некоторые из этих полостей в обнажениях содержат битум (альбертит), тогда как на глубине они заполнены нефтью, газом или асфальтом [27]. Формация Эль-Абра представлена рифовым известняком, пористость которого главным образом первичная, что является характерной особенностью многих органогенных рифов (см. также стр. 293).

 

Оолиты представляют собой небольшие округлые сростки, состоящие обычно из кальцита, но иногда также из кремнезема. Они образуются в результате концентрического нарастания слагающего их вещества вокруг чужеродного ядра. Диаметры оолитов колеблются от 0,25 до 2,0 мм, но чаще всего имеют размер 0,5-1,0 мм. Название «оолит», или «икряной камень», происходит от внешнего сходства их с икрой рыб. Более крупные сростки телец размером с горох называются пизолитами. С оолитами связаны два типа порового пространства. В большей части оно представлено порами между оолитами и, следовательно, сходно с межзерновой пористостью любой обломочной породы. В некоторых случаях, однако, оолиты могут быть растворены и на их месте остаются пустоты, разделенные нерастворимым материалом основной массы и цемента. Породы, сложенные исключительно оолитами с большим количеством оолитовых отпечатков, часто образуют прекрасные природные резервуары, характеризующиеся высокой пористостью и проницаемостью.

 

Многочисленные залежи нефти и газа связаны с природными резервуарами, приуроченными к известнякам и доломитам оолитового строения, пористость которых в основном первичная. Более 120 млн. баррелей нефти было получено из плотных бурых оолитовых известняков Смаковер (юра) на месторождении Магнолиа в округе Колумбия, штат Арканзас [28]. Пористость чистой оолитовой породы достигает почти 20 %, а ее проницаемость ‑ около 1000 миллидарси, тогда как части природного резервуара, сложенные известняками и мелом, характеризуются меньшей пористостью и проницаемостью. Ловушка представляет собой симметричную удлиненную куполовидную складку амплитудой до 270 футов, занимающую площадь около 4700 акров. В недрах южного Арканзаса широко развита состоящая из оолитовых пород формация Рейнолдс, относимая к верхней части известняков Смаковер. Это самая нижняя продуктивная толща месторождения Шулер [29], где она сложена типичными сферическими оолитами, от очень мелких до крупных, и небольшим количеством пизолитов. Оолиты слабо сцементированы, и поэтому пористость пород высока, иногда более 23 %, а в среднем составляет 16,7 %. Проницаемость по горизонтали и вертикали местами превышает 15 000 миллидарси, в среднем достигая 1176 миллидарси. На газовом месторождении Картидж в округе Панола, штат Техас (одном из крупнейших газовых месторождений США), к числу основных продуктивных горизонтов относятся известняки Аппер-Петтет (нижний мел). Это серые, содержащие ископаемые организмы, местами перекристаллизо­ванные, пористые оолитовые известняки мощностью до 32 футов, которые выклиниваются по восстанию вкрест широкой складки [30] (см. 8-4). «Песок» Мак-Клоски в бассейне Иллинойс, стратиграфический аналог выходящей на дневную поверхность формации Св. Женевьевы (верхний миссисипий), является одной из наиболее широко развитых продуктивных толщ, сложенных оолитовыми породами. Во многих залежах, связанных с этой толщей, нефть заполняет либо поры между оолитами, либо полости на месте растворившихся оолитов, а иногда и те и другие [31].

 

Можно привести многочисленные примеры залежей нефти и газа, когда коллекторскими породами являются известняки, обладающие как первичной, так и вторичной пористостью. Среди наиболее крупных залежей можно назвать залежь Редуотер в Альберте, Канада [32], площадь которой достигает почти 60 кв. миль. Геологические запасы нефти оцениваются здесь в 1,5 млрд. баррелей, а извлекаемые ‑ по крайней мере в 600 млн. баррелей. Коллектором являются органогенные известняки Ледюк (D-3), входящие в состав формации Вудбенд (верхний девон), причем нефть скопилась в стратиграфической ловушке вдоль линии их выклинивания по восстанию на северо-восток внутри толщи глинистых пород (см. 7-49). Известняки, слагающие биостромы, имеют эффективную пористость порядка 7 % и среднюю проницаемость около 800 миллидарси. Поровое пространство известняков составляют различно комбинирующиеся пустоты между обломками известняков, полости внутри органических остатков, трещины и межкристаллические поры. Разрез образца керна доломита, взятого на близрасположенном и аналогичном по строению месторождении Ледюк, свидетельствует о том, что и здесь в поровом пространстве коллектора наблюдается комбинация нескольких типов пористости (см. 4-13).

 

Вторичная, или промежуточная, пористость

 

В случае вторичной пористости форма и размер пустот, их расположение в породе и характер сообщаемости между собой не имеют прямой связи с морфологией осадочных частиц. Эта разновидность порового пространства называется еще «наведенной пористостью» [33]. Такой пористостью обладают, например, кавернозные известняки, а также трещиноватые кремнистые и кремнисто-глинистые породы. Большинство природных резервуаров, характеризующихся вторичной пористостью, приурочено к карбонатным породам ‑ известнякам и доломитам, вследствие чего этот тип пористости часто именуется «известняковой» или «карбонатной» пористостью. Вторичная пористость может возникать или видоизменяться в результате: 1) растворения; 2) образования трещин и разломов; 3) перекристаллизации и доломитизации; 4) цементации и уплотнения.

 

Растворение. Поверхностные воды, обогащенные углекислотой и органическими кислотами, проникают в толщу горных пород по различным пустотным пространствам [34], таким, как первичные поры, трещины, разрывы, плоскости отдельности, межкристаллические пустоты и поверхности напластования. Проходя сквозь породы, эти кислые воды растворяют и выносят различные соединения, включая карбонаты кальция и магния, а также соли натрия и калия, тем самым еще более расширяя каналы фильтрации и увеличивая пористость. В результате преимущественного растворения соприкасающихся между собой кристаллов кальцита в доломите образуются дополнительные каналы и затем подвергаются растворяющему действию вод все новые и новые минеральные зерна. Процессы растворения продолжаются на протяжении всего времени, пока в породах циркулируют растворители, непрерывно изменяя характер пористости и проницаемости.

В порядке понижающейся растворимости в кислом водном растворе наиболее распространенные в природе карбонаты располагаются следующим образом: 1) арагонит; 2) кальцит, 3) доломит, 4) магнезит. В гранулометрически однородных породах смешанного известняково-доломитового состава одновременно растворяются 24 части кальцита и часть доломита, пока весь кальцит не переходит в раствор [35]. В случае меньшей гранулометрической однородности это соотношение меняется в зависимости от относительного размера кристаллов и характера распределения кальцита и доломита в породе. Доломит с большим трудом поддается выветриванию, тогда как кальцит разрушается очень быстро.

Увеличение пористости происходит в тех участках породы, где скорость растворения превышает интенсивность вторичного выпадения вещества в осадок. Часть растворенного материала переотлагается в других участках породы, образуя цемент, уменьшающий пористость. Часто растворенный материал выносится на поверхность и уносится реками, протекающими в данном районе. Особенно большое значение процессы растворения приобретают в природных резервуарах, сложенных известняками и доломитами, но в известной мере они проявляются почти во всех породах-коллекторах, так как большая часть обломочных пород содержит то или иное количество карбонатов кальция и магния и других растворимых материалов.

Растворы органических кислот образуются в основном в зоне выветривания [36], преимущественно в результате разложения органического вещества. Ховард и Дэвид [37], добавив в воду листья вяза и каштана, почвенных бактерий и кусочки известняка, оставили эту смесь на открытом воздухе. В течение первых двух месяцев они наблюдали возникновение СО2 во все возрастающем количестве, а в последующие одиннадцать месяцев газ образовывался в постоянно уменьшающихся объемах. Деятельность бактерий также достигает наибольшей интенсивности на поверхности выветривания. Бессчетное множество растительных и животных организмов живет, погибает и позднее разлагается в почвенном слое и на поверхности земли, способствуя химическому разложению многих встречающихся здесь минералов.

Таким образом, зона выветривания характеризуется высокой химической и биохимической активностью, что обеспечивает обогащение поверхностных вод органическими и неорганическими кислотами. Многочисленные водные источники, поноры (вертикальные полости) и различные формы карстового рельефа, известные во многих районах развития известняков, свидетельствуют о большой роли процессов растворения в образовании пористости карбонатных пород. Особенно большой пористостью обычно отличаются карбонатные породы, залегающие непосредственно под поверхностями несогласия, так как при этом породы подвергаются суммарному воздействию процессов растворения и выветривания. Пример погребенного предпенсильванского карстового рельефа, развитого в ордовикских известняках западного Канзаса, приведен на 7-58.

Поверхности несогласия наиболее часто встречаются на площади распространения осадочных образований. Поскольку несогласия представлены поверхностями субаэральных перерывов седиментации, подвергавшимися выветриванию и эрозии, к ним обычно приурочены зоны развития пористости растворения, которые могут служить природными резервуарами, причем в районах с изученной стратиграфией и историей геологического развития их положение в разрезе можно предсказать еще до начала бурения. Тесная связь пористых и проницаемых известняковых или доломитовых природных резервуаров с поверхностями несогласия делает эти поверхности особенно интересным объектом для постановки разведочного бурения. Можно назвать много примеров залежей нефти и газа, связанных с зонами развития пористости растворения, формирующимися под распространенными на обширной площади поверхностями несогласия. Некоторые из них описаны на стр. 326-327 (глава 7, гидродинамические ловушки, А.Ф.).

Несколько примеров кавернозной пористости в породах уже рассмотрено в геологической литературе [38]. Наиболее ярким из них является огромная пещера, обнаруженная на месторождении Доллархайд в округе Андрус, западный Техас [39]. Девять скважин, разбросанных на площади в 1 кв. милю с плотностью 1 скважина на 40 акров, вскрыли эту пещеру, что было установлено по внезапному провалу бурового долота. Пещера, которая оказалась заполненной нефтью, заключена в известняке Фассельмен (силур). Ее высота местами достигает 16 футов. Между интервалом разреза кавернозных пород и предпермской поверхностью несогласия залегает толща известняков и доломитов силурийского ип девонского возраста мощностью около 1000 футов. Тем не менее предполагается, что пещера образовалась в результате эрозии именно в предпермское время.

В Саудовской Аравии, в высокопродуктивной зоне Араб (верхняя юра), к которой приурочены нефтяные залежи, пористость в известняках наблюдается в интервалах, где они либо доломитизированы, либо имеют оолитовое строение; здесь, наряду с пустотами величиной в палец встречаются крупные каверны до трех футов в поперечнике, в которые проваливается буровой инструмент. В результате, по крайней мере на месторождении Абкайк [40], проницаемость коллекторов столь высока, что нефть поступает из скважин почти с такой же интенсивностью, как если бы ее откачивали из цистерны.

 

 

К содержанию: Леворсен: ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА

 

Смотрите также:

 

Поиски и разведка месторождений  Углеводороды нефть, газ, конденсат  РЕСУРСЫ МОРЯ. Нефть, газ

 

Закон О нефти и газе о недропользование  Размещение нефтяных и газовых месторождений.