Обломочные породы-коллекторы

Обломочные породы относятся к одной из самых распространенных групп пород-коллекторов. В группе обломочных пород не все типы осадочных образований могут быть коллекторами промышленного качества. Не являются коллекторами практически все грубообломочные породы, редко встречаются как коллекторы крупнозернистые пески и песчаники, мелкозернистые алевролиты и пелиты. Типичные представители обломочных пород-коллекторов - мелкозернистые пески и песчаники, крупнозернистые алевриты и алевролиты, песчано-алевритовые породы, реже - среднезернистые песчаники.

Коллекторские свойства обломочных пород во многом определяются структурой их порового пространства, которое может быть поровым, трещинным или сложным, а по времени образования - первичным и вторичным. Размер пор - один из основных факторов, определяющих фильтрационную способность обломочной породы и продуктивность нефтегазоносных пластов в целом. Измерить величину отдельных пор можно под микроскопом, но определить количественные соотношения между размерными группами практически невозможно. В связи с этим пользуются косвенными методами (методом полупроницаемой мембраны, методом вдавливания ртути и др.). Наглядное изображение структуры порового пространства - кривые распределения или столбиковые диаграммы (рис. 1).

На этих диаграммах наглядно показано количество пор различных размерных групп и в том числе преобладающих. Изучение диаграмм показывает, что чем крупнее и однороднее по размеру обломочные зерна, тем больше диаметр пор. Именно самые крупные поры в породе и соединяющие их каналы - основные пути фильтрации флюидов. Форма пор в обломочных породах весьма разнообразна. В случае однородных шаровидных частиц при отсутствии цемента поры представляют собой сложный многоугольник, ограниченный криволинейными поверхностями. При неокатанных или слабоокатанных обломочных частицах форма и поверхность пор еще более усложняются.

Рис. 1. Распределение диаметров пор (столбиковая диаграмма) и долевого участия пор в проницаемости (кривая распределения)в нефтеносных песчаниках пласта БVIII Мегнонского месторождения. а - песчаники среднезернистые, аркозовые. К_пр=2∙10^-12 м²,k_п=23%: б - алевролиты крупнозернистые, песчаные. К_пp =31∙10^-15м². k_по=23 % (по М.И. Колосковой, А.А. Ханину)

Помимо межзерновых нор, которые, как уже упоминалось, могут иметь первичную (седиментогенную) и вторичную (катагенную) природу, в обломочных породах могут быть и трещинные поры (зияющие трещины). Трещинная пористость возникает в сильно уплотненных обломочных породах (k_δ > 0,9) , залегающих (или погружавшихся прежде) на больших глубинах или подвергавшихся стрессу.

Суммарная открытая трещинная пористость терригенных пород невелика. Она составляет максимум 3-3,5% (в единичных случаях до 6%) , обычно же меньше - от долей до 1,5-2%. Когда трещины сообщаются с межгранулярными порами, что нередко наблюдается в природе, емкостные и особенно фильтрационные свойства пород существенно повышаются. Объем порового пространства в песчаных, алевритовых породах и разностях промежуточного состава колеблется в широких пределах, практически от долей до 50%. Такие вариации определяются целым рядом факторов, рассматриваемых ниже.[4]

Проницаемость обломочных пород во многом определяется структурой порового пространства, в частности размером, формой, сообщаемостью пор, а в ряде случаев и суммарным объемом последних.

Форма зерен, их окатанностьтакже отражаются на величине проницаемости пород. При прочих равных условиях породы, сложенные изометричными, окатанными частицами, обладают большей проницаемостью, чем сложенные изометричными неокатанными.

Степень однородности зерен(отсортированность частиц) существенный признак, отражающийся на коллекторских свойствах обломочных пород. В общем виде чем однороднее частицы по величине, тем выше пористость пород. Отсортированность обломочных частиц определяют различными способами. Для характеристики этого свойства чаще всего используют коэффициент отсортированности. Пористость тела, состоящего из одинаковых шаров при кубической укладке составляет 47,6%, а при плотнейшей ромбоэдрической - 25,96%.(рис. 2) Отклонение отдельных шаров от общего размера в обоих случаях будет сопровождаться понижением пористости, притом тем сильнее, чем ниже отсортированность (однородность) обломков. Это объясняется тем, что в крупных порах размещаются мелкие обломки.

Рисунок 2. Кубическая и ромбическая укладка шаров

Цементирующая часть обломочных (песчаных и алевритовых) пород представлена преимущественно глинистым материалом и кальцитом, а также их смесями. Изредка цементом может быть ангидрит, гипс, доломит, лимонит, фосфорит. В нефтяных и газовых месторождениях эти минеральные виды цемента, как правило, не встречаются. В общем случае цементирующая часть, заполняя пространство между обломочными зернами, снижает как полную, так и открытую пористость пород. В связи с этим при анализе материалов какого-либо конкретного района обычно между пористостью и содержанием цемента наблюдается обратная зависимость. Она может быть более или менее четкой в зависимости от влияния других факторов. Проницаемость песчаных и алевритовых пород также в значительной мере регламентируется содержанием цементирующей части. Цемент, заполняя промежутки. между обломочными зернами, уменьшает объем пор, сужает, а иногда и закупоривает поровые каналы и тем самым снижает проницаемость пород. В общем виде (при прочих равных условиях) - чем выше содержание цемента, тем ниже проницаемость породы. Сравнение материалов по разным регионам показывает, что в деталях кривые зависимости проницаемости от содержания цемента имеют различный вид. В большинстве случаев при содержании цемента свыше 15-20 % песчаные и алевритовые породы на больших глубинах становятся практически непроницаемыми. Лишь среди молодых, неглубокозалегающих слабоуплотненных пород этих типов проницаемыми оказываются разности с содержанием цемента до 50 % и даже глинистые породы с содержанием обломочной части 40-50 % [1].

Механическое уплотнениесущественно отражается на коллекторских свойствах обломочных пород. Степень уплотнения возрастает с глубиной. Вместе с этим понижаются пористость и проницаемость пород. Пористость и проницаемость терригенных пород разного литологического состава с увеличением глубины залегания снижается неодинаково. Быстрее всего это происходит у пелитовых пород, а у песчаников и алевролитов - более резко в случае повышенного содержания глинистого материала.

Трещинный тип породы-коллектора характеризуется тем, что фильтрующее поровое пространство в нем представлено открытыми (зияющими) трещинами. Трещинный коллектор обладает низкой трещинной пористостью, обычно составляющей не более 2,5-3%. Вместе с трещинными порами в породе могут быть и межзерновые, однако их суммарный объем обычно также невелик (до 5-7%), к тому же часть таких пор оказывается изолированной. В большинстве случаев трещинный коллектор является вторичным, постдиагенетическим. К смешанному или сложному типу породы-коллектора отнесен такой, в котором сочетаются различные виды порового пространства (два или более), в том числе межзерновой, трещинный, каверновый, межформенный, внутрифирменный и др.

Трещинный тип коллектора выделяется среди остальных прежде всего тем, что его емкость определяется трещинной пористостью, а путями миграции флюидов являются зияющие трещины. Характерные особенности этого типа коллектора - низкая пористость и чрезвычайно широкий диапазон колебаний проницаемости - от 0,01 • 10^-16 до 1000 • 10^{-1 5} м² и более. На больших глубинах трещинный тип коллектора может быть встречен в породах самого различного генезиса и состава. Трещины в породах-коллекторах описываемого типа имеют различную природу. В связи с этим различают тектонические, литогенетические и трещины естественного гидроразрыва (или авторазрыва). Раскрытость трещин в породах-коллекторах очень малая - доли миллиметров, в лучшем случае первые миллиметры, при этом смещения пород вдоль трещин не наблюдается или они незначительны.

Трещинный тип коллектора по своей природе является вторичным. На больших глубинах в таком коллекторе могут сочетаться три разновидности трещин. Следует отметить, что в условиях переслаивания терригенных пород малой мощности факторы, вызывающие гидроразрыв, способствуют образованию литогенетических трещин, вследствие этого трещины гидроразрыва в "чистом" виде могут и не встретиться. Трещинная пористость обычно невелика. Она оценивается в доли и первые единицы процентов, поэтому со временем может быть "залечена" за счет минеральных новообразований или механических (тектонических, литостатических) напряжений. Вследствие этого трещинный коллектор перестает существовать. Надежное перекрытие пластов-коллекторов мощными экранирующими толщами и существование АВПД благоприятствуют сохранению зияющих трещин, а в целом и коллекторов трещинного типа.

Трещинные коллекторы формируются только в сильно уплотненных, хрупких породах. Такие свойства обломочные (песчаные и алевритовые) породы приобретают в платформенных условиях на больших глубинах, а в геосинклинальных областях - в результате стресса или также после пребывания на больших глубинах. Формирование трещинных коллекторов после приобретения породами соответствующих свойств может происходить на различных глубинах в зависимости от тектонических условий.

Смешанный тип коллектора в обломочных породах характеризуется совместным присутствием межзерновых и трещинных пор. Как уже отмечалось, трещиноватость в обломочных породах развивается только в случае их существенного уплотнения и снижения пластичности. Но такие изменения происходят при значительном снижении пористости пород. Следовательно, смешанный тип коллектора может возникнуть в породах, некогда испытавших стресс, погружение на большие глубины или находящихся в таких условиях в настоящее время.

Смешанный тип коллектора сформирован межзерновой (первичной или вторичной) и трещинной пористостью. Он характерен для песчаных и алевритовых пород, залегающих на больших глубинах. Вместе с этим маловероятно, чтобы такой коллектор возник в нефтенасыщенных породах-коллекторах порового типа (в данное время находящихся на больших глубинах), если ловушка была заполнена в период ее пребывания на небольшой глубине, при высоких коллекторских свойствах. Эти коллекторские свойства и, в частности, высокая пористость сохраняются, как показывают многочисленные факты, и на больших глубинах. При таких условиях обломочные породы обладают высокой пластичностью и малой хрупкостью, что неблагоприятно для развития трещиноватости.

Исходя из этой концепции представляется, что на больших глубинах, там, где в обломочных породах формируются коллекторы смешанного типа, условия для возникновения залежей нефти мало благоприятны, поскольку к этому времени породы располагаются уже ниже главной зоны нефтеобразования. Вместе с тем переформирование залежей в результате перетока нефти из коллекторов порового типа в коллекторы смешанного (сложного) типа вполне возможны. Более вероятны на больших глубинах в коллекторах смешанного типа залежи природного газа, для которого условия генерации в такой обстановке остаются достаточно благоприятными.