Диагенез и эпигенез в терригенных породах

 

Наиболее распространенными аутигенными минералами стадии диа-генеза являются сульфиды (пирит, марказит), окислы и гидроокислы (опал, халцедон, кварц, гидроокислы железа, марганца), сульфаты, барит, целе-стин, карбонаты, магнезит, фосфаты, силикаты (каолинит, гидрослюды, монтмориллонит, лептохлориты). Они образуют мельчайшие зерна, мелко-зернистые агрегаты, оолиты, конкреции. Выделению их из раствора спо-собствует смена кислотно-щелочного режима (РН), окислительно-восстановительного потенциала (ЕН) среды и степень концентрации в ней составных компонентов.

 

Вода диссоциируется на ионы Н⁺ и ОН^-. При преобладании ионов Н⁺ над ОН^- вода кислая, при преобладании ОН^- вода щелочная. Содержание

 

75

ионов водорода в дистиллированной воде при температуре 20°С составля-ет 1·10^-7г-ион/л, РН=7, среда нейтральная. При повышенных содержаниях ионов водорода РН<7, среда становится кислой, при пониженных содер-жаниях ионов водорода РН>7, среда щелочная. Окислительно-восстановительный потенциал – ЕН определяется по содержанию в воде свободного кислорода, замеривается с помощью потенциометра, измеряет-ся в милливольтах (мВ). При ЕН=0 вода нейтральная. При положительных значениях ЕН - вода окислительная (ЕН от 0 до +300мВ), при отрицатель-ных – восстановительная (ЕН от 0 до – 500мВ).

 

Г.И. Теодорович (1947) разделил осадочные обстановки на шесть классов по значению ЕН и на шесть классов по значению РH.

 

7. Сильно щелочные обстановки (РH>9). Образуются магнезит, доломит.

8. Щелочные обстановки (РH 7,8-9)

Моря и озера. СаСО3 устойчив. Отлагаются известняки, мергели, из-вестковые глины, алевролиты, песчаники.

В Слабо щелочные обстановки (РH от 7,2 до 8,0)

Моря, лагуны, озера. СаСО3 присутствует, но как правило неустой-чив, замещается фосфатом кальция, доломитом, сульфатом кальция, кремнеземом, анкеритом.

10. Нейтральная обстановка (РH=6,6-7,2)

 

Моря, застойные воды, озера. СаСО3 не может накапливаться. Обра-зуются кремнистые осадки, лептохлориты, сидериты, глауконит, фосфори-ты, бокситы, гидроокислы железа.

 

2. Слабокислые обстановки (РH от 5,0-5,5 до 6,6)

 

Озера, реки. Образуются кремнистый цемент обломочных пород, гидрогетит и галлаузит, железомарганцевые конкреции.

 

К Кислые обстановки (РH от 2,1 до 3,0-5,0)

 

Болота, некоторые озера и реки. Осаждаются сульфиды железа, возмож-но присутствие СuS, Сu2S, характерны глауконит, каолинитовые глины.

4) Сильно восстановительная обстановка (сульфидная зона). Поверх-ность с ЕН=0 значительно выше поверхности осадка.

5) Восстановительная обстановка (зона сульфидов и карбонатов Fe). EН=0 значительно выше поверхности осадка.

6) Слабо восстановительная обстановка (зона сидерита и вывианита). EН=0 на поверхности осадка.

 

7) Нейтральная обстановка (зона лептохлоритов и керчинитов). EН=0 несколько ниже поверхности осадка.

8) Слабо окисленная обстановка (зона глауконита и оксикерчинита). EН=0 значительно ниже поверхности осадка.

 

9) Окислительная обстановка (зона окислов и гидроокислов железа).

 

Окислительные условия характерны для континентальных, мелко-водно- и прибрежно-морских водоемов. В осадке свободно циркулирует

 

76

вода, богатая кислородом, окисляет органическое вещество, металлы, серу.

 

и такой среде железо выделяется в форме гематита – Fe2O3 и лимонита 2Fe2O3·3H2O, осадки окрашиваются в бурые оранжевые и желтые цвета. Восстановительные условия характерны для замкнутых, полузамкнутых морских, лагунных, озерных водоемов и заболоченных низменных равнин.

и такой среде возникает дефицит кислорода, избыток сероводорода и ор-ганического углерода, железо выделяется в форме пирита, сидерита, осад-ки окрашиваются в черные, серые цвета с голубыми и зелеными оттенка-ми. Такие цвета обусловлены наличием рассеянного обугленного органи-ческого вещества и двухвалентных соединений железа.

 

кислой среде (РH<7) образуется каолинит, в нейтральной и слабо окисленной - опал, глауконит, фосфаты, шамозит, гидрослюды, в слабоще-лочной (РH>7) - карбонаты, монтмориллонит. В окислительной среде об-разуются все окисные соединения, в переходной - глауконит, шамозит, фосфаты, в умеренно-восстановительной - сидерит, родохрозит, в резко восстановительной - сульфиды железа, марганца, свинца, цинка. По мере увеличения глубины залегания РН подземных вод возрастает, ЕН падает. В зоне застойных вод на больших глубинах среда щелочная, восстанови-тельная. Конкреции большей частью первоначально представляли собой сгустки коллоидного вещества, чаще образуются в глинистых, карбонат-ных и кремнистых осадках. Размеры их колеблются в широких пределах - от 0,1мм до нескольких метров. В разрезах осадочных толщ встречаются в виде отдельных включений или в виде скоплений, образующих пластооб-разные тела.

 

Основными факторами эпигенетических (катагенетических) преоб-разований в горных породах являются температура и давление. Под дей-ствием горного давления (веса вышележащих пород), которое возрастает с глубиной, продолжается уплотнение горных пород и сокращение объема пор. Наиболее интенсивно такие процессы происходят в плохо отсортиро-ванных породах: глинистый цемент выжимается из мест соприкосновения зерен в поровое пространство. Под высоким давлением происходит внед-рение зерен друг в друга с образованием стилолитовых швов, коррозия, растворение, регенерация, образование новых минералов, замещение од-них минералов другими. Глинистые минералы цементирующего вещества первоначально представлены монтморилло-нитами, каолинитом, смешан-но-слойными минералами, гидрослюдой. На стадии метагенеза (глубинно-го катагенеза) на глубинах свыше 2000м минералы группы монтморилло-нита и смешанно-слойных исчезают, а на глубинах свыше 3000м исчезает и каолинит: они преобразовываются в гидрослюды и хлориты. Щелочная среда, высокие температуры и давления, господствующие на этих глуби-нах, способствуют растворению большинства породообразующих минера-лов, в том числе и кварца. За счет растворения темноцветных минералов (пироксены, амфиболы, биотит) и кальциевых плагиоклазов подземные

 

 

77

воды все более обогащаются железом, марганцем, кальцием, магнием. Об-разуются сульфатные, хлоридно-сульфатные и хлоридные высокоминера-лизованные воды и рассолы. Происходит альбитизация и серицитизация плагиоклазов. Возникают новые минералы: хлориты, эпидоты, цеолиты, доломит, сидерит, пирит и др. Пористость обломочных пород сокращается до 3-5%. Первичные их структуры преобразовываются, образуются кон-формные, регенерационные, стилолитовые структуры, а глинистые породы приобретают четко выраженную ориентированную структуру и переходят

 

и аргиллиты. Из всех вторичных минералов в наибольшем количестве об-разуются кварц и кальцит. Аутигенный (новообразованный) кальцит выде-ляется из пластовых вод при температурах выше 60-70^оС, на глубинах бо-лее 1500м, заполняет поры и трещины. Вторичный кварц образуется также

и зонах повышенных температур и давлений, на глубинах свыше 2000м, отлагается на поверхностях песчаных зерен, образуя регенерационные ка-емки и пленки. В итоге поровое пространство сокращается, качество кол-лектора ухудшается, коллектор преобразуется в неколлектор. Гидрослюди-зация монтмориллонита происходит на стадии мезокатагенеза на глубинах более 2000-2500м. Процесс сопровождается превращением разбухающих глинистых минералов в неразбухающие, образованием вторичной пори-стости. Выделяющаяся при этом связанная вода переходит в поровое про-странство.

Выводы

С увеличением возраста и глубины залегания коллекторские свой-ства терригенных пород понижаются за счет уплотнения пород, сокраще-ния объема пор и заполнения их вторичными минералами. Такая законо-мерность наблюдается во всех нефтегазоносных областях.

 

В том случае, если поровое пространство коллектора занято нефтью или газом, то процессы перекристаллизации цемента замедляются или прекращаются. Нефть консервирует поровое пространство коллектора. Эпигенетическое минералообразование продолжается за пределами зале-жи, особенно под ней в зоне ВНК, где происходит окисление нефти и це-ментация коллектора вторичным кварцем и кальцитом.

 

 

и ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЛЮИДОУПОРОВ.

 

Пласты горных пород, практически не проницаемые для нефти, газа

 

В воды называются флюидоупорами (покрышками, экранами, барьерами). Они являются препятствиями на путях миграции флюидов в условиях зем-ных недр и способствуют образованию скоплений нефти и газа столько же, сколько и породы-коллекторы, ибо без пластов-покрышек нет ни природ-

 

 

78

ных резервуаров, ни ловушек. Роль их в образовании месторождений нефти стала ясна уже в 1865 году, когда Д.И.Менделеев высказал мысль о наличии под землей слоев пористых пород, пропитанных нефтью и всплы-вании нефти над водой. Тогда же по результатам бурения первых скважин на нефть утвердилась антиклинальная теория поисков нефтяных скопле-ний в недрах Земли. В учебнике "Учение о нефти" (1932) И.М.Губкин к непроницаемым породам отнес глины, мергели, соли, плотные известняки, но здесь же писал, что резкой границы между проницаемыми и непроница-емыми породами в природе не существует . Серьезное изучение пород - по-крышек началось позже, когда появились электронные микроскопы и ста-ло ясно, что качество покрышек существенно влияет на размеры и каче-ственный состав углеводородных скоплений. Наиболее полно эти пробле-мы рассмотрены в работах А.А. Ханина, М.К. Калинко и книге Г.Э. Прозо-ровича "Покрышки залежей нефти и газа" (1972).

 

Флюидоупоры - это геологические тела, они имеют бесчисленное множество классификационных (диагностических) признаков. При реше-нии вопросов нефтегазовой геологии наиболее важными являются следу-ющие их свойства:

 

22. морфологические признаки (площадь распространения, толщина);

23. горнопородный и минералогический состав;

24. степень однородности;

25. экранирующие свойства.

По площади распространения различаются флюидоупоры:

В региональные;

В субрегиональные;

В зональные;

В локальные.

Региональные и субрегиональные флюидоупоры (покрышки) имеют большие площади распространения (сотни тысяч квадратных километров). Толщина их меняется в широких пределах - от десятков до тысяч метров. Они образуются на трансгрессивной стадии седиментогенеза. В осадочном разрезе обычно присутствует несколько таких покрышек и делят его на не-сколько осадочных ( нефтегазоносных) комплексов и подкомплексов. Они отличаются высокой степенью однородности и хорошими экранирующими качествами. Под ними локализованы крупные залежи и запасы нефти и га-за. Зональные покрышки имеют меньшую площадь распространения - в пределах одного-двух сводов или куполов . Контролируют границу распро-странения скоплений нефти и газа на этой площади. Покрышки локального ранга в осадочных толщах широко распространены, но ввиду низкого ка-чества и незначительных размеров они мало способны для экранирования промышленных скоплений нефти и газа в течение длительного геологиче-ского времени.

По горнопородному составу различаются покрышки, состоящие из:

 

 

79

с эвапоритов - каменная соль, гипс, ангидриты;

 

с глинистых пород;

с карбонатных пород-мергели, микрозернистые плотные известняки;

 

с плотные породы магматического и метаморфического происхож-

дения.

 

Типы пород-флюидоупоров

 

Соляные породы состоят из хлоридов, сульфатов, имеют хемогенное происхождение, отлагаются на дне озер, лагун, в зоне аридного климата, образуют пласты, прослои , линзы, купола, штоки, лаколиты. Основные минералы - галит, сильвин, карналлит, ангидрит, гипс, мираболит, глаубе-рит. Примеси-карбонаты (сода, магнезит, доломит), минералы бора (углек-сит, инионит), окислы и гидроокислы железа, сульфиды железа и других металлов, органическое вещество . Терригенная примесь - глины, редко алевритовые и песчаные частицы. В англо-американской литературе соля-ные породы известны под названием "эвапориты". Каменная соль имеет тонкую слоистость, кристаллическую крупнозернистую структуру, содер-жит примесь других солей. Гипс образуется совместно с ангидритом. Ан-гидрит переходит в гипс со значительным увеличением объема и измене-нием текстуры, структуры, переслаивается с гипсом, каменной солью, гли-ной. Соленосные толщи обычно подстилаются карбонатными породами, внизу сложены гипсом, затем следуют каменная соль и калийные соли. Характерной особенностью соляных пород является пластичность, что обуславливает залечивание всех пор и трещин, весьма низкие пористость и проницаемость, высокие их экранирующие качества. Под действием не-равномерной нагрузки вышележащих пород и тангенциальных тектониче-ских сил соляные породы выдавливаются из слоя в направлении пониже-ния геостатического давления, образуя огромные соляные купола. Посте-пенно поднимаясь вверх, соляная масса приподнимает, протыкает слои вышележащих пород и иногда выходит на поверхность в виде штока, ла-колита. Размеры их в плане достигают несколько километров. Такие явле-ния в геологии известны под названием соляной тектоники. Исследования показывают, что соляные купола часто локализуются вдоль линии текто-нических разломов, флексур, повышенной трещиноватости. Крупнейшие залежи калийных и каменных солей развиты в пермских отложениях Пре-дуралья, Прикаспия, Германии, Мексики, США (Техас, Оклахома). Девон-ские соленосные толщи выявлены на Украине, Прибалтике, юрские - в Сред-ней Азии, Таджикистане. Третичные соли разрабатываются на Кавказе (На-хичевань), в Румынии, Иране. Залежи гипса и ангидрита распространены ши-ре - во всех перечисленных регионах, в том числе в отложениях силура (Ка-нада, США), карбона (Предуралье), мела (Средняя Азия, Кавказ).

 

80

Скопления нефти и газа, экранированные соленосными толщами, формируются как в подсолевых, так и в надсолевых отложениях. В по-следних экранирующими являются соляные штоки (купола), а нефть скап-ливается в пластах пористых пород, прорванных ими и изогнутых в анти-клинальные складки (рис.19). Внутри соляной массы иногда присутствуют нефть в виде рассеянного битума и капель, углеводородные газы, в ни-чтожных количествах - инертные газы и водород.

 

 

Рис.19. Соляный купол. Кенкиякское месторождение (Прикаспийская впадина) (по Б.И.Дальяну):

 

1-соленосные отложения; 2- песчаники; 3- нефть; 4- известняки; 5- сбросы.

 

Глинистые породы являются наиболее распространенными среди пород-флюидоупоров. Относятся к категории обломочных пород, состоят из минеральных частиц пелитовой фракции (меньше 0,01 мм), имеют чрез-вычайно низкую проницаемость для нефти, газа и воды. Структура пели-товая, текстура массивная, тонкослоистая, листоватая, сланцеватая.

 

Плотные глины, не размокающие в воде, называются аргиллитами, тонкоплитчатые - глинистыми сланцами. Основными породообразующими минералами глинистых пород являются силикаты и алюмосиликаты груп-пы монтмориллонита, каолинита, гидрослюд и хлорита. Определение гли-нистых минералов производится методом рентгеноструктурного анализа, под электронным микроскопом на специально изготовленных препаратах. Кроме того для этих целей могут быть использованы результаты силикат-ного анализа глинистых пород - по содержанию окислов SiO2 , TiO2 , Al2O3

В Fe2O3 , FeO, СаО, МgО, К2О, Na2О и др. Каолиниты-алюмосиликаты, об-разующиеся при выветривании кислых пород. Монтмориллониты относят-ся к группе железисто-алюминиевых минералов, образуются при выветри-вании базитовых и ультрабазитовых пород. Быстро разбухающие монтмо-

 

81

риллонитовые глины пеплового генезиса называются бентонитовыми.

 

Гидрослюды-натрий-калий-алюминиевые силикаты, хлориты-магнезиально-железистые силикаты.

 

Как и любая горная порода, глины имеют бесчисленное множество свойств - классификационных признаков. По каждому признаку и его ко-личественному измерению выделяются разновидности глин, которые мы предлагаем называть литотипами.

Для классификации глинистых пород по минералогическому составу предлагается пользоваться классификационным треугольником, одна из разновидностей которого приведена на рисунке 5. По количественному со-отношению минералов в породе выделяются следующие литотипы глини-стых пород:

Мономинеральные:

3) Каолинитовые.

 

4) Гидрослюдистые.

5) Монтмориллонитовые. Биминеральные:

 

6) Гидрослюдисто-каолинитовые.

7) Каолинит-гидрослюдистые.

8) Гидрослюдисто-монтмориллонитовые. Полиминеральные:

 

9) Монтмориллонит-гидрослюдисто-каолинитовые.

10) Каолинит-гидрослюдисто-монтмориллонитовые.

11) Гидрослюдисто-каолинит-монтмориллонитовые.

10.Смешанного состава.

Мономинеральные глины в природе встречаются редко, в реликтах

 

древних кор выветривания. По происхождению они относятся к группе хемогенных пород, являются продуктами глубокого химического выветри-вания кристаллических пород, оставшимися в виде каолинитовой или монтмориллонито-нонтронитовой кор выветривания. Другим хемогенным способом образования глинистых пород является осаждение из растворов коллоидов глинозема и кремнезема. Хлоритовые и глауконитовые глины встречаются редко.

 

нефтегазоносных бассейнах наиболее широко распространены глины смешанного, полиминерального состава. Они имеют морское или озерное происхождение, обломочную структуру, являются продуктами пе-реотложения коры выветривания, часто содержат примесь алевритовых, песчаных зерен, рассеянного углефицированного и битуминизированного органического вещества, придающего породе темную окраску. Глинистые породы озерно-болотного происхождения имеют брекчиевидные, сетчатые

 

2) пятнистые текстуры.

 

По содержанию терригенной примеси выделяются следующие лито-типы глинистых пород (рис.1):

 

82

3) глины песчаные;

 

4) глины алевритистые;

5) глины песчано-алевритистые.

По содержанию известковой примеси среди глинистых пород выде-ляются литотипы:

о глины сильно известковистые;

о глины известковистые;

 

о глины слабо известковистые.

 

По содержанию кремнистой примеси выделяются литотипы:

 

J. глины опоковидные;

 

K. глины диатомитовые.

 

По содержанию органического вещества выделяются литотипы:

 

JJ. глины углистые;

 

KK. глины битуминозные;

 

LL. глины слабо битуминозные.

 

По макроскопически видимым признакам - цвету, структуре (степе-ни дисперсности), текстуре, включению примесей и органических остатков выделяются 14 литотипов глинистых пород (см. главу 1).

 

Лучшими экранирующими свойствами обладают монтмориллонит-гидрослюдистые глины. Такие глины имеют высокую пластичность, со-стоят из мельчайших минеральных частиц пластинчатой формы, ориенти-рованных параллельно слоистости. Худшими экранами являются глины, содержащие алевритовую и песчаную примесь.

Пластичность является характерным признаком глинистых пород, определяется как способность течь, выжиматься из слоя под давлением, принимать любую форму и сохранять ее при снятии нагрузки. Она зависит от минерального и гранулометрического состава глин, степени их влажно-сти и уплотнения. Рыхлые глины способны впитывать в себя большое ко-личество воды. Процесс сопровождается набуханием глин и увеличением объема до 45% и более. Оказавшись в зоне сжатия, такие глины, насыщен-ные водой и газами, прорывают вышележащие слои, внедряются в виде глиняных диапиров, вырываются на поверхность Земли в виде извержений газов и грязи. Примером таких процессов являются грязевые вулканы Ба-кинского района, распространенные среди отложений неоген-четвертичного возраста. В древних отложениях такие формы не сохрани-лись. В силу особенностей строения минеральных частиц наибольшей набухаемостью обладают монтмориллонитовые глины. Именно такие гли-ны, названные бентонитовыми, используются для приготовления буровых растворов. Высокие экранирующие свойства пластичных глин объясняют-ся их способностью залечивать поры и трещины. По мере уплотнения гли-ны все более теряют пластичность и свои экранирующие качества.

 

 

83

Плотность глинистых пород зависит от степени их обезвоживания, возрастает с глубиной. На глубинах 2-4 км она составляет 2,4-2,7 г/см³ .

 

Дисперсность глинистой породы определяется по гранулометриче-скому составу методом отмучивания и отбора проб из образовавшейся суспензии через:

JJJ.секунд - для частиц 0,05-0,01 мм;

и минут - для 0,01-0,005 мм;

В часов - для 0,005-0,001 мм;

мм часа - для частиц менее 0.001 мм.

Результаты анализа выносятся на классификационный треугольник.

По этим данным определяется степень дисперсности (тонкости) глин. Чем тоньше глинистые частицы, тем меньше размер пор и выше экранирующие качества глины.

 

Пористость. Первоначально глины имеют высокую пористость-до 50 -60%. По мере уплотнения пористость быстро сокращается, отжатые из не воды удаляются: вначале удаляется свободная вода, затем - рыхлосвя-занная вода диффузного слоя. На глубинах 2500-3000 метров пористость глин и аргиллитов составляет 8-10%. Поры микроскопические, ультрака-пиллярные (< 0,0002 мм), заполнены физически прочно связанной водой и практически непроницаемы для нефти и газа. Порометрический анализ алевритовой монтмориллонитовой глины из туронской покрышки Урен-гойского месторождения, залегающей на глубине 1,1км, показал (140), что средний размер пор составляет 0,05 мкм, коэффициент пористости - 0,22. Для алевритовой глины из покрышки над пластом БС7 Усть-Балыкского месторождения нефти (глубина 2344-2348 м), коэффициент абсолютной пористости составляет 0,1 средний размер пор-0,02мкм. Проницаемость глинистой породы зависит от количества и размеров пор, трещин. В субка-пиллярных порах физически связанная вода практически неподвижна, т.к. здесь помимо капиллярных сил жидкость удерживается молекулярными силами. Крупные поры (единицы микрон) могут присутствовать в песча-ных и алевритистых глинах. Они обеспечивают основную долю проницае-мости глинистой породы . Проницаемость , замеренная вдоль слоистости, будет выше, чем поперек слоистости . Это объясняется пластинчатой фор-мой большинства глинистых частиц и ориентированным расположением их при отложении на дне водоема. Степень уплотнения, хрупкости и тре-щиноватости глинистых пород возрастает с глубиной, соответственно ухудшается и качество покрышки.

 

Давление прорыва. Экранирующие (флюидоупорные) качества по образцам горных пород определяются по давлению прорыва. Для этого из-готовляется образец стандартного размера, пропитывается керосином и помещается в камеру высокого давления. Перепад давления, при котором начинается вытеснение жидкости из породы, определяется как давление прорыва. Этот процесс в глинистых породах может начаться в том случае, когда создается достаточная сила для вытеснения капиллярной жидкости

 

84

из пор и каналов. Чем выше капиллярное давление поровой жидкости , тем больше силы давления требуется для ее вытеснения. Под действием этой силы может происходить разрушение межпоровых перегородок и прокла-дывание новых путей для движения жидкости. По результатам замеров проницаемости и давления прорыва определяется класс породы-флюидоупора (см. табл.16).

 

Таблица 16