книги из ГПНТБ / Прошляков, Б. К. Вторичные изменения терригенных пород-коллекторов нефти и газа

Б. К. ПРОШЛЯКОВ

ВТОРИЧНЫЕ

ИЗМЕНЕНИЯ

ТЕРРИГЕННЫХ ПОРОД-

КОЛЛЕКТОРОВ

НЕФТИ И ГАЗА

Москва

«НЕДРА»

1974

ВВЕДЕНИЕ

Обломочные — песчаные и алевритовые породы в Советском Союзе являются основными коллекторами нефти и газа. В на­ стоящее время из них добывается свыше 80% всех углеводоро­ дов. В связи с все возрастающей ролью этих полезных ископа­ емых в народном хозяйстве и ростом их добычи необходимо си­ стематическое пополнение их разведанных запасов. Поскольку месторождения, расположенные близ поверхности, уже открыты

ив значительной степени выработаны, уже сейчас поиски нефти

игаза осуществляются в отложениях, залегающих на глубинах 4—7 км. В ближайшие годы будет преодолен 10-км рубеж, и проектируется бурение на глубины до 15 км.

Впроцессе погружения на столь большие глубины сущест­ венно изменяются состав, строение и физические свойства осадочных пород. В связи с этим познание механизма и послед­ ствий катагенеза имеет чрезвычайно важное значение для пони­ мания широкого круга природных явлений, решения геологи­ ческих и технических задач. В газонефтяной геологии исполь­ зование знаний о процессах катагенеза и их последовательности несомненно окажет существенную помощь при решении вопро­ сов о миграции и аккумуляции нефти и газа, при оценке кол­ лекторских и экранирующих свойств пород, составлении карт развития коллекторов. Без учета влияния факторов катагенеза

на преобразование пород подчас невозможна однозначная кор­ реляция геологических разрезов и реконструкция геологического прошлого, особенно если в исследуемых пунктах одновозрастные отложения залегают на резко различных глубинах. Вторичные из­ менения накладывают свой отпечаток на физические свойства пород, что необходимо учитывать при интерпретации диаграмм промыслово-геофизических исследований. Использование знаний о катагенезе пород может принести большую пользу при выборе наиболее рациональной системы разработки нефтяных и га­ зовых месторождений, определении причин возникновения зон потери корреляции и введении соответствующих поправок при обработке материалов полевой геофизики и т. д.

Первые систематизированные сведения о вторичных измене­ ниях осадочных пород были изложены в работах А. Д. Архан­

3

гельского (1912), Г. Барроу (1912), А. Е. Ферсмана (1922) и других, однако достаточного внимания этим явлениям не уде­ лялось. Лишь в начале 50-х годов в связи с расширением и углублением литологических исследований появилась серия ра­ бот, в которых были отражены первые теоретические представ­ ления о вторичных процессах и их использовании для решения практических задач (Коссовская, Шутов, 1955, 1956; Пустовалов, 1956; Хилд, 1955, 1956; Вассоевич, 1957 и другие). В свя­ зи с расширением поисково-разведочных работ на нефть и газ литологи-нефтяники все чаще сталкиваются с явлениями постдиагенетического изменения пород. Появляются публикации, посвященные выяснению взаимосвязей нефтегазоносности со вторичными процессами и определению времени формирования нефтяных залежей (Орлова, 1958; Чепиков, Ермолова, Орло­ ва, 1960; Перозио, 1964 и др.), а также вопросам изменения коллекторских свойств пород в стадию катагенеза (Лаври, 1956; Фотиади, 1957; Прошляков, 1960; Энгельгардт, 1964; Максвелл, 1964 и др.).

В последние годы в Советском Союзе выполнен ряд исследо­ ваний, внесших существенный вклад в дело познания вторичных изменений осадочных пород. Среди них следует отметить ра­

П. А. Карпова, А. Г. Коссовской, В. Д. Шутова, В. И. Муравь­ ева и других.

В настоящей работе рассматривается комплекс вопросов, связанных со вторичными (катагенетичными) изменениями терригенных пород. Основное внимание уделено изложению резу­ льтатов исследования причин и последствий катагенетических изменений, происходящих с главнейшими компонентами осадоч­ ных пород, изучению влияния этих изменений на коллекторские и отчасти экранирующие свойства пород различного литологи­ ческого состава в широком диапазоне глубин. Выполненные ис­ следования базируются на материалах, полученных автором при -изучении терригенных мезозойских отложений Прикаспийской впадины (триас, юра, мел), Южного Мангышлака и Восточно­ го Предкавказья (юра, мел), вскрытых на глубинах до 5500— 7000 м.

Во всех регионах, рассматриваемых в настоящей работе, мезозойские песчано-алевритовые отложения промышленно неф­ тегазоносны. Наряду с этим на большей (центральной и север­ ной) части Прикаспийской впадины крупные месторождения по­ ка не обнаружены. Такое положение объясняется недостаточ­ ной геологической изученностью территории и, в частности, отсутствием обобщенных сведений о развитии пород-коллекторов. В этой связи представляется, что приведенные по этому вопро­

4

Глава I

РОЛЬ СОСТАВА И СТРОЕНИЯ ТЕРРИГЕННЫХ ПОРОД В ФОРМИРОВАНИИ КОЛЛЕКТОРСКИХ СВОЙСТВ

также некоторого количества примесей. Несмотря на кажущую­ ся однородность пород и сходство условий залегания, коллек­ торские свойства их могут существенно различаться. Причина­ ми этого являются различие структур и вещественного состава как обломочного, так и цементирующего материала, а также ва­ риации количественных соотношений между ними, поскольку влияние каждой из составных частей в отдельности на каче­ ство коллектора неодинаково.

Обломочная часть является основой терригенных коллекто­ ров. Ее содержание в породе может колебаться в широких пре­ делах: от 100 до 50% и даже ниже. Размер частиц измеряется преимущественно в пределах 0,01—1,0 мм, что соответствует фракциям алеврита и песка. Наиболее распространены как кол­ лекторы мелкозернистые песчаные породы (основной размер ча­ стиц 0,1—0,25 мм) и смешанные песчано-алевритовые образова­ ния (преимущественный размер частиц 0,05—0,25 мм).

Основные породообразующие обломочные минералы пред­ ставлены кварцем (составляющим, как правило, свыше 50% об­ ломочной части), полевыми шпатами (преимущественно калие­ выми, реже кислыми плагиоклазами), халцедоном; иногда в значительном количестве присутствуют переотложенный глау­ конит, а также обломки магматических (главным образом эф­ фузивных), метаморфических и осадочных пород. Форма облом­ ков перечисленных выше образований преимущественно изометричная.

Цементирующая часть в терригенных породах-коллекторах присутствует в различных количествах — от долей процента до 50% и даже более. Наиболее характерные ее содержания до 20—25%. Минеральный состав цемента разнообразен. Наиболее распространен глинистый и кальцитовый, но встречаются доло­

6

митовый, гипсовый, ангидритовый, железистый и некоторые дру­ гие виды цемента, а также смеси нескольких веществ. Наиболее характерны ассоциации: глина — кальцит, кальцит — доломит, доломит — гипс (ангидрит).

Примечательно, что содержание глинистого цемента в алев­ ритовых породах обычно выше, чем в песчаных образованиях. Это обстоятельство определяется тем, что условия накопления алеврита более благоприятны для осаждения глин, чем обста­ новка, в которой отлагается песок. Карбонаты и сульфаты при­ мерно одинаково распространены как в песчаных, так и в алев­ ритовых отложениях.

По генезису цемент может быть первичным и вторичным, причем в состав как того, так и другого могут входить все от­ меченные выше компоненты. Первичный цемент приносится в виде тонкой взвеси (глинистый, железистый материал)' водой или атмосферой, а также образуется в результате химических реакций в среде осадконакопления (карбонаты, сульфаты). Накапливается такой цемент одновременно с отложением обло­ мочной части или несколько позднее, в процессе превращения осадка в осадочную породу (в стадию диагенеза). Вторичный це­ мент возникает в уже сформировавшейся породе (в стадию ка­ тагенеза) за счет выделения из минерализованных подземных вод, в результате их взаимодействия с веществом осадочной по­ роды, а также вследствие реакций между составными частями породы при изменении термодинамической обстановки.

Различить цементы первичного и вторичного генезиса очень сложно, а подчас и невозможно, поскольку структура каждого из них существенно меняется в стадию катагенеза. В этой свя­ зи следует напомнить, что по характеру расположения цементи­ рующей части и количественным соотношениям ее с обломоч­ ным материалом выделяют пять типов цемента: базальный, поровый, контактный, пленочный и сгустковый. Первый из них обычно является первичным, остальные могут быть как пер­ вичными, так и вторичными. Для пород-коллекторов наиболее характерны контактный, пленочный и сгустковый типы цемен­ та, при этом его количество, как правило, не превышает 20— 25%.

Второстепенной составной частью терригенных пород-кол­ лекторов является органическое вещество (имеется в виду ор­ ганика не нефтяного ряда). Его количество обычно невелико — от долей процента до 1—2, иногда до 5%. Распределяется эта часть в породах отдельными очагами (более или менее крупные растительные остатки) или равномерно (тонкодисперсный ма­ териал).

Коллекторские породы могут иметь различную окраску. Она определяется цветом основных составных компонентов и в зна­ чительной степени веществами — хромофорами, присутствующи­ ми в породе в небольших количествах (органическое вещество,

7

соединения железа). Для газоносных пород наиболее характер­ на светло-серая и серая окраска, нефтеносные коллекторы обычно имеют цвет насыщающих их флюидов (чаще коричневый, темнокоричневый, коричневато-серый).

Обл омочн ая часть, как уже отмечалось, является основой терригенных коллекторов, а сами обломочные породы представляют собой наиболее распространенный коллектор межгранулярного типа. Особенности пространственного разме­ щения и, в частности, неплотное прилегание обломочных зерен друг к другу в значительной мере определяют емкостные и филь­ трационные свойства пород.

Количество обломочного материала в терригенных породах имеет очень важное значение. В общем виде, чем больше доля обломочного материала (размер 0,01—1,0 мм), тем выше по­ ристость и проницаемость породы, и наоборот. В хемогенных породах обломочный материал существенного влияния на кол­ лекторские свойства не оказывает.

Размер обломков определяет размер поровых каналов. Есте­ ственно, что последние в песчаных породах крупнее, чем в алевритовых. Поскольку с увеличением диаметра поровых кана­ лов возрастает проницаемость пород, можно считать, что уве­ личение размера обломочных частиц (в интервале 0,01—1,0 мм) способствует повышению проницаемости пород. На пористость размер обломков не влияет.

Отсортированность обломочных частиц очень сильно влияет на коллекторские параметры. Чем однороднее частицы по вели­ чине, тем более пориста порода (при прочих равных условиях). В случае идеальной отсортированности обломочных частиц, имеющих форму шара, при кубической упаковке общая пори­ стость составляет 47,6%, при гексагональной или ромбической — 25,96%. Проницаемость также существенно зависит от отсорти­ рованности, при прочих равных условиях между ними суще­ ствует прямая полулогарифмическая связь. Исследования мезозойских пород Прикаспийской впадины показали, что при коэффициенте отсортированности (So=Q3/|Qi) большем 5 поро­ ды, как правило, непроницаемы.

Форма обломочных частиц также несомненно влияет на кол­ лекторские параметры. Исследование зависимости пористости и проницаемости от формы частиц показало, что при прочих равных условиях наиболее высокие значения характерны для песчаных алевритовых пород, сложенных изометричными (ока­ танными, несколько хуже — угловатыми) зернами. Менее бла­ гоприятны в этом плане удлиненные и особенно таблитчатые частицы. В практике изучения физических свойств пород это­ му вопросу обычно не уделяют внимания, поскольку грану­ лярные коллекторы, как правило, слагаются в основном изо­ метрическими полуокатанными и полуугловатыми зернами квар­ ца и полевых шпатов.

8