Лекция 7. Формирование коллекторских свойств в катагенезе

Катагенез — стадия изменения осадочных пород, следующая за диагенезом и предшествующая метаморфизм, которая характеризуется интенсивным их уплотнением под влиянием усиливающегося давления и частичным преобразованием устойчивых, главным образом терригенных и частично аутигенных компонентов пород (Страхов, 1960). В стадии катагенеза выделяются два этапа: ранний (начальный) и поздний (глубинный). Граница между подстадиями проводится в диапазоне температур 90−120^оС, при горном давлении около 100 МПа и понижении полной пористости до 15%. Такие условия в большинстве случаев наблюдаются на глубине 2,5−5 км. Подстадия начального катагенеза характеризуется относительно слабой уплотненностью пород (К=0,85). Глинистые породы характеризуются пластичностью, размокают в воде, полиминеральны, в них возможно присутствие монтмориллонита. Песчаные и алевритовые породы слабо сцементированы, высокопористы (общая пористость — 15−40%). В цементе могут присутствовать глинистые минералы всех групп. Известняки отличаюися от других пород более высокой степенью уплотнения и вообще границы между подстадиями литологически у известняков выражены неотчетливо. На этой подстадии органогенно-детритовые известняки отличаются повышенной пористостью. Хемогенные известняки имеют микрозернистую или тонкозернистую структуру, но достаточно сильно уплотнены (К до 0,93−0,95). Мел характерен именно для этой подстадии. Среди каустобиолитов распространены бурые угли, каменные угли низкой степени метаморфизации.

Породы поздней стадии катагенеза характеризуются сильным уплотнением (К=0,85), физические признаки различных литологических типов пород отличаются меньше, чем при начальном катагенезе. Глинистые породы представлены аргиллитами, хрупкими, не размокающими в воде образованиями. Роль монтмориллонита в смешанослойных образованиях уменьшается, появляются новообразования гидрослюды и хлорита. Пески, слабоуплотненные песчаники, алевролиты приобретают высокую прочность. Мел в подстадию глубинного катагенеза замещается известняками, структура известняков изменяется в направлении укрупнения зернистости, степень уплотнения различных разностей известняков сближается.

Положение верхней и нижней границ зоны катагенеза и ее мощность непостоянны. Верхняя граница катагенеза совпадает с нижней границей диагенеза. Нижняя граница условно ограничивается положением изотермы 200оС. Положение нижней границы зоны катагенеза варьирует в широких пределах, так как величина геотермического градиента в каждом регионе своя. При геотермическом градиенте 1оС/100 м нижняя граница находится на 20 км от земной поверхности. В таких условиях горное давление достигает 500 МПа, а пористость всех пород сближается и понижается до 1−2%.

Интенсивность и последствия катагенеза определяются, во-первых, признаками и свойствами самих пород, во-вторых, внешними факторами. Характеристики пород, отражающиеся на катагенетических преобразованиях: минеральный состав, структура и физико-химические свойства (химическая устойчивость, твердость, пластичность, пористость, проницаемость). К числу внешних факторов относятся температура, давление (литостатическое, стресс, гидростатическое), растворенные в воде минеральные и газообразные вещества, щелочно-кислотные свойства подземных вод, окислительно-восстановительная обстановка, естественная радиоактивность, а также продолжительность воздействия перечисленных факторов.

Вообще в стадию катагенеза имеют место те же процессы, что и в диагенеза, но происходят они уже в литифицированной породе:

• — уплотнение,
• — дегидратация,
• — растворение неустойчивых соединений,
• — минеральное новообразование,
• — перекристаллизация.

Уплотнение заключается в увеличении плотности горных пород за счет уменьшения объема порового пространства и увеличения роли твердой фазы. Уплотнение сначала достигается за счет более тесной экономной упаковки. После перегруппировки частиц дальнейшее уплотнение может происходить в результате частичного дробления зерен и заполнение порового пространства продуктами дробления. При дальнейшем росте нагрузки жесткий скелет испытывает лишь упругие силы сжатия до определенного предела, после которого скелет начинает разрушаться. В контактных точках, где давление особенно велико, происходит частичное растворение минерального вещества.

Для оценки степени уплотнения используется коэффициент уплотнения, представляющий собой отношение плотности породы к плотности твердой фазы или минералогической плотности. По степени уплотнения породы разделяются на пять групп.

Классификация пород по степени уплотнения (В.К. Прошляков, 1991).

Неуплотненные — К уплотнения 0,6; полная пористость 40%.

Слабо уплотненные — К уплотнения 0,6−0,75; полная пористость 25−40%.

Уплотненные — 0,75−0,85; 15−25.

Сильно уплотненные — 0,85−0,95; 5−15.

Очень сильно уплотненные — 0,95; 5.

Наиболее информативным показателем уплотнения песчаников и алевролитов является величина открытой пористости. Для характеристики изменения этого параметра в зоне катагенеза обычно используются результаты анализов однотипных обломочных пород. Чтобы избежать влияние литологических факторов, при этом следует учитывать не только структуру, но и состав. Чистые мономинеральные кварцевые песчаники быстро приобретают рациональную упаковку, образуют жесткий скелет, который может выдержать большие давления (до достижения предела прочности, после которого происходит катаклазирование). Полимиктовые песчаники, вследвтвие разной прочности материала, обладают повышенной пластичностью, более прочные кварцевые зерна вминаются, внедряются в более податливые обломки пород. Уплотнение носит более постепенный характер.

Дегидратация осадочных пород происходит практически в течение всей стадии катагенеза. Кроме отжима оставшейся свободной воды в катагенезе происходит отделение от породы физически и химически связанных вод. В лабораторных условиях повышение давления до 300 МПа и более вызывало отделение физически связанной воды. Количество воды, способное выделиться на стадии катагенеза весьма значительно. Например, при снижении пористости водоносного песчаника от 35 до 5% из каждого км3 породы отжимается до 300 млн. т воды. Постепенно освобождающаяся вода в условиях высоких температур и давлений играет важную роль в перераспределении вещества осадочных пород.

Растворение составных частей породы. Составные части пород обладают устойчивостью в определенных термобарических и геохимических условиях. Изменение последних сопровождается нарушением равновесия между твердой (минеральной, органической), жидкой и газообразной фазами. Это приводит к тому, что некоторые минералы и органические соединения растворяются в подземных водах, нефтях, конденсате. Следствия этих процессов — образование в породах каверн, расширение трещин, повышение минерализации подземных вод до 25−30 г/100г раствора, а также присутствие в нефтях и конденсате широкого спектра химических элементов и металлоорганических соединений.

Растворимость минералов определяется целым рядом факторов: температурой, давлением, фильтрационными способностями пород, а также свойствами самих растворителей (минерализация, солевой состав, количество растворенных газов и т. д.). Галоиды, сульфаты, карбонаты наиболее легко растворимы в природных условиях и составляют основу солевой части подземных вод, а также присутствуют в жидких УВ. Кроме того во флюидах присутствуют кремний, стронций, алюминий, железо, марганец, микроэлементы (V, Ni, Co, Mo, Cu и др.). Породообразующие минералы на стадии катагенеза могут подвергаться коррозии и растворению (кварц, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы). Структуры растворения под давлением — конформные, инкорпорационные, микростилолитовые.

В катагенезе значительна роль органических соединений — битумоидов, карбоновых и гуминовых кислот, присутствующих в подземных водах и способствующих растворение ряда минеральных образований. Роль нефти бывает различной. На контакте с водой нефть может окислиться и частично разложиться с образованием углекислоты, вследствие этого вода становится более агрессивной по отношению к карбонатам, кварцу и другим минералам. УВ могут вызвать восстановление сульфатных ионов, благодаря чему пластовые воды оказываются недосыщенными сульфатами. Это может вызвать растворение новых порций гипса или ангидрита. Такие процессы характерны для стадий миграции и формирования залежей углеводородов, когда флюиды представляют собой смесь воды, нефти и газа. После разделения флюидов нефть выступает уже в качестве консерванта. Насыщая породы, она изолирует их от воды, тем самым препятствуя растворению минералов. Следует иметь в виду, что при разработке нефтяных месторождений происходит замещение нефти водой — пластовой или пресной, закачиваемой в пласт в целью поддержания пластового давления. Вследствие этого нарушается физико-химическое равновесие, что влечет за собой растворение минералов, их новообразование или преобразование.

Минеральные новообразования формируются за счет веществ, растворенных в подземных водах, и газообразных соединений, содержащихся в пустотном пространстве пород. Причина образования новых минералов — нарушение физико-химического равновесия в системе из-за поступления мигрирующих флюидов в иные термобарические и геохимические обстановки. Кроме того, новые соединения возникают при взаимодействии минеральных и органических соединений с подземными водами.

С увеличением глубины растет концентрация солей, так как в растворы поступают все новые и новые соединения. Вначале это несколько граммов на 1 л, а на глубинах несколько километров могут образовываться настоящие рассолы с концентрацией 250−300 г/л. В общих чертах намечается следующая вертикальная зональность вод по степени минерализации и составу:

верхние 300−700 м — зона интенсивной циркуляции и водообмена с поверхностными водами.

В верхней зоне свободного водообмена воды гидрокарбонатные пресные или слабоминерализованные (за исключением аридных областей). Реакция воды щелочная, среда окислительная. Исключение составляют воды, богатые ОВ, и участки выходов минеральных источников ниже, до глубин 1,5−2,5 км — зона затрудненной циркуляции и обмена.

В зоне затрудненной циркуляции воды более высокоминерализованные гидрокарбонатно-сульфатные, а ниже, после выпадения карбонатов, и сульфатные воды глубже, где обмен с поверхностью затруднен, может существовать зона застойных вод. В зоне застойных условий воды имеют сульфатный, сульфатно-хлоридный и, наконец, хлоридный характер.

В ряде случаев в определенном интервале глубин может возникнуть инверсия в ходе преобразования вод и произойти их распреснение. Кроме пластовых вод существуют воды замкнутых пор (интерстиционные), которые по составу отличаются от пластовых.

Количество новообразований во многом определяется первичным минеральным составом пород. Например, кварцевые песчаники бедны аутигенными компонентами, набор которых ограничивается минералами группы кремнезема. В полевошпат-кварцевых песчаниках помимо кремнезема наблюдаются аутигенные полевые шпаты, гидрослюды, хлорит. В полимиктовых породах, содержащих примесь вулканогенного материала, кроме вышеперечисленных, появляются карбонаты, цеолиты, эпидот.

Интенсивность вторичных изменений зависит от длительности процесса воздействия таких факторов, как температура и давление. Аутигенный кальцит кристаллизуется из пластовых вод при повышенных температурах (выше 60−70^оС), заполняя при этом зияющие трещины пород, поры и каверны. Взаимодействие кальцита с водами, несущими магний, может вызвать образование доломита. Кремнезем образуется в зонах повышенных температур и давлений в нейтральной или слабо кислой среде. В песчаных и алевритовых породах он обычно выделяется в виде каемок регенерации, в доломитах — в виде более или менее идиоморфных кристаллов кварца или неправильных выделений халцедона. Для стадии катагенеза характерны вторичные образования удлиненно-пластинчатых гидрослюд, каолинита, табличек хлорита. Их возникновение связано с зонами повышенных температур. Взаимодействие обугленных органических остатков, битумов с пластовыми водами приводит к образованию сульфидов железа. Воздействие богатых кислородом вод на сульфиды железа приводит к образованию гидроокислов железа.

Перекристаллизация вещества заключается в преобразовании кристаллических зерен без изменения их состава и структуры кристаллической решетки, в укрупнении кристаллов, приспособлении их к поверхностям соседних минералов, освобождении от примесей.

Перекристаллизация минералов сопровождается уменьшением объема породы, ее уплотнением, увеличением устойчивости данной системы в новых термобарических условиях. Наиболее характерна перекритсаллизация для хемогенных и органогенных образований — кальцита, доломита, гипса и др. Аморфные вещества могут подвергнуться раскристаллизации, эти процессы характерны для опала, фосфатных минералов, обломков эффузивных пород.

Процессы перекристаллизации особенно четко можно проследить на изменеии структуры карбонатов. Седиментогенные и диагенетические карбонаты, как правило, пелитоморфные, либо микрозернистые, оолитовые, сгустковые. В катагенезе размеры кристаллов средние и крупные, сгустки и оолиты замещаются агрегатами таких кристаллов.

Преобразование ОВ. Геологи-угольщики широко используют шкалу катагенеза, основанную на степени углефикации гумусового ОВ. ОВ, содержащееся в породах, испытывает значительные изменения. Концентрированные формы ОВ — угли и углистые включения — изменяются от бурых до антрацитов. По мере изменения углистого вещества в катагенезе выделяются огромные массы воды и газов, основную часть которых составляют метан и углекислый газ.

Рассеянное ОВ также изменяется. Происходит декарбоксилирование (отщепление карбоксильной группы СООН с образованием СО2) органических кислот, в результате чего еще начиная со стадии диагенеза, уменьшается содержание органических кислот. Происходит диспропорционирование (внутреннее перераспределение в молекулах веществ) водорода, полимеризация кислых компонентов. Все это приводит к тому, что ОВ обогащается высокомолекулярными соединениями и в то же время в нем возрастает содержание масляной фракции, в состав которой входят УВ, отвечающие микронефти. В наиболее ярко выраженной форме все эти процессы происходят в богатых органикой глинистых породах, но могут проявляться и в других литологических типах пород (карбонатных, кремнистых). Максимальное возрастание содержания хлороформенных битумоидов в породах, а в его составе УВ микронефти свидетельствует о наличии в разрезе главной зоны нефтеобразования (по Н.Б. Вассоевичу).

Стадия метагенеза.

Согласно определению Н. В. Логвиненко, метагенез — это стадия глубокого минералогического и структурного преобразования осадочных пород в нижней части стратисферы, происходящего, главным образом, под влиянием повышенной температуры в условиях повышенного давления и присутствии минерализованных растворов. На общий ход процессов метагенеза накладывают свой отпечаток газы, окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные свойства флюидов. Таким образом, основные факторы метагенеза те же, что и при катагенезе.

Метагенез осуществляется в диапазоне температур 200−300^оС. Имея в виду, что геотермический градиент варьирует в широких пределах, глубина залегания пород и давления, которые испытывают породы также различны. При геотермическом градиенте 3оС/100 м глубина залегания осадочных толщ должна составлять 7−10 км, а давление 180−270 МПа. При меньшем геотермическом градиенте эти цифры существенно возрастают, что, по данным геофизических, исследований имеет место в Прикаспийской, Южно-Каспийской впадинах (Азербайджан) и других регионах.

Исходя из теоретических предпосылок и экспериментальных данных, свободная вода в зоне метакатагенеза должна иметь кислую реакцию, содержать много растворенных газов и солей. Общая характерная особенность пород — высокая степень уплотнения (К=0,98 — 1,0), минимальная пористость, преобразование ОВ до состояния графита. Перемещение флюидов становится возможным только по трещинам или путем диффузии.

Метагенез осадочных пород заключается в изменении структуры пород и ассоциации минералов. В стадию метагенеза в глинистых породах исчезают минералы группы монтмориллонита, смешанослойные образования. Преобладающее развитие приобретают гидрослюды высокой степени преобразованности и хлорит. За счет глинистых минералов возможно образование серицита. В песчаных и алевритовых породах продолжается деформация зерен кварца. За счет растворения под давлением и одновременной регенерации зерна кварца приобретают призматическую, линзовидную или таблитчатую формы с ориентировкой больших граней перпендикулярно к направлению давления. В карбонатных породах продолжаются перекристаллизация и укрупнение зерен, а от фаунистических остатков сохраняются неопределимые реликты. Для стадии метагенеза характерны глинистые сланцы, кварцитовидные песчаники, мраморизованные известняки и доломиты, антрациты и другие сильно измененные осадочные породы.