Влияние обстановки седиментации на свойства коллектора

Обстановка осадконакопления определяет многие специфические черты коллектора: морфологию, состав и структурно-текстурные особенности, характер изменений в диагенезе, типы и степень цементации. Поэтому особенно важно уметь объяснять изменения пористости и проницаемости, создавая модели, прогнозирующие степень цементации.

Большинство известных тел-резервуаров формируются в ограниченном количестве региональных обстановок осадконакопления: эоловые пески пустынь, аллювиальные, дельтовые, прибрежных пляжей и отмелей, приливно-отливной зоны, морской шельф и относительное глубоководье.
Эоловые песчаники представляют собой наиболее благоприятный из всех кластиче- ских коллекторов тип, который при сочетании наличия покрышки, геометрии ловушки и нефтегазоматеринских пород может образовывать резервуар большой мощности (до 300 м) и содержать крупнейшие залежи УВ. На газовом месторождении Леман в южной части Северного моря мощность непрерывной толщи дюнных песков пермской формации ротлиген- дес достигает 200 м [100; 143]. Дюнные фации охватывают территорию палеопустынного бассейна ротлигеидеса 1000*300 км2 под водами Северного моря и в Нидерландах. Такие размеры обусловливают, среди прочих важных факторов, огромные запасы. Доказанные и вероятные запасы газа на месторождениях южной части Северного моря, в Нидерландах и ФРГ составляли 2600Х109 м3. Песчаники представлены преимущественно эоловыми фациями, с небольшим количеством флювиальных фациальных комплексов (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Осадочная модель для пермской формации дюнных песчаников Rotliegend, месторождение Леман, юг Северного моря (сектор UK) Эоловые обстановки седиментации, обрамляющие мелководное озеро (From George and Berry, 1993)

Крупные залежи дюнных песков отлагаются на относительно ровных поверхностях, а наиболее хорошо сохраняемые формы приурочены к уплотненным границам раздела с вышележащими отложениями. Для эоловых залежей характерно образование ловушек структурного типа. Внешняя форма отдельных дюн сохраняется при стремительной морской трансгрессии.
Тип дюн контролирует размеры и форму коллектора. Барханы, имеющие серповидную форму с концами, вытянутыми в направлении преобладающих ветров, образуются при умеренной силе ветра. При большей силе ветров образуются продольные дюны, представляющие собой почти прямые песчаные гряды, вытянутые параллельно друг другу в направлении превалирующих ветров. Поэтому для целей прогнозирования важно узнать направление действия палеоветров, о котором можно судить по материалам региональных исследований либо по результатам изучения керна, либо по каротажным диаграммам наклономера. В поперечных дюнах косая слоистость наклонена в сторону действия ветров, в продольных дюнах большинство слоев отходит от осевых частей под углами, близкими к 90° [143].
Отлагаясь выше уровня грунтовых вод, дюнные песчаники в меньшей степени подвергаются цементации на начальных этапах, чем сопутствующие им флювиальные фации. Выпадающая ночью роса, чередующаяся с интенсивным процессом испарения в дневное время, очевидно, способствовала «затвердению» дюн в основном благодаря кремниевому цементу [100].
Там, где этот уровень близок к поверхности, возможен гипсовый цемент, переходящий с глубиной в ангидритовый; на более поздних стадиях отмечаются ангидритовая и карбонатная цементации, если, как это часто случается, пески залегают совместно с мощными толщами эвапоритов [143].
Типичные величины пористости 22-25 %, а проницаемости - до 1000 мД.
Крупные пустыни расположены преимущественно в зоне пассатных ветров между широтами 10 и 30° к северу или югу от палеоэкватора, особенно на подветренной окраине континентов и позади горных цепей, которая препятствует продвижению фронта дождей (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Распределение главных пустынь мира относительно климатической зональности
(after Glennie, 1970)

К числу основных требований, необходимых для формирования эоловых песчаников большой протяженности относят: наличие значительного источника сноса обломочного материала правильной формы, обеспечиваемого обычно крупными реками, которые время от времени транспортировали обломочный материал от горных областей к наветренной стороне зоны аккумуляции; соответствующая скорость прогибания бассейна; последняя не должна оказаться чрезмерно высокой, чтобы не вызвать преждевременную трансгрессию моря. Лучшими песчаными коллекторами в области аридного климата являются разномасштабные дюны (барханы, продольные, поперечные, звездчатые комплексы), имеющие характерное внутреннее строение и четкие поверхности разных порядков. I II и III порядки эоловых серий отражают условия формирования каждой из них и направления древних палеоветров (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Внутренние строение небольшой эоловой дюны, отражающее условия формирования поверхностей разных порядков (междюнные, эрозионные и т. д.)

Отложения междюнья в ископаемом состоянии являются локальными внутрирезервуарными покрышками.
Аллювиальные конусы выноса формируются у подножий горных систем, образуя обширную клиновидную толщу, сложенную грубозернистым обломочным материалом. При наличии зоны разломов мощность такого клина может достигать 3000 м и более в отличие от покровной формы, свойственной большинству обломочных пород.
Углы регионального наклона составляют более 20-30°, но по мере удаления от области сноса быстро сокращаются до 2-3°. Основной обломочный материал транспортируется ветвящимися реками и временными водотоками, то большая часть конуса выноса формируется за счет гравитационного оползания (фототабл. 5.3).
Состав отложений меняется от валунов до глин, зачастую смешавшихся друг с другом в результате грязевых потоков. В направлении транспортировки уменьшается размер зерен и увеличивается степень их сортировки. Вещественный состав отличается крайней незрелостью.
Первичные пористость и проницаемость могут быть относительно высокими в песчаниках и линзах гравия, но за счет быстрого уплотнения и развития цементов в диагенезе при захоронении не являются хорошими потенциальными коллекторами. Железистый и карбонатный цементы формируются уже на ранних стадиях диагенеза. Наиболее высокой цементацией характеризуются плохо отсортированные слои аллювия, содержащие более 25 % материала с размером зерен выше, чем размеры гальки. Основным источником карбоната кальция служили, по-видимому, выветрелые алевриты и пески.

Фототабл. 5.3. Отложения аллювиальных конусов выноса:
а) блок-диаграмма, иллюстрирующая концептуальную модель аллювиального конуса выноса;
б) предгорный аллювиальный конус выноса долины смерти, США; в) аллювиальный конус
выноса бедленда, США; г, д) грубогалечниковый плейстоценовый конус выноса.
Фото: Marli Miller University of Oregon
Меловые аллювиальные конусы выноса, погребенные под толщами морских глинистых сланцев сеномана, представляют собой высокоемкие коллекторы для залежей нефти в бассейне Сирт, Ливия и залегают на глубине от 2500 до 4500 м. С ними связаны гигантские месторождения Зелтен, Сарир и Ваха [143].

Аллювиальные песчаники являются наиболее распространенным типом коллекторов. При диагностике русловых фаций необходимо четко выделять три параметра: геометрию, распределение фаций русла и близлежащих к нему участков, отложившихся за кратковременный период (несколько сот лет), и разрезы, являющиеся результатом развития тех же процессов за тысячи и миллионы лет, в течение которых отмечалось усиление или замедление, стабилизация либо инверсия процесса погружения.
Для аллювиальных толщ характерно уменьшение размера зерен вверх по разрезу, с ормированием мощных серий, характер которых колеблется в соответствии со скоростью погружения, изменением объема сносимого материала и направлением миграции.
Пески могли отлагаться в течение двух отличных друг от друга режимов развития рек - разветвления и меандрирования русла. На стадии разветвления для рек характерны более высокий градиент, сильная, но более ритмичная разгрузка и более грубозернистые по сравнению со стадией меандрирования осадки. Они обычно развиваются ближе к истокам реки и чаще всего в условиях менее умеренного климата (фототабл. 5.4; 5.5).
В разветвляющихся руслах продольные бары вытянуты вдоль фарватера в период наводка, и площадь их расширяется в течение стадий понижения уровня воды в реке, древние русла периодически подпруживаются и направление их изменяется. Оба типа очень трудно распознать по материалам скважин, они продуцируют разрезы, различающиеся уменьшением вверх размера зерен, мощность которых соизмеряется с глубиной реки в период паводка. Но представлены отложения ветвящихся и меандрирую- щих рек разными литологическими типами осадков.
Различия между типами осадков этих двух режимов обусловлены в основном долей мелкозернистых фракций, заполняющих зоны поймы и русла и наличием в средней части разреза разветвляющейся реки крупномасштабных плоско-плитчатых косых слойков несколько более грубозернистых песков, указывающих направление потоков, ориентированных под большими углами к толще, залегающей непосредственно ниже и выше, для которой характерна мульдовая косая слоистость. По керну такое расчленение сделать трудно.
В древних толщах величина мощности отложений поймы, сохранившихся от размыва, в меньшей степени, по-видимому, определяется режимом реки, чем скоростью погружения. При значительно быстром погружении отложившийся разрез сохраняется полностью, а при замедленном погружении будут эродироваться верхние части нижележащих толщ вследствие миграции потока, и поэтому чем медленнее идет погружение, тем меньше вероятность того, что отложения поймы сохранятся.
Трудность распознавания разрезов разветвляющихся и меандрирующих потоков обусловлена не только замедленным погружением, но и тем, что в низах пачек отдельные участки погружались более быстро и сохранялись от размыва самые верхние по сравнению с другими участками части. Мелкозернистые пачки верхней части разреза уплотнялись более интенсивно, то эти участки будут характеризоваться большей степенью сохранности, до тех пор, пока они не попадут в зону или временно не будут затронуты процессом мигрирующего русла.
В результате образуются пласты песчаника, регионально развитые в пределах аллювиальных равнин. Их мощность контролируется только объемом привносимого материала, скоростью погружения и временем. Простирание русла, косая слоистость, ориентировка зерен и максимальная проницаемость должны определяться совпадением с направлением простирания палеосклона.
Пески русел и прирусловых валов могут быть представлены чистыми и хорошо отсортированными разностями с хорошей начальной пористостью и проницаемостью и линзовидным строением. Сложенные ими коллекторы содержат слабопроницаемые прослои, представленные верхами отдельных мелкозернистых пачек с уменьшением размера зерен вверх по разрезу, сохранившимися от размыва. В большинстве случаев
русла разделяются по форме в плане чаще всего на основании материалов бурения многих скважин. Чаще всего они представлены покровными песками меандрирования, а не отдельными речными руслами.

Фототабл. 5.4. Реки ветвящегося типа с образованием грубогалечниковых и гравийных отмелей (Braided bar).

Древние аллювиальные отложения врезаны в толщу более древних пород, что свидетельствует о сравнительно невысокой степени сохранности. Мощность русловых песков варьирует от 6 до 75 м (в среднем 36 м), ширина от 250 м до 20 км (в среднем 4 км), и они прослежены на расстояние от 6 до 160 км. Пористость колеблется от 10 до 25 % (в среднем 17 %), а проницаемость - от 60 до 200 мД (среднеарифметическое 500 мД). В большинстве районов мира они образуют «шнурковые залежи», с которыми связаны крупные месторождения нефти и газа [143].

Фототабл. 5.5. Реки меандрирующие с формированием со спокойной боковой миграцией русел, дающие правильную последовательность с уменьшением зерен осадка кверху. Реки имеют широкую пойму и текут только по одному руслу, имеющему сильную извилистость.

Песчаники эстуариев и приливно-отливных равнин. Характерным признаком эстуариев и равнин приливно-отливного типа является преобладание обратных течений. В надприливных равнинах преобладают илистые осадки, в эстуариях происходит накопление песчаного материала.
И эстуарии и приливные равнины отделены от открытого моря, энергия волн и течений должна гаситься по мере того, как толща осадков все более приближается к уровню вод при максимальных приливах, и именно поэтому для обстановок седиментации здесь характерно уменьшение размеров зерен вверх по разрезу (фототабл. 5.6).
В эстуариях система взаимно огибающих друг друга перемещающихся русел отливных потоков образует различной формы песчаные гряды, вытянутые параллельно направлению течений, для которых характерны косая слоистость (часто биполярная), глинистые покрышки и знаки ряби.
Мощность контролируется глубинами бассейна. В некоторых эстуариях пески приливов отличаются умеренной чистотой и хорошей сортированностыо и могут служить прекрасными коллекторами для залежей УВ.

Фототабл.

5.6. Отложения и модели приливно-отливной и эстуариевой зоны
Приливные песчаные тела часто развиты по периферии эстуариев и лагун позади барьерных отмелей и образуют обширные участки субаэральных окраин дельт. Для них характерным является увеличение вверх по разрезу доли илистых прослоев в толще песков межприливной зоны. Среди текстур преобладает перистая косая слоистость, волнистая и линзовидная мелкомасштабная слоистость, мелкие знаки ряби и многочисленные следы жизнедеятельности организмов.
Приливные песчаные тела часто пересекаются ручьями, отлагавшими толщи песков с уменьшением размера зерен вверх по разрезу и взаимно переслаивающихся песков и илов па внутренней стороне петли меандры. Характерна заболоченность территории. Коллекторы, формирующиеся в условиях эстуария и приливно-отливной зоны, имеют значительную анизотропию проницаемости.
Пляжи, барьеры, отмели, бары образуют важную группу потенциальных песчаных коллекторов. В ископаемом состоянии часто образуют единый комплекс, состоящий из отдельных аккреционных линз. Обладают линейной формой, определенной мощностью (зависящей от диапазона прилива и глубины вод над уровнем волнолома) обычно от 10 до 20 м, ширина порядка 4 км. Сила ветра является главным агентом, отвечающим за энергию волн, расходуемую на эрозию, транспортировку и отложение песка. Вверх по разрезу и вдоль береговой линии наблюдается увеличение размера зерен. Наиболее зрелые, чистые и хорошо отсортированные разности приурочены к кровле песчаника, В самой верхней части таких толщ могут находиться эоловые пески дюн.
Пляжевые осадки характеризуются пологой слоистостью, тонкослоистые, слабо наклонены в сторону моря, к плоскостям напластования часто приурочены зоны концентрации тяжелых минералов. Мощность слоя возрастает вверх по разрезу. В сторону моря отложения пляжей сменяются песчаниками со следами жизнедеятельности организмов и линзовид-нослоистыми алевритистыми и загрязненными песками. Качество коллектора ухудшаются. К пляжам могут примыкать береговые марши, аллювиальные либо другие типы континентальных фаций (фототабл. 5.7).
Лагунные отложения представлены илистыми или песчанистыми толщами, размеры которых обусловлены диапазоном приливов. Там, где между лагуной или эстуарием и открытым морем наблюдается значительная полоса водного пространства, приливные каналы играют важную роль, и именно ими обусловлены более крутые формы косой слоистости, ориентированные своим наклоном по различным направлениям.
Увеличение вверх по разрезу размера зерен, вертикальная последовательность текстур и сопутствующих осадочных структур, созданных благодаря латеральной миграции приливных заливов, отмечались многими седиментологами, которые объясняли данную связь с процессом создания древних барьерных отмелей. Длинные оси зерен в современных песках [100] ориентированы под прямым углом к берегу, и в этом же направлении проницаемость также будет наиболее высокой.
Для образования карбонатного цемента необходимы более теплый и более сухой палеоклимат и замедленный перенос осадков. Но и в умеренном климата пляжевые современные гряды часто сложены эоловыми наносами, состоящими из обломков раковин, представленных представленых арагонитом.
Коллектора, связанные с барьерными или аналогичными отмелями имеют в среднем мощность 20 м, ширину 4,4 км и протяженность 42 км. Пористость в основном колеблется в диапазоне 15-25 %. а проницаемость - преимущественно от 50 до 200 мД.
При диагностике мелководно-морских резервуаров необходимо уметь определять трансгрессивные и регрессивные последовательности, отличающиеся направленностью в изменении размера зерен (рис. 5.13).
Пески морского шельфа. На современных шельфах основное осадконакопление сконцентрировано на песчаных грядах - крупных, преимущественно продольных, реже поперечных элементах палеорельефа мощностью до 50 м, шириной около 5 км и длиной 70 км, отлагавшихся на глубинах между 10 и 100 м ниже зоны влияния сильных приливных течений.

Фототабл.5.6.Обнажения древних пляжевых, баровых, барьерных тел и идеализированная
модель для мелководно-морской обстановки седиментации.

Продольные гряды вытянуты параллельно береговой линии. Гряды характеризуются несложным основанием и выпуклой, асимметричной кровлей. Внутреннее строение отличается почти полным отсутствием диагональной слоистости, чаще встречается крупномасштабная наклонная плоскостная слоистость. Внутри некоторых тел зафиксированы параллельные несогласия, но в других грядах они отсутствуют. Не отмечается видимого постепенного увеличения либо уменьшения размера зерен вверх по разрезу. Преобладающая ориентация осей зерен песка составляет 45° к направлению простирания гряд и параллельна знакам ряби, обусловленной боковыми течениями, перемещающимися вдоль фронтальной части. Зерна в песчаных грядах хорошо окатаны, отличаются зрелостью, мелкозернистостью и очень высокой степенью отсортированности и соответственно явля-

ются коллекторами превосходного качества. В зонах развития известкового материала либо организмов с известковым каркасом, есть вероятность наличия кальцитового цемента.

Для древних надприливных баров и для современных шельфовых гряд характерно увеличение размера зерен вверх по разрезу. От подошвы к кровле наблюдается изменение структуры осадка и направленности палеотечений на момент седиментации (рис. 5.14).

Многие зрелые кварцевые покровные песчаники отлагались на стабильных кра- тонных шельфах в результате многократной миграции надприливных баров и других песчаных тел побережья, но в ископаемом состоянии природа литифицированных толщ не поддается диагностике.
Пласты и линзы, образовавшиеся в процессе трансгрессивного либо регрессивного цикла, характеризуются соответственным уменьшением, или увеличением вверх по разрезу размеров зерен. Песчаники трансгрессивного цикла отличаются значительной площадью своего развития и малой мощностью. Чем медленнее развивается трансгрессия, тем больше просеивается песка и возрастает вероятность его переноса в сторону берега и скопления в соответствующем количестве только у основной береговой линии, в то время как быстрая трансгрессия может оставить после себя толщу гораздо большей мощности, песчинки которой, однако, будут отличаться более низкой степенью сортированности [100].
Мощность их колеблется от 6 до 90 м, пористость - от 15 до 28 %, а проницаемость - от 80 до 3000 мД. Для трансгрессивных песков характерно наличие глауконитовых и фосфоритовых конкреций и фаунистических остатков. Поскольку размер зерен в них вверх по разрезу уменьшается, и выше пески постепенно переходят в морские глины, то к кровле ухудшаются коллекторские свойства.
Обширные покровы регрессивных песков развиваются только на тех участках, куда непрерывно приносятся терригенные материалы (область дельт). В таких песках могут находиться в довольно большом объеме еще незрелые зерна песка, привнесенного реками (частицы глин, кремниевых сланцев, полевые шпаты, слюды, известняки и углистое вещество), которые могут разрушаться механическим путем либо химически после своего захоронения, снижая первоначально высокую пористость и проницаемость. Быстрая седиментация способствует раннему свободному выпадению кальцита. Коллекторские свойства наиболее высоки в верхней части такого пласта, который отлагался в наиболее активных условиях.
Дельтовые песчаные резервуары. Дельтой называется надводная низменная часть конуса реки в месте ее впадения в море или озеро со сложнейшей и изменчивой сетью водотоков и водоемов и специфическим ландшафтом. Древние дельты формируют значительные по мощности резервуары, и представляет собой большинство мест отложения терригенного материала.
Главный созидающий фактор - величина стока наносов реки. Чем она больше, тем больше, при прочих равных условиях, и объем аллювиального конуса выноса реки и площадь дельты.
Способствуют образованию дельты и мелководность залива или прибрежной зоны моря, вертикальные движения земной коры с положительным знаком (тектоническое поднятие), понижение уровня водоема, в который река впадает.
Главный фактор, препятствующий образованию и развитию дельты, - разрушающее воздействие морского волнения. Формированию дельты не способствуют также большие глубины залива или прибрежной зоны моря, сильные приливные течения, тектоническое опускание или просадка грунта.
Развитие дельтовой системы происходит двумя путями. Первый - медленный, эволюционный - характерен для рек с небольшой или средней величиной нагрузки потока наносами (мутность воды менее 1 кг/м3). Примером может служить развитие дельты Килийского рукава в устье Дуная.
Второй путь - с прорывами русла, быстрый, скачкообразный - характерен для рек с большой мутностью (более 1 кг/м3). Каждый цикл развития начинается с прорыва потока в новом направлении (дельты Миссисипи и Сулака). Именно в дельтах рек с большим стоком наносов зафиксирована максимальная скорость выдвижения в море: у Амударьи - 4 км/год, у Хуанхэ - до 10 км/год (в 1976-1985 гг. суша нарастала здесь на 42 км2 в год).

На основе преобладающего воздействия трех основных процессов - энергии приливов-отливов, волнового или речного воздействия все дельты можно разделить на две крупные группы: дельты деструктивные и дельты конструктивные.
Конструктивными силами являются главным образом речные, со строительством дельты, вызванным выдвижением распределительных каналов.
Деструктивными (разрушительными) силами являются волны и приливноотливная энергия.
В высоко-конструктивных дельтах преобладают речные процессы. В высокодеструктивных дельтах являются преобладающими волновые и / или приливноотливные процессы. Каждый тип дельты имеет характерную морфологию и образец фаций, с четко различимой вертикальной последовательностью смены фаций, распределением фаций в пространстве и геометрией песчаных тел (рис. 5.15).

Рис.5.15. Классификация дельт по преобладающему влиянию процессов: речных, волновых, приливных по Galloway (1975)

При изучении дельтовых систем следует различать три главные ассоциации фаций в дельтах, формирующихся в главных подразделениях дельтовой обстановки: Фронт дельты (береговая линия с областями распределительных устьевых баров, лагун, приливно-отливных каналов, пляжей барьеров и внутренних заливов, и опускающимся в сторону моря профилем); Дельтовая равнина (наземная, низко-выположенная область с развитием позади фронта дельты, состоящая из распределительных каналов, маршей, проточных болот и озер); Продельта (подводная часть дельтового конуса выноса, представленная тонкоотмученными илами).

Фототабл. 5.8. Классификация дельт по преобладающему влиянию процессов:
речных, волновых, приливных по Galloway (1975)

В дельтах речного типа основной объем осадков откладывается в качестве фронтальных масс. Приливно-отливные течения, вдольбереговые наносы и активность волн слабые. Главный сток осадков отлагается в виде приустьевых насыпей, имеющих внутренне косослоистое строение. Широко развиты наземные и подводные береговые валы. Илистая седиментация происходит во внутренних заливах площади. Быстрая проградация происходит в сторону морского бассейна. Приустьевые песчаные насыпи формируют песчаные тела, известные, как «баровые-пальцы» или «шнурковые пески».
Дельты волнового типа формируются в условиях действия волн высокой энергетики. Отложения приустьевой насыпи непрерывно перемываются и образуют гребневые песчаные комплексы - пески прибрежных барьеров. Приустьевые насыпи не формируются. Пляжи растут латерально в ответ на береговые течения. Обычно в проградацию вовлечен полный фронт дельты. Часто в ассоциации с дельтовыми песками накапливаются эоловые отложения маленьких береговых дюн, образующие сложно-построенный полифациальный комплекс. Система наземной дельтовой равнины часто плохо развита.
Дельта приливно-отливного типа развивается в областях, где высок приливноотливный диапазон. Главным агентом рассеивания осадка в пределах распределительных каналов является приливно-отливный поток. Гребень и морфология канала развиваются в пределах приустьевых насыпей в сторону моря. Гребни песчаных тел представлены хорошо отсортированным песком и обладают хорошим коллекторским потенциалом. Дельтовая равнина состоит главным образом, из приливно-отливных гряд, сложенных тонкозернистым осадком (фототабл. 5.8).
Формирование речных дельт в современную геологическую эпоху подчиняется стадийности и цикличности и может быть описано качественно и количественно с применением балансовых и гидравлических уравнений. Все закономерности современного осадконакопления в дельтовых системах могут быть перенесены на их древние аналоги.
Эти изменчивые природные объекты являются ареной постоянной борьбы рек и морей. Здесь невозможно существование длительного равновесия. Если преобладает созидающее воздействие реки, дельта выдвигается в море, если влияние моря пересиливает, дельта либо разрушается волнением, либо затопляется при повышении уровня.

<< | >>

↑

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

Еще по теме Влияние обстановки седиментации на свойства коллектора:

- Историческая геология, палеонтология - Геодезия - Геология -