Цементация обломочных пород-коллекторов

Глины

Глины имеют большое значение в геологии нефти и газа. Они присутствуют в различных количествах в большинстве коллекторов, определяют в значительной мере изменение пористости и проницаемости пород и оказывают сильное влияние на нефте- и газоотдачу последних. Особое влияние оказывают глины на приемистость скважин при нагнетании воды в пласт с целью поддержания в нем высокого давления в процессе вторичной разработки залежи. Сжимаемость и уплотняемость осадков обусловливается преимущественно вытеснением воды из глинистых минералов; высокая минерализация вод нефтяных месторождений, вероятно, в значительной степени объясняется освобождением солей, адсорбированных глинистыми минералами; глины служат основным компонентом большинства буровых растворов. В последнее время появилось много новых исследований, посвященных глинам, что должно привлечь к ним еще большее внимание. Читатель, интересующийся вопросами о роли глин и глинистых минералов в геологии нефти и газа, а также о влиянии их на условия добычи последних, отсылается к работам, посвященным этим проблемам [28].

Глинистые минералы¹ входят в состав почти всех коллекторских пород. Они могут присутствовать в них в виде отдельных частиц, рассеянных среди песчаных зерен, заполнять пустоты между ними, образуя цемент, или слагать тонкие прослойки, чередующиеся со слоями песчаных либо карбонатных порол. Поскольку многие глинистые минералы характеризуются пластинчатым габитусом, достаточно небольшого содержания их в осадке, чтобы поверхность песчаных зерен оказалась покрытой тонкой глинистой пленкой. Поэтому даже относительно незначительные количества глин в породе могут оказывать необычайно сильное влияние на такие ее физико-химические свойства, как связанность, адсорбция, поверхностное натяжение на границах раздела фаз капиллярность и смачиваемость. Одни глинистые минералы являются олеофильнымп. другие ‑ гидрофильными.

На хемогенные породы-коллекторы присутствие глинистых минералов оказывает в общем столь же сильное влияние, что и на обломочные. В карбонатных породах глины распространены либо в виде налетов по плоскостям наслоения, лпбо в виде тонких пропластков [29]. И те и другие могут быть сложены коагулированным коллоидным глинистым материалом, привнесенным в бассейн седиментации, поскольку глинистое вещество обычно легко коагулирует (т.е. собирается в небольшое рыхлые агрегаты или хлопья) при соприкосновении с морской водой. Коллоидное глинистое вещество

¹Основными глинистыми минералами являются каолинит [(OH)₈Al₄Si₄O₁₀], иллит [(OH)₄K_y(Al₄Fe₄Mg₄Mg₆) (Si_8-yAl_y)О₂₀] (y = 1-5) и монтмориллонит [(OH)₄Al₄Si₈О₂₀] (по Гриму [28]).

 

может заполнять также полости стилолитов, структур, широко развитых в карбонатных породах. Все основные известняковые и доломитовые формации палеозоя в Иллинойсе, например, содержат глинистый материал, причем в большинстве случаев в виде иллита, но частично также в виде каолинита. Иллит считается аутигенным минералом (образующимся на месте), поскольку он неустойчив в условиях выветривания и в зоне гипергенеза легко переходит в другие минеральные новообразования. Каолинит, возможно, является обломочным.

Анализы глин рентгеновским, оптическим и электронно-микроскопическим методами показывают, что они состоят из агрегатов мельчайших кристаллических частиц глинистых минералов, которые обычно имеют пластинчатую или чешуйчатую форму. Самые мелкие частицы состоят из одного кристалла, более крупные могут быть представлены группами сочлененных кристаллов. Кристаллы состоят из так называемых структурных узлов (building units), которые в свою очередь образуют атомные решетки или слои молекул и являются почти идентичными.

Важное значение глин при изучении коллекторов определяется двумя факторами: 1) мельчайшими размерами отдельных кристаллических частиц, многие из которых не превышают в диаметре 2 мк, а некоторые наиболее активные ‑ 0,2 мк; 2) химической и физической активностью глинистых минералов, особенно представителей группы монтмориллонита. Малый размер частиц обусловливает соответственно большую удельную поверхность глин, чем объясняется высокая поверхностная активность глинистого вещества, присутствующего в коллекторском пласте. Химическая активность глинистых минералов определяется главным образом наличием в них слабо связанных и способных к обмену катионов, или явлением ионного обмена, т. е. замещением ионов раствора ионами твердой фазы при их соприкосновении. В результате ионного обмена изменяются свойства как раствора, так и твердой фазы. Способность осадочных пород, включая коллекторы, к ионному обмену связана в основном с присутствием в них глинистого материала [31].

Физическая активность глинистых минералов определяется особенностями строения их решетки, а именно слоеподобной, напоминающей меха аккордеона их молекулярной структурой. Такое строение решетки глинистых минералов допускает проникновение воды в межслоевое пространство молекул, вследствие чего существенно изменяется их объем. Это обеспечивает гидродинамическое единство даже достаточно мощных толщ тонкодисперсных глинистых пород и позволяет рассматривать их в качестве полупроницаемых мембран. По существу это значит, что могут возникать значительные градиенты гидростатического давления, направленные поперек слоистости, в результате осмотических явлений, которые вызываются различиями в минерализации пластовых вод, содержащихся в отложениях, залегающих ниже и выше глинистой толщи.

Глины, обладающие хорошо развитой сланцеватостью, т.е. способностью расщепляться на пластинки, называются глинистыми сланцами. Обычно сланцы не считаются коллекторами, но в некоторых местах из них добывали значительные количества нефти и газа, очевидно содержавшихся в трещинах отдельности и в виде пленок вдоль плоскостей напластования. Например, залежь Флоренс в Колорадо [32] обнаружена в сланцах мелового возраста; кроме того, газовые залежи открыты в пенсильванских сланцах Чероки на территории восточного Канзаса [33] и в миссисипско-девонских сланцах Чаттануга в восточном Кентукки [34]. Промышленные запасы нефти были обнаружены в сланцах, перекрывающих основной продуктивный песчаный горизонт на месторождениях Солт-Крпк и Тоу-Крик в Вайоминге, в сланцах, залегающих на нефтеносной формации Рейнджли в Колорадо (Davis, устное сообщение), а также в сланцах и известняках западнее озера Маракайбо в Венесуэле. Большие количества нефти были добыты на месторождении Санта-Мария, Калифорния [35], где коллекторами являются в основном кремнистые сланцы, а также из песчанистых кремнистых сланцев зоны Стивенс на месторождении Элк-Хиллс, Калифорния [36], и из глинистых и песчанистых сланцев и алевритов на месторождении Спраберри, Техас [37].

Важную хотя и незначительную часть продуктивных песчаных пород составляет вулканический пепел. Подобно глинистым минералам, вулканический пепел уменьшает проницаемость породы-коллектора. Большое количество вулканического пепла содержится в продуктивном песчанике Вудбайн на месторождении Ист-Тексас [18]: суммарное содержание глинистых частиц и вулканического пепла в продуктивной толще колеблется от 30% в северной части залежи до 70 % на отдельных участках ее южной части. Переслаивание песчаников, глинистых пород и вулканического пепла, а также латеральные изменения их относительного содержания в продуктивной толще чрезвычайно затрудняют ее корреляцию в разрезах скважин.

 

Некоторые песчаные коллекторы полностью или частично состоят из несвязанных, несцементированных песчаных зерен, которые временами в процессе эксплуатации скважин в большом количестве извлекаются вместе с нефтью. Однако в большинстве песчаных коллекторов обломочные зерна связаны между собой тем или иным цементирующим материалом, главным образом карбонатами, кремнеземом или глинистым материалом. Часть цементирующего вещества может быть первичной, отложенной вместе с песчаными зернами и затем в процессе диагенеза¹ перераспределенной химическим путем вокруг них и между ними. Песчаники, сцементированные сингенетичным кремнеземом, называются ортокварцитами в отличие от метакварцитов, или кварцитов метаморфического происхождения. Другая часть цемента может быть вторичным новообразованием, осажденным из водных растворов, которые проникли в осадочные породы после их отложения (см. также стр. 129-131: ).

По мере увеличения относительного содержания цемента кластическая порода может постепенно переходить в хемогенную. Так, например, чистый кварцевый песчаник с возрастанием количества доломитового цемента может на протяжении нескольких миль или даже на еще более коротком расстоянии всего нескольких сотен футов преобразоваться сначала в доломитизированный песчаник, а затем и в песчаный доломит. Повышение содержания в породе кремнистого цемента может привести к переходу рыхлого песка в кварцитовый песчаник и, наконец, в песчаный кварцит.

Различные латеральные видоизменения одновозрастных эквивалентных осадочных пород связаны с понятием о фациях². Фации могут иметь локальное или региональное распространение. Различные литологические изменения называются литофациями, биологические ‑ биофациями. Карты литофаций описаны на стр. 549-550. Наиболее значительные литофациальные изменения коллекторов наблюдаются при переходе проницаемых пород в менее проницаемые. Подобные явления имеют большое значение в связи с разработкой залежей нефти и газа, локализацией ловушек и региональным перемещением флюидов в коллекторах.

Обломочные известняки (иногда называемые еще калькаренитами) и доломиты состоят из зерен кальцита и доломита, подвергшихся, подобно зернам кварца, переносу

¹«Диагенез объединяет совокупность процессов, ведущих к литификации породы или преобразованию вновь отложившихся осадков в отвердевшую породу» [1].

²В советской литературе термин «фация» понимается значительно шире. ‑ Прим. ред.

 

и переотложению. Зерна обломочных карбонатов могут состоять из раковин, раковинного детритуса, обломков ракушняка и оолитов. Такие породы всегда более или менее сцементированы перекристаллизованным кальцитом, и в случае, если процесс цементации заходит далеко, они могут стать похожими на хемогенные известняки и доломиты. Однако на поверхностях выветрелых обломочных карбонатных пород часто можно наблюдать косую слоистость, а под микроскопом изредка различимы контуры обломочных зерен. Образованные таким путем карбонатные породы, очевидно, обладают значительной пористостью и потому являются хорошими коллекторами. Они, вероятно, слагают значительно большую часть коллекторов, чем это принято считать.