Лекция 5. Формирование коллекторских свойств в ходе литогенеза. 
Седиментогенез

Литогенез — вся совокупность процессов образования и эволюции осадочных горных пород (Haug, 1907). В настоящее время под литогенезом понимаются все процессы, непосредственно связанные с образованием (стадия седиментогенеза), последующими превращениями осадка в породу (стадия диагенеза), ее изменениями до превращения в метаморфическую породу (стадия катагенеза) (Геологический словарь, 1978).

Формирование коллекторских свойств осадочных пород представляет собой сложный процесс, протекающий на всех стадиях литогенеза.

Стадия седиментогенеза.

Седиментогенез — стадия образование осадка. Н. Б. Вассоевич (1957, 1962) под седиментогенезом понимал именно выпадение осадка от первого момента его пребывания на дне водоема до наступления стадии диагенеза, т. е. до наступления такого момента, когда между средой в осадке и водой в бассейне седиментации не наступит геохимическое противоречие. Н. М. Страхов (1953, 1960) в понятие седиментогенеза включает и предысторию осадка: мобилизация веществ в коре выветривания, перенос веществ и осадконакопление на водосборных площадях, осадконакопление в конечных водоемах стока.

Коллекторские свойства на первых стадиях литогенеза определяются составом исходного материала и условиями формирования отложений. К последним относятся:

• — способ, длительность и протяженность переноса обломочного материала;
• — тип водоема осаждения и его гидродинамика;
• — его тектоническое положение и климат;
• — физико-химическая характеристика среды отложения.

Состав исходного материала определяется характером выветривающихся материнских пород и длительностью процессов выветривания. Дальнейшее преобразование гипергенного материала осуществляется в процессе переноса и осадконакопления, предопределяя степень минеральной зрелости (мономинеральности) осадочного материала.

Способ, длительность, протяженность переноса осадочного вещества, а также гидродинамика бассейна седиментации являются основными факторами, формирующими структурно-текстурные признаки осадка (размер зерен, степень окатанности, сортированности, ориентированность зерен в осадке).

Тектоника, как было показано ранее, во многом предопределяет условия формирования осадка, а следовательно и его минеральный состав, и структуру.

Климат, во-первых, определяет интенсивность процессов гипергенеза, во-вторых, минеральные и отчасти структурные преобразования осадочного вещества на путях переноса и осадконакопления.

Сочетание климатических, гидродинамических, гидрогеохимических факторов создает определенную физико-химическую обстановку седиментации.

Для терригенных коллекторов основным показателем их класса является гранулометрический состав, форма и характер поверхности слагающих породу зерен. Минеральный состав и структурно-текстурные особенности является результатом определенной динамики и физико-географической обстановки их накопления. Одновременно с заложением седиментационных структур и текстур терригенных пород происходит и формирование первичной (седиментационной) пористости. Структура — строение породы, обусловленное величиной, формой зерен, степенью цементации. Текстура — характер взаимного расположения компонентов породы и их пространственная ориентация. Поровое пространство является компонентом структурно-текстурного облика породы. Поры, сформированные на этапе седиментогенеза — седиментационные.

Факторы, контролирующие первичную пористость:

• — размер зерен;
• — сортированность;
• — форма зерен (степень изометричности);
• — округленность зерен;
• — характер упаковки.

Все эти структурно-текстурные признаки тесно взаимосвязаны.

Размер зерен. Теоретически пористость не зависит от размера (Селли, 19). Так, например, К. Слихтер (1899) указывал, что значения теоретической пористости не зависят от величины зерен, а изменяются только в зависимости от плотности их укладки. «Идеальная ситуация» — в хорошосортированных песках пористость не зависит от размера зерен. Однако это не всегда так. По экспериментальным данным даже в хорошо отсортированных песках пористость уменьшается с увеличением размера зерен. Однако, речные пески показали обратную зависимость. По-видимому, в этом случае сказывается характер упаковки зерен (текстурные признаки).

В. Энгельгардт (1964) приводит примеры значений пористости современных осадков Северного моря и Калифорнийского берега в зависимости от медианного размера зерен. Пробы взяты на глубинах моря от 3 до 30 м. Осадки Северного моря с медианным размером 120 и 240 мкм имеют пористость, равную 0,40 и 0,44. Для калифорнийских песков при медианном диаметре зерен 200−700 мкм пористость равна 0,38 и 0,45. При меньшем медианном диаметре зерен пористость осадков значительно возрастает.

Пористость песчаников, алевролитов и глин может быть одинакова, но неравноценна с точки зрения коллекторских свойств. Песчано-алевритовые породы при благоприятной пористости являются коллекторами нефти и газа, тогда как глины при той же пористости практически непроницаемы.

Проницаемость увеличивается с увеличением размера зерен. В более тонкозернистых осадках каналы между порами тоньше, а следовательно и более высокое капиллярное воздействие.

Сортированность. Пористость увеличивается с увеличением степени отсортированности зернистого материала. И проницаемость коллектора также увеличивается с увеличением степени отсортированности породы. Объяснением этому, по-видимому, служит то, что более мелкие частицы (матрикс) закупоривают поровое пространство породы, в то время как песчаный материал, складываясь в определенные упаковки, оставляет свободное емкостное пространство.

Упаковка зерен. Теоретическая пористость агрегатов, составленных из сфер одинакового диаметра в зависимости от укладки (ромбоэдрической или кубической) может колебаться от 26 до 48%. Эти пределы хорошо согласуются с пределами пористости песков, большинство которых при естественном залегании имеет пористость от 30 до 50%. Гретон и Фрезер выделили 6 типов упаковок от наиболее рыхлой — кубической до наиболее плотной — ромбоэдрической (гексагональной).

При кубической укладке сферических зерен пористость можно подсчитать следующим образом. Элемент пористой системы представляет собой куб с размером ребер 2r, где r — радиус зерна. Следовательно полный объем пористого элемента (элементарной ячейки):

V1 = (2r)3 = 8r3.

Так как элемент пористой среды состоит из восьми частиц, каждая из которых составляет 1/8 сферы, то объем зерен в элементе равен:

V2 = 4r3 / 3.

Таким образом, пористость рассматриваемого элемента:

V3 100% = V1-V2 / V1= 8r3 — 4/3r3 100 = 47,6%.

Минеральный состав. На фильтрационные параметры коллекторов существенное влияние оказывает помимо структурно-текстурных признаков минеральный состав, в т. ч. и зерновой части породы, аллотигенная часть которого закладывается в стадию седиментогенеза. Экспериментальные работы по изучению влияния минерального состава на проницаемость терригенных коллекторов впервые были осуществлены П. П. Авдусиным, В. П. Батуриным, З. Варовой в 1937 г. Было установлено, что лучшими фильтрационными свойствами обладают кварцевые пески вследствие низкой сорбционной способности кварца. Наличие трещин спайности и таблитчатый габитус большинства минералов, слагающих полимиктовые песчаники, а также более высокая их сорбционная емкость значительно снижают коэффициент фильтрации флюидов.

Среди факторов, влияющих на формирование порового пространства коллекторов, т. е. их коллекторского потенциала, существенная роль принадлежит глинистым минералам, присутствующих в виде примеси.

Первичная пористость глинистых осадков значительно выше пористости песчаных. Пористость свежеотложенных тонких глинистых осадков превышает 0,8 (Ханин, 1969). Наибольшую пористость имеет осадок, образующийся в воде, свободной от электролитов. Но высокая пористость глинистых осадков на стадии седиментогенеза не означает заложения хороших коллекторских свойств породы. Во-первых, в глинах преобладает закрытая или частично открытая пористость, во-вторых, большая часть пор заполнена водой, а следовательно эффективная пористость пород мала.

Пористость глин и глинистых пород находится во многих случаях в простой зависимости от глубины залегания (Вассоевич, 1960; Энгельгардт, 1964).

Степень влияния минерального состава глинистых примесей на коллекторские свойства пород тесно связана со строением их кристаллической решетки. Установлено, что максимально снижают проницаемость пород минералы монтмориллонитовой группы. Добавление 2% монтмориллонита к крупнозернистому кварцевому песчанику снижает его проницаемость в 10 раз, а 5% монтмориллонита — в 30 раз (рис. 2, с. 151, Справочник). Этот же кварцевый песчаник с примесью каолинита 15% все еще сохраняет хорошую проницаемость.

На фильтрацию флюидов через коллектор влияет также форма выделения глинистого вещества в поровом пространстве коллектора. Если глинистый матрикс распределен равномерно, то влияние глинистого вещества тем сильнее, чем мельче зерна породы и хуже сортированность обломочного материала, т. е. сложнее структура порового пространства. При равномерном распределении глинистое вещество превращает первоначально крупные поры в мелкие, тупиковые, а сообщающиеся поры приобретают сложные очертания, что препятствует движению нефти по пласту. И чем больше глинистого вещества, тем больше усложняется конфигурация пор и затрудняется движение флюида по пласту.

Существенно влияет на уменьшение размера пор способность глинистых минералов к пластическим деформациям. При увеличении статистической нагрузки на коллектор в равномерно распределенным глинистым цементом глинистое вещество вследствие своей пластичности способно заполнить эффективные каналы, что в крайнем случае может привести к полной потере породой емкостных и фильтрационных свойств. В этом случае коллектор становиться покрышкой и может экранировать залежи нефти в нижележащих коллекторах.

Карбонатные коллектора отличаются большим разнообразием по пористости. Чистые карбонатные породы образуются из неуплотненного карбонатного ила, состоящего из метастабильного арагонита. Пористость известковых илов на поверхности дна у берегов Флориды составляет 0,87, на глубине 120 см — 0,78, на глубине 280 см — 0,75 (Энгельгардт, 1964). Структура порового пространства чистых карбонатов в значительной мере зависит от процессов растворения и осаждения.

Пористость карбонатных пород, сложенных раковинным детритом или оолитами в той или иной степени напоминает пористость обломочных осадков. Особенностью карбонатных осадков, сложенных органическими остатками является наличие кроме межзерновой внутриформационной пористости (пустоты в скелетных остатках).

Тектонические факторы. Условия седиментации теснейшим образом связаны с тектоническим развитием бассейна седиментации. Для терригенных пород глубоководность бассейна, определяемая эпейрогеническими колебаниями, определяет размерность, окатанность, степень сортированности, т. е. те факторы, о которых говорилось выше.

Гидрогеохимические факторы являются в основном эпигенетическими, но и на стадии седиментогенеза могут иметь место. Например, в солеродных бассейнах, где уже на стадии седиментации может происходить закупорка пор первичными минералами солей.

Основа текстурно-структурных признаков породы закладывается в седиментогенезе и может сохраняться в диагенезе и катагенезе. Степень сохранности признаков, унаследованных от седиментогенеза, зависит от физико-химических и термобарических условий недр. Сохранение седиментационных признаков породами-коллекторами есть выражение закона о физико-химической наследственности осадочных пород, сформулированного Л. В. Пустоваловым (1933) и развитого А. Н. Дмитриевским (1980), который назвал свойство осадочных пород сохранять седиментационные признаки на глубине седиментационной трансляцией и сформулировал ее основные положения. Степень сохранности седиментационных признаков породой-коллектором зависит, прежде всего, от минерального состава породообразующей части коллектора, минерального состава, формы распределения в поровом пространстве цемента и от мощности коллекторских горизонтов.

Постседиментационная история существования коллекторов определяется суммой седиментационных признаков, наследованных породой, и новыми признаками, формирующимися под влиянием увеличивающихся давления и температуры, а также повышения концентрации компонентов в поровых растворах, перераспределения цементирующего материала, изменения положения породообразующих компонентов, растворения неустойчивых и образования стабильных минералов в данных условиях. Все эти изменения протекают с разной интенсивностью, определяемой в первую очередь типом коллектора.