5.1.1.З. Диагенетические изменения терригенных осадков

Для нефтяной геологии прогнозная задача определения типов цементов и характера их распределения в резервуаре является одной из наиболее важных. Еще до бурения, нефтянику важно удостовериться в качестве коллектора.

На первом этапе предстоит доказать, что тот или иной песчаник при заданных региональных условиях и на заданной глубине будет обладать благоприятными фильтрационноемкостными параметрами. На втором этапе, когда выделен и доказан бурением песчаный резервуар, необходимо осуществить его детальное изучение, связанное с возможными изменениями, характеризующими неизученную часть резервуара либо сопредельные пласты песчаников.
Сложность задачи обусловлена непостоянством процесса диагенеза. В большинстве случаев приходится принимать его изменения, как некоторый элемент случайной изменчивости. Видоизменения порового пространства в осадке под воздействием диагенеза зачастую настолько значительны, что несмотря на предпринятую попытку, возможность использования седиментологии при разведке песчаников мала.
Уплотнение. Одним из первых диагенетических процессов, начинающихся при минимальном погружении несцементированных отложений, является уплотнение.
Уплотнение (Compaction) — процесс уменьшения среднего объема или мощности осадочного тела, сложенного тонкозернистыми осадками, или сокращения порового пространства в этом теле в результате увеличения нагрузки формирующихся вышележащих толщ или вследствие давления, обусловленного движениями земной коры. Выражается как уменьшение пористости за счет более плотной упаковки осадочных частиц.
В пределах нескольких верхних метров в свежеотложенном слое развивается по- ровое давление, превышающее давление нагрузки. В дальнейшем, малейшая вибрация вызывает массовое перемещение осадочного материала с отжатием флюидов и перераспределением зерен в более плотные упаковки.
Наиболее активно процесс уплотнения протекает в тех участках породы, где зерна не скреплены цементом. Уплотнение, развивающееся под воздействием повышенного растворения при возрастании давления, отмечается несколько позднее, чем главные фазы цементации [100].
Вследствие высоких скоростей седиментации, при быстром погружении осадочного бассейна захоронение песчаного материала осуществляется без его разжижения. Поэтому на глубине можно встретить резервуары, состоящие из отдельных пластов, находящихся в переуплотненном состоянии (они не претерпевают уплотнение в той мере, как если бы уплотнялись при разжижжении).
Плотность упаковки будет зависеть от суммы компонентов заполнения пор (глины, карбонаты, вторичный кварц и т. д.) за исключением видимой пористости.
При изучении процессов уплотнения песчаных зерен в шлифах следует помнить, что рассматриваемое поровое пространство ограничено рамками видимого в шлифе, поэтому оно обычно несколько меньше пористости, определяемой другими методами, особенно при малых значениях, и связь между двумя величинами следует находить экспериментальным путем. Связь между величинами видимой и замеренной пористости может определяться контрастностью применяемого красителя и качеством оптической системы микроскопа (фототабл. 5.9).
Цементация. Для геологов-нефтяников важно умение увязать различия в фиксируемой степени цементации песчаников с историей развития самой породы после ее захоронения. Задача изучение цементов должна сводиться к прогнозу типов и количества цемента, которые присутствуют в конкретном песчанике.
Цементацией (Cementation) называют диагенетический процесс, при котором грубые кластические осадки литифицируются или цементируются в твердую компактную породу в результате отложения или осаждения минералов, заполняющих промежутки между отдельными зернами осадка. Цементация может происходить одновременно с процессом осадконакопления, или же цемент может быть привнесен впоследствии.
При цементации происходит интенсивный обмен веществ с формациями, вмещающими рассматриваемую толщу песчаного коллектора.
В качестве цементов установлены многие разновидности минералов, но только некоторые из них при достаточном количестве представляет определенное значение для геологов-нефтяников. Из всех типов наиболее ощутимое понижение пористости обусловливают кварцевые и известковые цементы, представленные кальцитом, доломитом и в меньшей степени сидеритом. При специфических условиях важную роль мо-

гут играть ангидрит, барит, флюорит, галит, окиси железа или пирит. Вторичное оквар- цевание часто сопровождается образованием вторичных полевых шпатов, которые по объему могут занимать значительную долю в некоторых песчаниках.

Фототабл. 5.9. Цементы обломочных пород, как следствие уплотнения и вторичных диагенетических преобразований а) Конформно-регенерационные структуры. Аутигенный кварц нарастает на зерно кварца в виде регенерационных оболочек; б, в) Конформно-инкорпорационные контакты обломочных зерен. В интерстициях наблюдается каолинитовый цемент. Ник.+.Увел.63. Органическое вещество приурочено к поровому пространству

Типы цемента выражают его структурные особенности по отношению к породе в целом (т. е. соотношение цемента с обломочной частью). Обычно выделяют четыре типа цемента: а) базальный; б) открытый поровый; в) закрытый поровый; г) неполный поровый; д) контурный; е) прерывистый контурный (рис. 5.16).

Рис. 5. 16. Типы цемента по количеству
и распределению в породе:
а) базальный; б) открытый поровый;
в) закрытый поровый; г) неполный поровый; д) контурный; е) прерывистый контурный (по Шванову, 1987)

Цемент присутствует в подавляющем большинстве обломочных пород и является их важной составной частью, обусловливающей физические свойства, состав и последовательность выделения минералов. Для его диагностики приходится использовать лупу, срезы и пришлифовки, смачивать породы водой, применять соляную кислоту, иглу.
Морфологические типы цемента характеризуются не только качественным соотношением обломков и цемента и их взаиморасположением, но отличаются и количеством цемента: от первого к четвертому типу оно непрерывно уменьшается.
Цементы можно различать по внутренней структуре, а также по однородности и равномерности распределения в породе: цемент пелитоморфный (микрозернистый, скрытокристаллический или аморфный, размер зерен lt; 0,01 мм, т. е. зерна не видны), тонкозернистый (0,01-0,05 мм), мелкозернистый- (0,05-0,1 мм), среднезернистый- (0,1-0,5 мм), крупнозернистый- (gt;0,5мм или 0,5-1 мм) грубозернистый (gt; 1 мм).
По структуре цемент может быть однородным или неоднородным (разнозернистым). По распределению в породе можно выделять: цемент равномерно распределенный и сгустковый, распределенный неравномерно.
Базальный цемент (Basal cement) - зерна не соприкасаются друг с другом, а погружены в цемент. При описании этого типа цемента часто встречается распространенная ошибка - констатация того, что «цемента в породе «больше 50 %». В обломочной породе цемента всегда меньше половины, иначе породу следует называть по цементу (например, известняком песчанистым и т. д.). Однако в шлифах из-за того, что некоторые зерна срезаются не через центр, может быть кажущееся преобладание цемента.

Цемент заполнения - зерна соприкасаются друг с другом, а цемент заполняет лишь поры между ними.
Цемент пленочный - цемент покрывает зерна пленкой (иногда не сплошной), а остальная часть пор остается пустой; цементация большей частью непрочная. В некоторых случаях (например, в метаморфизованных породах) эти поры могут быть заполнены цементом другого типа (заполнения пор или регенерации) и тогда следует говорить о наличии пленочного цемента другой разновидности
Цемент соприкосновения, или контактовый — цемент присутствует лишь в местах соприкосновения зерен, а основная часть пор остается незаполненной.
Неполнота геохимических сведений, трудности количественного прогноза цемента, который образуется в процессе осадконакопления того или иного песчаника, обусловлены, невозможностью определить особенности движения вод через песчаники, поступающих из разнообразных источников в процессе истории геологического развития.
В относительно простых ситуациях возможно осуществление качественного прогноза. Если песчаник отложился при соответствующих термобарических условиях под мощной толщей морских глин, залегающих на глубине, с благоприятной обстановкой для превращения монтмориллонита в иллит, то можно ожидать появления вторичного кварцевого цемента, поскольку при такой реакции из глин высвобождается кремний, а растворимость кварца строго зависит от температуры.
Если глины первоначально содержали много известкового вещества или разрез включал значительное количество известняков, то в них следует ожидать кальцитовый цемент. Песчаники будут сцементированы кальцитом там, где они соприкасались с уплотняющимися (преимущественно аномально) глинами и известняками. Кальцитовый цемент в песчаниках чаще всего развивается на контактах с глинами.
Обстановка осадконакопления может играть важную роль в особенностях распределения кальцитового цемента, поскольку перераспределение не только многочисленных обломков раковин и других видов первичного карбоната кальция ведет к локальной цементации на ранней стадии диагенеза в некоторых морских обстановках.
Качественный прогноз типа цемента реален на основе знаний о стратиграфической последовательности пластов в разрезе в комплексе с полными сведениями о характере потока флюидов.

Но дать этому прогнозу количественное выражение нельзя ввиду невозможности установить детальность системы на всю глубину, поскольку она видоизменяется с начала осадконакопления и до настоящего времени, например, в результате изменения региональных наклонов и дифференцированных подвижек по разломам [143].
Сейсморазведка позволяет увидеть основные разломы, но многие из них меньшей амплитуды выявить не удается, и движения по ним не всегда происходили только в том направлении, о котором можно судить по современным условиям залегания.
Обычно выделяются две стадии снижения пористости, которым свойственны следующие характеристики: первоначальные цементы, появляющиеся на не очень большой глубине непосредственно прямо связанные со средой осадконакопления, отличаются весьма разнообразным распределением. поздние цементы, образующиеся в процессе более глубокого погружения (за исключением тех, которые поступали вдоль и концентрировались вблизи разломов), отличаются более однообразным распределением, которое, однако, обязательно контролируется типом матрикса и начальных цементов.
Для терригенных пород при диагенезе характерен процесс замещения.
Замещение (Replacement). Процесс замещения, характеризующийся практически одновременным растворением и отложением минерала, при котором образующийся минеральный агрегат может сформироваться внутри первичного минерала или агрегата минералов. По химическому составу новое минеральное образование отличается от прежнего, частично или полностью.
Аутигенное минералообразование наиболее важно для понимания перераспределения вторичного порового пространства резервуаров.
Authigenesis (neocrystallization) — процесс аутигенного минералообразования. Формирование минералов на месте их нахождения. Различают седиментационные аутигенные минералы, возникшие в самом бассейне, а не внесенные в него извне; диагенетические аутигенные, возникшие при диагенезе за счет переработки твердых фаз осадка и из растворов; катагенетические аутигенные, возникшие при катагенезе за счет преобразования вещества в новых термодинамических условиях, и т. п.
Основные диагенетические преобразования на стадии аутигенеза связаны с процессами, затрагивающими глинистые минералы.
Почти любой материал, стабильный в диапазоне температур О-250 °С и при давлениях до 1750 кгс/см2, может стать породой-коллектором, послужив при этом источником необходимых ионов (за счет либо нестабильных минералов в песчанике, либо поровых флюидов, содержащихся в них первоначально или проходивших через них) при благоприятных кинетических реакциях и за соответствующий диапазон времени [143].
В качестве аутигенных минералов в песчаниках встречены такие разновидности глин, как каолинит (или относительно близкая к нему разновидность - диккит), иллит, хлорит, монтмориллонит и смешаннослойные виды. Все они влияют в основном на проницаемость, давление на входе в поры и на содержание остаточной воды. Наиболее распространенными в этом смысле являются такие минералы, как каолинит, иллит и хлорит (фототабл. 5.10).
Наличие частиц, разной формы и размеров глинистых минералов в резервуаре в большинстве случаев вызывает ухудшение проницаемости и повышение содержания остаточной воды при заданной пористости, а также уменьшают коэффициент извлечения УВ.
Аутигенные глины встречаются либо в виде массы кристаллов, уложенной в поры, либо в виде ориентированных каемок вокруг зерен песчаника. Размер частиц обычно около 5 мк, но иногда превышает 15-20 мк.
Аутигенные глинистые минералы могут заполнять поры пород на обширной территории, свидетельствуя о кристаллизации за счет ионов, выносимых поровыми водами на некоторое расстояние, либо они могут встречаться в каолините, образующемся за счет преобразования полевого шпата, который является источником требуемого количества алюминия и кремния.
В каемках могут встречаться кристаллы, длинная ось которых ориентирована либо параллельно, либо перпендикулярно к поверхности вмещающего зерна.
Каолинит (Kaolinite) - минерал подкласса слоистых силикатов, Al2[Si2O5](OH)4. Полиморфные модификации - диккит и накрит. Твердость 1-1,5; плотность 2,5-2,7 г/см3; сильно гигроскопичен. Продукт выветривания.

Хлорит, аутигенный (Antigenic chlorite) - породообразующий минерал, силикат сложного состава. Преобладающие химические элементы - Mg, Al, Fe, Ni, иногда Mn, Cr, Li. Название происходит от греч. «хлорос» - зеленый. Цвет обычно зеленый разных оттенков, реже - почти белый или черный. Твердость 2-2,5, плотность 2,6. В отличие от слюд спайные листочки не упругие, а гибкие. Блеск от стеклянного до перламутрового. Хлориты повсеместно встречаются как вторичные продукты изменения таких силикатов, как амфиболы, пироксены и слюды (биотит и флогопит). Отличается несколько более угловатыми, радиально ориентированными пластинами и, кроме того, может также продуцировать плотные игольчатые агрегаты в порах.
Глауконит (Glauconite) - минерал зеленого или темно-зеленого цвета, представляющий моноклинный водный силикат алюминия, в котором окисное железо явно преобладает над закисным и который характеризуется постоянным присутствием калия. Твердость 2-3; уд. вес 2,2-2,9.
Иллит (Illite)- наиболее распространенный трехэтажный алюмосиликат, содержащий до 8 % К2О. Присутствие калия обусловлено либо неполным переходом калиевых полевых шпатов в каолин, либо диагенетическими изменениями каолинита в морской обстановке. Термин используется в качестве общего названия группы трехслойных, слюдоподобных, серых, светло-зеленых или желтовато-коричневых глинистых минералов, широко распространенных в глинистых отложениях (особенно в морских глинах и развитых на них почвах).
По составу и структуре являются промежуточными между мусковитом и монтмориллонитом (Grim, 1968). Содержит меньше калия и больше воды, чем истинные слюды, но больше калия по сравнению с каолинитом и монтмориллонитом. По способности к обмену катионов, по способности абсорбировать и удерживать воду, по физическим свойствам (таким, как коэффициент пластичности) иллит является промежуточным между каолинитами и монтмориллонитами. Большинство так называемых иллитов может быть механической смесью мелкозернистого монтмориллонита и мусковита или глиной, состоящей из чередующихся слоев с монтмориллонитовой и мусковитовой структурой.
Иллит редко образует достаточно крупные кристаллы, поэтому его трудно диагностировать. Иллитовые частицы меньше по размеру, чем кристаллы каолинита и хуже развиты. Иногда иллит отождествляют с гидрослюдами. Встречается либо в виде отдельных массивных пластинчатых включений, либо в виде тонких волокон, причем аналогичные условия типичны и для монтмориллонита, хотя его отдельности отличаются меньшим масштабом (фототабл. 5.10).
Аутигенные глины в основном более гомогенны, отличаются повышенной степенью кристаллизации, большим размером зерен и характеризуются одной из форм равномерного агрегатного состояния.
Каолинизация полевого шпата требует небольшого объема поровой воды для растворения твердых компонентов, включая К+ и H4Si04, и протекает при относительно низком рН, обусловленном, растворенной Н2СО3. Такие условия наиболее характерны для неглубоко залегающих горизонтов метеорных грунтовых вод, и процесс каолинизации полевых шпатов, как полагают многие ведущие седиментологи, в основном протекает вскоре после захоронения, в течение последующего выхода в зону выветривания, вблизи разломов или других русел, обеспечивающих подток вод.
Каолинит переходит в другие глины, такие, как иллит, при температурах свыше 150 °С и при наличии щелочных металлов.
Дегидратация монтмориллонита протекает при 110-150 °С, теряется при этом магний или калий и образуются смешаннослойные глины, хлорит или иллит.
Иллиты и хлориты относительно стабильны в различных средах и при увеличении температуры возрастает только степень кристаллизации; поэтому их можно использовать в качестве геотермометров [100].
В процессах диагенеза часто наблюдается некоторое перекрытие между различными стадиями и возможны еще более поздние фазы цементации, но это в целом не обязательно преобразует общую картину.
Каждая стадия диктует определенные ограничения, определяющие степень последовательности развивающихся процессов.
Более универсальные процессы обусловливают появление различий в емкостных свойствах песчаных коллекторов на ранних этапах. Примером этому служат баровые пески регрессивного цикла, которые к кровле становятся более чистыми, но содержат различный детритовый глинистый матрикс, количество которого в нижней части разреза возрастает.
На ранней стадии диагенеза кальцитовый цемент концентрируется вблизи гребня за счет кальцитизации арагонитовых обломков раковин. В процессе погружения до 2-4 км кварцевый цемент, отлагаемый мигрирующими флюидами, образует наросты относительно равной мощности вокруг кварцевых зерен, не защищенных глиной или кальцитом.
При более глубоком погружении в зонах наименьшей механической стойкости возникает наиболее интенсивное давление растворения чаще всего на тех участках, где вторичное окварцевание сдерживалось незначительными количествами глин.

<< | >>

↑

Источник: Чернова О.С.. Основы геологии нефти и газа: учебное пособие. 2008

Еще по теме 5.1.1.З. Диагенетические изменения терригенных осадков:

- Историческая геология, палеонтология - Геодезия - Геология -