Информация, оборудование, промышленность

Вторичная, или промежуточная, пористость I

Вторичная, или промежуточная, пористость I 

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». 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, 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. 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, преимущественно в результате разложения органического вещества. Ховард и Дэвид, 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.

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..

Несколько примеров кавернозной пористости в породах уже рассмотрено в геологической литературе. Наиболее ярким из них является огромная пещера, обнаруженная на месторождении Доллархайд в округе Андрус, западный Техас. 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, проницаемость коллекторов столь высока, что нефть поступает из скважин почти с такой же интенсивностью, как если бы ее откачивали из цистерны.

Разломы и трещины. Образование разломов и трещин обусловливает возникновение распространенного и важного типа вторичной пористости в хрупких породах. К хрупким породам-коллекторам относятся известняки, доломиты, кремнистые и глинистые отложения, окремнелые осадочные породы, изверженные и метаморфические породы. При переслаивании глинистых пород, песчаников и известняков каждому литологическому типу прослоев может быть присуща своя, отличная от других система трещин. Поскольку трещины служат каналами для циркуляции воды, они, вероятно, расширяются и видоизменяются под воздействием процессов растворения. В комбинации с другими типами первичной и вторичной пористости трещины часто создают сложную структуру порового пространства; действительно, появление трещин во многих случаях увеличивает проницаемость пород от нескольких миллидарси до нескольких дарси. Влияние трещин на локализацию каналов растворения отражено схематически на Рис. 1. Трещины образуются, вероятно, в результате влияния трех основных факторов:

 

Рис. 1. Идеализированный срез породы, показывающий, как трещины способствуют повышению проницаемости породы. Проходящие по трещинам растворы расширяют их, растворяя стенки. Трещины соединяют изолированные прежде пустоты и поры.

1. Процессы диастрофизма, такие, как образование складок и разрывных нарушений. Некоторые трещины могут возникать на глубине, как следствие увеличения объема пород при воздействии на них растягивающих усилий, которые появляются при складкообразовании и изгибании слоев.

2. Удаление перекрывающих пород благодаря эрозии в зоне выветривания. При уменьшении этой нагрузки вышележащих отложений верхние слои ранее погребенных пород начинают расширяться и намечающиеся в них зоны ослабления преобразуются в трещины отдельности, разрывы и щели. Следовательно, под поверхностями несогласия можно ожидать увеличения трещиноватости пород. Вероятно, многие из первоначальных каналов растворения, по которым фильтруются поверхностные воды, обрпотся в результате постепенного растрескивания пород в процессе выветривания.

3. Сокращение объема глинистых пород без изменения условий их залегания в недрах земли в процессе диагенетических преобразований, сопряженных с потерей воды при уплотнении. Если неглинистые пласты, расслаивающие толщу глин, не испытывают усадки и действуют как распорки или разделяющие прокладки, то сокращение объема глинистых пород и алевролитов выражается в появлении в них трещин, имеющих часто неправильную или конхоидальную форму в противоположность правильным плоскостям систем трещин, возникающих при диастрофизме.

Почти все природные резервуары в известняках, доломитах и кремнистых породах в той или иной мере обладают трещинной пористостью. Плоскости трещин в сочетании с уже существовавшей до возникновения трещиноватости пористостью образуют сообщающуюся систему, которая намного увеличивает проницаемость пород. Таким образом, во многих плотных трещиноватых коллекторах можно выделить как бы две системы проницаемости: 1) слабопроницаемые блоки, заключенные между трещинами, в которых нефть движется медленно на короткие расстояния в 2) высокопроницаемые трещины, приводящие в конце концов к скважине. Процентное содержание воды в трещинных порах обычно ниже, чем в межзерновых; это значит, что в поровом пространстве трещиноватого природного резервуара выше процентное содержание нефти и газа. Даже тяжелые, вязкие нефти, которые не фильтруются через породы с низкой проницаемостью, могут скапливаться и течь вдоль трещин, давая промышленные притоки. Таким образом, любая хрупкая порода, независимо от того, насколько плотной на вид она была определена в обнажении или в обломках шлама, может стать коллектором после образования в ней трещин, разломов и зон дробления.

Ниже рассматривается ряд залежей, где трещинная пористость в коллекторах играет большую роль.

Залежи в породах фундамента. В Калифорнии из природных резервуаров в трещиноватых изверженных и метаморфических породах ежедневно получают около 16 000 баррелей нефти.

Наиболее важным объектом эксплуатации является залежь Эдисон близ Бейкерфилда. Другие залежи (Торранс, Уилмингтон, Венис, Эль-Сегундо и Плайа-дель-Рей) связаны с францисканскими (юрскими?) трещиноватыми кристаллическими сланцами и расположены южнее и юго-восточнее Лос-Анджелеса.

На месторождении Амарильо в техасской части провинции Панхандл в нескольких скважинах нефть добывают из свежих, невыветрелых гранитов фундамента. Одна из этих скважин (R.В. Rutledge, личное сообщение) уже дала более 1 млн. баррелей нефти. Столь высокая производительность, несомненно, связана с наличием в гранитах трещин, поскольку соседние скважины оказались сухими или почти сухими. Очевидно, нефть проникла в граниты из осадочных образований, развитых по склонам погребенного горного хребта, вдоль которого тянется месторождение.

Залежи в трещиноватых осадочных породах. На месторождении Санта-Мария, Калифорния, было добыто около 400 млн. баррелей нефти, из которых 75% было извлечено из трещиноватых глинистых сланцев и только 25 % - из песчаников. Начальный дебит скважин обычно составлял 2500 баррелей в сутки, а отдельные скважины имели суточный дебит до 10 000 баррелей. Суммарная добыча из некоторых скважин превысила 1 млн. баррелей. Коллекторами являются в основном трещиноватые кремнистые породы формации Монтерей (миоцен), переслаивающиеся с известковыми сланцами и песчаниками, также весьма плотными, хрупкими и характеризующимися конхоидальной трещиноватостью. Нефть приурочена здесь к трещинам.

Продуктивность подобных образований трудно установить по данным бурения, так как вынос керна из хрупких и трещиноватых пород весьма невелик, а нефть вымывается буровым раствором. Лучшим показателем вскрытия возможной продуктивной зоны является потеря циркуляции бурового раствора. Трещиноватые кремнистые породы округа Санта-Мария отличаются низкой пористостью, но высокой проницаемостью и поэтому служат удовлетворительными коллекторами для тяжелых нефтей этого района (плотность их 6-37°API, или 1,029-0,339, а в среднем менее 18°, т.е. 0,946).

Месторождение Спраберри в западном Техасе состоит из ряда залежей, возможно отчасти связанных друг с другом и занимает территорию свыше 150 миль в длину и 75 миль в ширину. Продуктивные горизонты приурочены к пермским отложениям и занимают интервал разреза мощностью около 1000 футов, а геологические запасы нефти по разным оценкам составляют 1 млрд. баррелей или более. Однако извлекаемые запасы нефти при существующей технологии добычи, возможно, невелики из-за низкой проницаемости пород, слагающих природные резервуары. Ловушки связаны здесь с замещением коллекторских пород по восстанию менее проницаемыми породами. Коллекторами являются главным образом черные хрупкие глинистые сланцы, иногда алевритистые и песчанистые, известковистые и неизвестковистые алевролиты и в значительно меньшей степени тонкозернистые пески. Диаметр частиц последних изменяется от 1/30 до ¹/45 мм (нижний предел песчаной размерности зерен 1/16 мм). Пористость обычно менее 10%, а средняя проницаемость - 0,5 миллидарси. Нефтяные залежи в породах со столь малой пористостью и проницаемостью встречаются довольно редко. Эффективная проницаемость рассматриваемых коллекторов обязана почти исключительно наличию разрывов и конхоидальных трещин, пронизывающих тонкозернистую массу пород во всех направлениях, но главным образом по вертикали. На карте равных потенциалов продуктивности залежи Текс-Харви, приведенной на, можно видеть простирание основных систем трещин на линейно распространенных высокопродуктивных участках. Трещиноватые глинистые породы слагают также ловушку на месторождении Флоренс в штате Колорадо.

Песчаник Орискани (нижний девон), распространенный на территории штатов Пенсильвания и Нью-Йорк, представлен плотными, мелкозернистыми разностями, средняя проницаемость которых не превышает 500 миллидарси, а пористость колеблется от 2 до 10 %. Он содержит много газовых залежей, приуроченных в основном к антиклинальным складкам, причем в скважины, отличающиеся повышенной продуктивностью, газ поступает из мелких открытых трещин, связанных, видимо, с поверхностями отдельности.

Проницаемость карбонатных пород-коллекторов часто связана преимущественно с трещинами. Тщательно изучен и описан, например, природный резервуар на месторождении Уэст-Эдмонд в Оклахоме. Основной продуктивной толщей здесь является известняковая формация Бойс-д'Арк, залегающая в кровле группы Хантон (девон - силур). Ловушка является стратиграфической и образована в результате срезания проницаемого пласта по восстанию в восточном и северо-восточном направлении поверхностями предмиссисипского и предпенсильванского несогласия. Пористость пород отчасти первичная и связана с наличием межкристаллических пустот, отпечатков органических остатков и оолитовых прослоев; величина ее, согласно авторам цитируемой нами работы, изменчива. Проницаемость известняков и доломитов низкая, но породы всей продуктивной части разреза рассечены многочисленными трещинами и разделены благодаря этому на блоки различных размеров. Нефть притекает к трещинам, по кото­рым движется к скважинам, обусловливая их продуктивность.

Трещиноватость явилась косвенной причиной образования месторождения Дип-Ривер в штате Мичиган (рис. 2). Нефть содержится здесь в узком удлиненном теле пористых доломитов, заключенном в слабопроницаемых известняках верхней части формации Роджерс-Сити (девон). Предполагают, что эти доломиты образовались в результате воздействия на обычные слабопроницаемые известняки грунтовых магнезиальных вод. циркулировавших в них по трещинам. В непродуктивных скважинах не было обнаружено не только нефти, но и доломитов. Вертикальные трещины широко распространены в доломитах Элленбергер (кембро-ордовик) в пределах западного Техаса. В одной колонке керна длиной 36 футов были обнаружены трещины, простирающиеся вертикально по всей ее длине; мелкие трещины были едва заметны, а самые протяженные достигали 1 мм в ширину. Месторождение Сипио-Албион в штате Мичиган образует прямой и узкий пояс залежей общей длиной более 25 миль и шириной в среднем 3500 футов (рис. 3). Нефть и газ добывают из доломитизированной зоны известняков Трентон (ордовик). Структура этих известняков рисуется здесь обычно в виде неглубокой прогнутой зоны или синклинали; однако, возможно, она представляет собой зону дробления над глубоко погруженным разломом в фундаменте. Вероятно, доломиты узкого продуктивного пояса имеют вторичное происхождение и сформировались из известняков вдоль системы разломов и трещин. Запасы месторождения оцениваются более 100 млн. баррелей нефти и более 200 млрд. куб. футов газа. На (рис. 4) детально показано строение одной из залежей этого месторождения ‑ залежи Сипио.

 

Рис. 2. Структурная карта месторождения Дип-Ривер, Мичиган (Нunt, Independent Petroleum Association of America, 19, p. 42, 1949).

Изолинии через 20 футов. Нефть добывают из доломитизированной зоны в известняках Роджерс-Сити (девон). Доломитизация связана, вероятно, с проникновением в известняки магнезиальных растворов по трещине. Ловушка, так же как и поровое пространство пород, связана с зоной доломитизации. Следует заметить, что на своде складки известняки непродуктивны.

На Северных месторождениях Мексики (район. Пануко) коллекторами являются известняки Тамаулипас, Агуа-Нуэва и Сан-Фелипе (мел). Это плотные тонкозернистые массивные известняки, обладающие низкой пористостью, за исключением участков развития вторичной пористости, таких ее форм, как трещины отдельности, пустоты растворения внутри органических остатков и другие трещины, придающие породам высокую проницаемость. Они разбиты разрывами, которые, несмотря на небольшую амплитуду смещения, вызвали сильное раздробление пород, что было установлено по образцам керна и обломкам, выброшенным из скважин при фонтанировании. Со сбросами связаны довольно крупные щели; при их вскрытии происходили провалы бурового инструмента.

Суммарная добыча из Северных месторождений составила около 1 млрд. баррелей нефти плотностью 12,5°API (0,98 г/см3). Большой удельный вес нефти препятствует ее проникновению в межкристаллические поры известняков, и она почти целиком приурочена к трещинным пустотам. Дебит скважин неустойчив; он может меняться в расположенных в нескольких сотнях футов одна от другой скважинах от незначительных следов нефти до 30 000 баррелей и более в сутки. На высокую проницаемость некоторых участков коллекторов указывает мощное фонтанирование одной из скважин соленой водой с суточным дебитом свыше 100 000 баррелей.

Интенсивной трещиноватостью и раздробленностью обусловленны пористость и проницаемость меловых известняков и гранитов фундамента, являющихся коллекторами нефти на месторождениях Мара Ла-Пас в западной Венесуэле. Мощность насыщенного нефтью разреза на месторождении Мара превышает 5000 футов, а общая мощность продуктивных из характеризующихся низкой проницаемостью (обычно меньше 1 миллидарси), составляет 1800 футов, особенно высока продуктивность известняков там, где в них развита трещиноватость. Зоны трещиноватости в известняках ассоциируются г тесно расположенными вертикальными плоскостями, в свою очередь, связанными с резко выраженными складками и разрывами, образующими ловушки, и распространяются в подстилающие граниты фундамента, которые также содержат нефть над водонефтяным контактом.

 

Рис. 3. Карта месторождения Сипио – Пьюла - Албион в юго-западном Мичигане. Продуктивная площадь заштрихована.

 

Рис. 4. Структурная карта залежи Сипио в Мичигане по кровле формации Трентон: (ордовик) (D.A. Busch). В 5-10 скважинах получены прямые доказательства наличия сбросов. 1 ‑ непродуктивные скважины; 2 ‑ нефтяные скважины.

В богатейших залежах юго-западного Ирана нефть приурочена к известнякам Асмари (верхний олигоцен ‑ нижний миоцен). На тщательно изученных месторождениях Месджеде-Солейман и Хефтгель  было установлено, что независимо от того, насколько обогащены нефтью обломки выбуренного шлама, значительные промышленные притоки ее наблюдались только при вскрытии трещин. Пористость обломков шлама колебалась от 2 до 15 %, но проницаемость изменялась только в пределах от 0,00005 до 0,5 миллидарси, в зависимости от степени перекристаллизации пород (чем полнее перекристаллизация, тем выше пористость и проницаемость). Продуктивность скважин варьирует вместе с изменением степени трещиноватости пород; если бы породы не имели трещин, они не давали бы нефти. Выделяют две стадии образования трещин. Возникшие на ранней стадии и не содержащие нефти трещины выполнены кальцитом и другими минералами; многие из них заполнены не целиком, а лишь выстланы по стенкам хорошо развитыми кристаллами. Эти трещины, видимо, не связаны с миграцией нефти; нефть мигрировала по системе трещин, образовавшихся позднее. Природный резервуар месторождения Ага-Джари также характеризуется трещинной проницаемостью и, несмотря на низкую первичную проницаемость служащего коллектором известняка Асмари, обладает хорошей пропускной способностью. Сильно разбитые трещинами и разломами коллекторские известняки перекрыты толщей соли мощностью 50-150 футов, которая играет роль непроницаемой покрышки. Наибольшая трещиноватость в известняках Асмари, как в пределах нефтяных месторождений, так и в обнажениях в горных районах, приурочена к зонам погружения складок, причем наблюдается гидродинамическая связь между участками, расположенными в 50 милях один от другого. Явления перекристаллизации и доломитизации. Некоторые карбонатные коллекторы представлены почти чистым известняком, другие почти чистым доломитом, но большинство из них сложены однородными или изменчивыми смесями этих двух минеральных образований. Там, где нефть и газ содержатся в природных резервуарах, сложенных известняками и доломитами, доломиты и доломитизированные породы обычно характеризуются большими дебитами главным образом благодаря их более высокой пористости. Происхождение доломитов и причина их повышенной пористости давно привлекали внимание исследователей и из-за большого количества нефти и газа, связанных с доломитами, эти вопросы представляют интерес и для геологов-нефтяников.