Обломочные породы-коллекторы

Обломочные породы-коллекторы представляют собой агрегаты частиц, обломков минералов или обломков более древних пород. Они называются также пластическими или детритовыми породами, поскольку состоят из частиц минералов или пород, смытых с площадей, подвергавшихся эрозии.

Фиг. 3-1. Шкала размеров частиц обломочных осадков (Кгumbein, Sloss, Stratigraphy and Sedimentation, W.H. Freeman and Company, p. 97, Fig. 4-2, 1963).

Характер обломочных пород-коллекторов изменяется в зависимости от природы эродированного материала, дальности его транспортировки, климата, крутизны уклонов, способа переноса (реки, волны, течения, ветры), биохимических условий в области осадконакопления, расстояния от берега, факторов сортировки частиц и глубины воды в бассейне.

Размер различных структурных элементов, слагающих обломочные коллекторы, колеблется от коллоидных частиц до галек и валунов. Для определения и описания структуры различных кластических осадков, а также пород-коллекторов обычно используется гранулометрическая шкала Уэнтуэрта [2]. Она представляет собой непрерывную последовательность частиц различных гранулометрических классов, причем медианный размер частиц каждого класса равен половине медианного размера обломков следующего класса, характеризующегося более крупным материалом. Эта шкала приведена в табл. 3-1. Удачная, хотя и несколько иная классификация классификация (по Уэнтуэрту) подобного рода принадлежит Бюро почв (Министерство

Таблица 3-1 Гранулометрическая классификация

Таблица 3-2 Гранулометрическая классификация (в мм)

(Бюро почв США)

сельского хозяйства); она приведена в табл. 3-2. Распределение кластических осадков по размеру частиц может быть также показано с помощью логарифмического масштаба значений диаметра частиц, как это видно на фиг. 3-1. Большая часть типичных осадков представлена смесью песка, алеврита и глины в различных соотношениях. Графический метод изображения этих соотношений иллюстрируется на фиг. 3-2 [3].

Гранулометрический анализ обломочных пород позволяет исследователю лучше понять возможный характер содержащихся в этих породах пластовых флюидов. Например, большинство из многочисленных проанализированных пород-коллекторов южного Тринидада оказалось граувакками¹, размер зерен которых изменяется от 0,250 до 0,0625 мм [4], причем тонкозернистые разности этих пород обычно содержат воду, а более грубозернистые заполнены газом или битумом.

Основная масса обломочной породы ‑ «матрикс» ‑ состоит из частиц, значительно более мелких, чем средние по размеру зерна. Она частично или полностью заполняет пустоты между более крупными зернами [5]. Частицы основной массы могут состоять из тех же минералов, что и более крупные зерна, иметь иной минеральный состав или, как случается чаще всего, быть представленными как теми, так и другими минеральными видами. Основную массу следует отличать от цементирующего материала ‑ главным образом

Фиг. 3-2. Схема классификации осадков по содержанию в них песка, алеврита и глины (Shерагd. Journ. Seel. Petrol., 24, p. 157, Fig. 7. 1954).

a ‑ только зерна; б ‑ зерна и основная масса; в ‑ зерна и цемент; г ‑ зерна, основная масса и цемент.

Фиг. 3-3. Возможные структурные элементы обломочных пород, содержащих в различных пропорциях отдельные зерна, цемент и основную массу (Кrynine, Journ. Geol., 56, p. 139, Fig. 5, 1948).

хемогенного и биохемогенного осадка или глинистого вещества, обволакивающего как более крупные зерна, так и частицы основной массы. Основная масса и цементирующий материал могут присутствовать в породе в различных количествах, а иногда та или другая из этих составных частей или они обе могут практически отсутствовать в песчанике. Различное соотношение в породе зерен, основной массы и цемента графически показано на фиг. 3-3.

Среди обломочных пород наиболее распространенными коллекторами углеводородов являются песчаники, конгломераты, аркозы, граувакки и алевролиты². Перечисленные осадочные образования составляют около половины всех известных пород-коллекторов. Большая часть обломочных коллекторов имеет кремнистый состав, но известно также много карбонатных обломочных пород, таких, как оолитовые карбонаты и ракушечники, сложенные соответственно ооидами или обломками раковин организмов, лишь слегка сцементированными

¹Граувакками (по Крынину) называются темиоокрашеиные обломочные породы, в которых 20% обломочных зерен или более представляют собой обломки других пород.

²Такая дифференциация пород не совсем правильна, ибо аркозы и граувакки являются минеральными разностями песчаников, о чем пишет далее сам автор. ‑ Прим. ред.

или нерекристаллизованными. Глинистые коллекторы имеют только подчиненное значение.

В некоторых песчаниках практически все зерна состоят из кварца, а цемент присутствует в небольших количествах или его вовсе нет. Наряду с этими чистыми разностями встречаются многочисленные переходные типы к песчаникам, состоящим из различного количества зерен других минералов с тем или иным содержанием основной массы, цемента или того и другого вместе. Ближе всего к чисто кварцевым разностям стоят песчаники, которые характеризуются высоким содержанием кремнезема и включают также зерна кремнистых пород, тонкозернистых кварцитов и силикатов, преимущественно полевых шпатов. Некоторые песчаные породы содержат полевые шпаты, слюду и кварц почти в той же пропорции, что и граниты, за счет разрушения которых они образовались. Это аркозы¹, или так называемые перемытые «граниты». Песчаные породы в изобилии содержащие обломочные зерна темноцветных тонкозернистых изверженных пород, называются граувакками. Во всех этих породах почти всегда присутствует некоторое количество основной массы или цемента (а чаще то и другое вместе), заполняющие пространство между более крупными зернами. Порода-коллектор в отдельных случаях может испытывать локальные изменения структуры и состава ‑ либо по вертикали благодаря чередованию различных слоев, либо по горизонтали вследствие фациальной изменчивости, ‑ в других случаях она может оставаться по существу неизменной по всему региону.

Между чистыми, хорошо отмытыми кварцевыми песчаными породами и другими типами обломочных пород существуют различные переходные разности, образующиеся в результате примешивания к песчано-кварцевому материалу алевритовых и глинистых частиц («глинистые», «алевритистые», «мусорные», «загрязненные» песчаники), карбонатного материала (известковые, карбонатные или доломитовые песчаники), кремнезема (кремнистые или кварцитовые песчаники, вулканические пеплы), полевых шпатов, слюд и обломков пород (аркозы, перемытые граниты, граувакки). Примеси могут входить в состав главной обломочной части породы или в состав основной массы или цемента. При этом изменения их состава могут носить как локальный, так и региональный характер. Большую роль в изменении пород, имеющих в своем составе растворимый материал, особенно песчаников, содержащих много кальцита и доломита или пород, в основном состоящих из этих минералов, могут играть процессы растворения, переотложения и перекристаллизации.

Чистые, однородные непрерывно прослеживающиеся кварцевые песчаные породы могут быть сформированы в результате размыва других, более древних песчаников, в результате переноса обломочного материала на большое расстояние от источника сноса пли благодаря интенсивной переработке исходного материала во время отложения деятельностью волн и течений, занные факторы способствуют хорошей сортировке осадочного материала и формированию однородной структуры осадков. Происхождение песчаных пород, содержащих большое количество полевых шпатов, слюд и других силикатов, глин пли обломков кремнистых пород, следует, вероятно, связывать с разрушением изверженных пли метаморфических пород, слабо выветрелых сланцев, аргиллитов и глин; материал, слагающий такие породы, либо транспортировался лишь на короткие расстояния, либо отлагался в изменчивых условиях, подобных тем, какие могли господствовать в дельтах и поймах рек. Чистые однородные песчаные породы, покрывающие сплошным чехлом обширные пространства, иногда называются покровными; песчаные породы, содержащие значительную примесь глинистого, сланцевого

¹К аркозам относятся «песчаники, содержащие 25% или более полевых шпатов и образовавшиеся в результате разрушения кислых изверженных пород грапитоидной структуры» (Bull. 98, Committee on Sedimentation, Nat. Research Council, 1935).

или какого-нибудь иного материала, называются илистыми или загрязненными, а если они включают также обломки других пород ‑ граувакками. На фиг. 3-4 схематически изображается разнообразный состав и характер граувакк. Породы-коллекторы грауваккового состава известны в районе Брадфорд на территории штата Пенсильвания и на побережье Мексиканского залива в штатах Техас и Луизиана [6].

По сравнению с другими типами коллекторов песчаные породы содержат наибольшее число промышленных залежей углеводородов. В то же время по общей добыче и суммарным запасам углеводородов песчаные породы, вероятно, уступают карбонатным коллекторам. Можно было бы привести

Фиг. 3-4. Схематический разрез граувакки (увеличено в 125 раз), показывающий сложный характер пористости и минерального состава «загрязненного» песка (Кrуninе, Journ. Geol, 56, p. 153, Fig. 13, 1948).

1 ‑ поровое пространство; 2 ‑ кварц; 3 ‑ кремень; 4 ‑ слюда; 5 ‑ карбонат; 6 ‑ обломки кварцита; 7 ‑ обломки филлита; 8 ‑ «глинистый» материал; 9 ‑ иллит, замещающий кварц.

тысячи примеров различных залежей, связанных с печаными коллекторами, но мы ограничимся лишь несколькими общими ссылками, которые приводим ниже.

Песчаные породы третичного возраста содержат большинство залежей нефти в Калифорнии [7], а также в провинции Галф-Кост в пределах штатов Техас и Луизиана [8]; значительная часть залежей связана с одновозрастными песчаными породами в Венесуэле [9].

Песчаные породы мелового возраста отличаются высокой продуктивностью на месторождении Бурган в Кувейте (Юго-Западная Азия), вероятно являющемся крупнейшим в мире. Мощность продуктивных песчаных пород достигает здесь 800 футов (240 м) при общей мощности разреза песчаной толщи около 1100 футов (335 м), а залежь приурочена к крупной антиклинальной складке [10]. Почти все залежи нефти в районах Баку, Майкопа и Грозного на Кавказе в СССР, относящиеся к богатейшим нефтегазоносным территориям земного шара, связаны с песчаными коллекторами [11]. Нефтяная залежь месторождения Ист-Тексас, крупнейшая в США, заключена в песчаниках Вудбайн, залегающих у подошвы верхнего мела. Структурная карта и разрез этой залежи приведены на фиг. 8-3, а ее местонахождение ‑ на фиг. 10-17.

Песчаники палеозойского возраста являются коллекторами в большом числе залежей, распространенных в пределах восточной части Мид-Континента и в Скалистых горах в США. Песчаные породы девонского возраста на месторождении Брадфорд в Пенсильвании благодаря весьма успешному применению методов вторичной разработки [12] являются, вероятно, наиболее детально изученными на всем земном шаре коллекторами нефти и газа, Карта района этого месторождения приведена на фиг. 7-17. Песчаники «Уилкокс» и Симпсон (средний ордовик) Мид-Континента, штаты Канзас и Оклахома, относятся к наиболее чистым песчаным коллекторам и характеризуются высоким процентным содержанием округлых матовых песчаных зерен. Основная добыча нефти на месторождении Оклахома-Сити ведется из песчаников Симпсон. Карта этого месторождения и окружающих районов показана на фиг. 14-6 и 14-7.

К распространенному типу коллекторов относятся конгломераты, гравелиты и другие грубообломочные отложения, состоящие преимущественно из кремнезема и силикатов. В большинстве случаев они образуют линзовидные тела, заключенные в более мелкозернистых и более однородных осадках того же состава (например, кварцевые гравелиты и конгломераты, переслаивающиеся с кварцевыми песчаниками и граувакками в разрезе девона, северо-западной Пенсильвании [13]). На месторождении Хейнсвилл в Луизиане [14] имеется ряд скважин, отличающихся исключительно высокой продуктивностью благодаря высокой проницаемости коллекторов, представленных крупными линзами грубообломочного (с гальками диаметром до двух дюймов), слабо сцементированного конгломерата и гравелита. Высоко продуктивный песчаный коллекторский пласт Биг-Инджен («Большой индеец») в восточном Огайо и на западе Западной Виргинии, имеющий нижнемиссисппский возраст, представляет собой массивный, крупнозернистый конгломератовый песчаник с косой слоистостью; там, где эта толща уменьшается в мощности и сложена обычным более мелкозернистым песчаником, она дает только воду [15].

Базальные конгломераты пенсильванского возраста, состоящие из окатанных галек и валунов миссисипских кремнистых сланцев, являются коллекторами в большом числе залежей Канзаса [16]; базальный конгломерат, сложенный в основном обломками аспидных сланцев, образует коллектор на месторождении Плайя-дель-Рей в Калифорнии [17]. На обширной территории на севере месторождения Ист-Тексас часть продуктивной зоны представлена пластом конгломерата и гравелита, входящим в состав продуктивной формации Вудбайн (верхний мел), которая сложена главным образом обычными песчаными и глинистыми породами и вулканическим пеплом [18].

Структура и минеральный состав большинства песчаных коллекторов изменяются как по разрезу, так и по плошали. Например, песчаные линзы иди пачки песчаных пород, переслаивающиеся с глинистыми породами и алевролитами, могут на первый взгляд без всяких причин увеличиваться иди уменьшаться в мощности, обогащаться глинистым материалом или очищаться от примесей. Эти песчаные линзы могут иметь небольшие размеры и бить целиком заполненными нефтью пли газом, т.е. быть не только коллектором, но и ловушкой. В других случаях песчаные породы распространены на обширных территориях и содержат много залежей, приуроченных к участкам, характеризующимся благоприятными условиями для образования ловушек. Изменение проницаемости продуктивной формации в латеральном направлении вплоть до полной ее потери ограничивает или вообще останавливает какую-либо миграцию углеводородов. Следовательно, латеральные изменения структурных особенностей и минерального состава коллекторской толщи являются благоприятным фактором, поскольку в такой толще залежи углеводородов могут образовываться независимо от того, деформирована она или нет.

Можно привести много примеров резкого изменения свойств песчаных коллекторов в латеральном направлении. Особенно это характерно для третичных отложений, которые обнаруживают многочисленные неожиданные латеральные изменения почти на всех площадях, где они продуктивны. Песчаные породы то выклиниваются, то вновь появляются в разрезах и, как правило, характеризуются косой слоистостью; формы песчаных тел в плане также разнообразны: они либо имеют удлиненные и извилистые контуры, либо образуют обширные поля неправильных очертаний. Почти все третичные коллекторы Румынии и Кавказско-Апшеронской провинции СССР, например, отличаются быстрой латеральной изменчивостью, замещением чистых песчаных пород алевритистыми и глинистыми; их распространение часто ограничивается отрицательными формами древнего эрозионного рельефа (промоины и русла), в широких пределах изменяется и их гранулометрический состав¹. Многие песчаные толщи пенсильванского возраста Аппалачей, Иллинойса и Мид-Континента также испытывают резкие и неожиданные изменения в плане. Верхнемеловые продуктивные песчаные толщи Скалистых гор изменяются на коротких дистанциях и замещаются другими разностями то в нижней части разреза, то в верхней. В бассейне Вентура (Калифорния), богатейшей нефтегазоносной провинции, третичные отложения на протяжении всего нескольких миль в пределах прогиба или узкого пояса длиной 50 миль увеличивают свою мощность до 40 000 футов; их резкая по разрезу и по площади изменчивость подверглась детальным исследованиям [19]. Резкая латеральная изменчивость пород затрудняет или даже делает невозможной корреляцию коллекторских пластов. Даже в тех случаях, когда в нашем распоряжении имеются многочисленные данные изучения керна и электрокаротажных диаграмм, сведения о пластовых давлениях и продуктивности скважин, а также палеонтологические определения, для проведения сколько-либо надежной корреляции коллекторских пластов требуется бурение большого числа скважин. Но и после этого корреляция может быть применена только к значительно более крупным единицам разреза, чем формации или отдельные песчаные пласты.

Природу изменчивости древних отложений можно представить, но крайней мере частично, если изучать осадки, формирующиеся на дне морей и океанов в настоящее время [20]. Древние осадочные отложения, подобно современным, по-видимому, располагались зонами и концентрическими поясами вокруг участков акваторий, характеризовавшихся океаническими глубинами. Характер отложений, накапливавшихся в каждой из этих зон, определялся такими факторами, как глубина воды, расстояние от берега, направление и сила океанических течений, биологическая и биохимическая обстановка осадконакопления, а также состав материала, приносимого реками. В сущности те или иные отложения представляют собой результат суммарного воздействия на исходный осадочный материал таких процессов, как выветривание, перенос, осаждение и диагенез.

Ближайшая к берегу зона осадконакопления, прибрежная или литоральная, известная еще как неритовая область (глубина воды от 0 до 600 футов, 0-180 м), характеризуется большим разнообразием типов осадков. В ней накапливаются крупно- и мелкозернистые пески, алевриты, ракушечники, слоистые и неслоистые осадки; все они испытывают резкие изменения структуры и состава как по разрезу, так и в латеральном направлении. Активность химических и биохимических процессов здесь достигает максимума, в связи с чем глинисто-песчаные отложения часто могут переслаиваться с обломочными образованиями, состоящими из остатков организмов. Большинство песчаных коллекторов, очевидно, было сформировано в изменчивых условиях этой прибрежной зоны. Чередование трансгрессий и регрессий моря приводило к слиянию отдельных песчаных горизонтов в единое тело, переработке и переотложению

¹Однако в этих толщах имеются пласты, отличающиеся исключительным постоянством структуры и состава на значительных расстояниях, например отдельные пласты верхнего отдела продуктивной толщи Азербайджана, чокракско-караганские слои района Грозного и т.д. ‑ Прим. ред.

различных осадков и периодической смене морских условий осадконакопления континентальными. Особенно характерны подобные условия осадкообразования для пород-коллекторов третичного возраста, развитых по обрамлению Карибского моря и Мексиканского залива, в Индонезии, а также на территории СССР и на Среднем Востоке.

Рукава речных дельт и эрозионные желоба приливно-отливных зон могут заполняться песком и другим кластическим материалом, в результате чего образуются разветвляющиеся песчаные тела рукавообразной формы в глинистых отложениях. Отдельные рукава могут сливаться воедино, образуя пятнообразные скопления песчаного материала или непрерывные песчаные горизонты, занимающие значительные по размерам территории [21]. Песчаные отложения, связанные в своем распространении с рукавами речной дельты, показаны на фиг. 3-5, представляющей собой карту равных потенциалов продуктивности песчаного пласта Буч (пенсильваний) месторождения Хокинс в Оклахоме. Изолинии карты отражают распределение на площади залежи скважин, характеризующихся высокими начальными дебитами, в связи с чем эти изолинии можно также рассматривать в качестве приблизительных контуров распространения песчаных пород, отличающихся повышенной проницаемостью (см. также фиг. 13-5).

В сторону моря прибрежная зона постепенно сменяется зоной глинистых илов, которой свойственны более устойчивые условия осадконакопления, ‑ так называемой батиальной областью (глубина воды 600-6000 футов, 180-1800 м); последняя в свою очередь также постепенно переходит в пелагическую зону известковистых и кремнистых зоогенных илов и красных глин, занимающую глубокие океанические впадины, ‑ абиссальную область с глубинами от 6000 до 30 000 футов (1800-9000 м). Границы между описанными зонами местами могут быть резкими, но чаще они нечеткие¹.

Происхождение крупнозернистых неотсортированных кластических осадков, чередующихся с однородными тонкозернистыми отложениями и благодаря этому образующих своеобразную градационную слоистость, по-видимому, обусловлено развитием подводных оползней или мутьевых потоков (турбидных течений), которые выносят осадочный материал, накапливающийся первоначально в прибрежно-морской обстановке, далеко в океан. Такие отложения называют турбидитами. Причиной возникновения турбидных течений могли служить обвалы и подводные оползни в прибрежной зоне. Захваченный этими течениями грубый материал проносился затем над отложенными ранее осадками, не нарушая их кровли, и в конце концов осаждался в обстановке, совершенно отличной и не имеющей ничего общего с той исходной зоной осадкообразования, где он первоначально накапливался и откуда началось его перемещение [22]. Подобные явления иногда приобретают огромный размах, в чем можно было убедиться на примере землетрясения 1929 г., происшедшего в районе Большой Ньюфаундлендской банки в Атлантическом океане [23]. Осадочный материал, сорванный с материкового склона, был перемещен на расстояние свыше 450 миль (720 км) от края материкового шельфа в пределы абиссальной океанической равнины, где во многих местах были порваны уложенные на дне телеграфные кабели. По подсчетам Кюнена [24] объем массы переместившегося осадочного материала оценивается в 100 км³, мощность ‑ в 270 м, ширина ‑ в 350 км, а дистанция переноса от места первоначального отложения превышает 1000 миль (1600 км). Таким образом, присутствие в разрезе грубозернистых, плохо отсортированных отложений не всегда является свидетельством прибрежных условий осадконакопления.

¹Эта картина слишком обобщена. Результаты исследования современных осадков показывают, что благодаря воздействию течений крупнозернистые осадки могут накапливаться на глубинах свыше 4000 м. ‑ Прим. ред.

Большинство кремней состоит из халцедона (кварцевых волокон, разделенных пленками опала) с некоторой примесью другого материала, например кварцевых зерен. Типичные чистые кремни обладают массивной плотной структурой, тусклым восковым блеском и раковистым изломом. Для названия пород, содержащих кремень в смеси с осадочным материалом иного состава, используются такие термины, как кремнистый сланец, кремнистый известняк, кремнистый доломит, кремнистый песчаник. Все они могут быть коллекторами нефти и газа. Некоторые из них обнаруживают постепенные переходы в новакулит или порцелланит, породы, в которых преобладает кремнезем. В ряде мест коллекторы сложены обломочными кремнями, образовавшимися в результате выветривания кремнистых пород

Фиг. 3-6. Схема, показывающая характер постепенного перехода между кремнистой породой в первичном залегании, выветрелой кремнистой породой и переотложенным кремнем. Каждая из этих пород или все породы вместе могут оказаться одной из залегающих в ней глыб. Вскрытие при разбуривании аркозовой толщи невыветрелого гранита может послужить причиной преждевременной остановки скважины из-за неправильного предположения о достижении коренных пород

а ‑ глинистая порода; б ‑ переотложенный кремень; в ‑ выветрелая кремнистая порода; г ‑ кремнистый известняк.

Фиг. 3-7. Схема, показывающая характер постепенного перехода между свежим гранитом, выветрелым гранитом и переработанной гранитной россыпью (аркозом).

Вскрытие при разбуривании аркозовой толщи одной из залегающей в ней глыб невыветрелого гранита может послужить причиной преждевременной остановки скважины из-за неправильного предположения о достижении коренных пород гранитного основания.

а ‑ глинистые породы; б ‑ аркозы с глыбами невыветрелого гранита; в ‑ выветрелый гранит; г ‑ свежий гранит.

и оставшимися на месте в виде остаточного материала, либо перенесенными и переотложенными в виде обломков кремня на некотором удалении от местонахождения исходных пород. Иногда слои переотложенных обломочных кремней, особенно вторично сцементированных кремнеземом, трудно отличить от подстилающих химически осажденных кремнистых образований или от кремневого элювия, образовавшихся в результате выветривания окружающих исходных пород и не претерпевших транспортировки. Взаимоотношения этих типов кремнистых образований показаны на фиг. 3-6. Обломочный кремень, за которым закрепилось название «чет» («chat») образует коллектор в пенсильванском базальном конгломерате Суй в Канзасе [25]; он сложен валунами и более мелкими обломками кремня, заключенными в красных глинах. Эта толща несогласно залегает на подстилающем «известняке» миссисипского возраста, сильно окремненном в своей верхней части и, вероятно, послужившем исходным материалом для образования обломочных кремней коллектора. Верхние слои миссиссипской известняковой толщи выветрелы, разбиты трещинами, окремнены и сильно напоминают материал обломочной части вышележащей породы особенно если сравнивать их шлам из буровых скважин.

Во многих песчаных коллекторах в различных количествах присутствуют полевые шпаты. С увеличением содержания последних порода переходит в аркозы, или «перемытые граниты». Как и в случае с обломочными кремневыми отложениями, аркозы иногда бывают трудно отличимы от подстилающих коренных гранитов, из которых они образовались (фиг. 3-7). Свежие граниты можно отличить от выветрелых разностей по значениям магнитной восприимчивости обломков выбуренной породы. Магнитная восприимчивость не измененных выветриванием гранитов обычно в сотни и даже несколько тысяч раз превышает восприимчивость выветрелых разностей [26]. Невыветрелые и выветрелые граниты различаются также по величине остаточной намагниченности, которая у первых намного выше, чем у вторых.

Фиг. 3-8. Разрез погребенного свода Амарильо в районе Панхандл, Техас (Соtner., Сrum, Geology of Natural Gas, Am. Assoc. Petrol. Geol., p. 388, Fig. 2, 1935).

Обломочный материал сносился с узкого горного поднятия длиной в несколько сот миль и отлагался в пенсильванско-раннепермском морском бассейне вдоль северного склона этого хребта. Гранитное ядро было затем также перекрыто осадками, после чего на его территории вновь произошло складкообразование, возникли разломы и началась эрозия. В конечном итоге здесь сформировалась единая непрерывная зона пористых пород протяженностью в 125 миль, образовавшая ловушку, которая заключает в себе более 875 млрд. м³ природного газа и свыше 160 млн. м³ извлекаемой нефти. Коллекторами являются кора выветривания гранитов, аркозы, пески, известняки и доломиты. Водонефтяной контакт имеет почти одинаковую отметку на всем месторождении, для которого к тому же характерно пониженное пластовое давление. Это одна из многочисленных залежей нефти и газа, связанных с погребенными горами Уичито и сводом Амарильо.

1 ‑ солевая толща; 2 ‑ ангидритовая толща; 3 ‑ доломитовая толща; 4 ‑ выветрелые граниты; 5 ‑ граниты; 6 ‑ толща серых известняков; 7 ‑ кора выветривания гранитов.

Весьма показательны условия залегания продуктивных аркозов или «перемытого гранита» на месторождении Панхандл в Техасе. Нижняя их часть ‑ «перемытые граниты» ‑ к подошве все более обогащается валунами и обломками свежих гранитов, пока, наконец, местами не становится почти неотличимой от подстилающего ее коренного гранитного массива [27]. Аркозовая коллекторская толща имеет пенсильванско-пермский возраст, а породы гранитного основания относятся, очевидно, к докембрию. Геологический разрез района месторождения Панхандл показан на фиг. 3-8.

Аркозовые коллекторы, содержащие свежие или слабо выветрелые полевые шпаты, свидетельствуют о том, что поблизости во время их формирования происходили горообразование, дизъюнктивно-блоковые движения или какие-либо иные интенсивные деформации. Очевидно, граниты фундамента были в это время выведены на дневную поверхность, а вокруг, выклиниваясь к их вершинам, очевидно, накапливались осадки, содержащие аркозовый материал. Последний, вероятно, интенсивно смывался с гранитных массивов и на близком расстоянии от них захоронялся, не подвергаясь сильному выветриванию. Еще более важным является то обстоятельство, что развивающийся диастрофизм вызывал возникновение крупных угловых несогласий, несогласных перекрытий, образование складок и сбросов, т.е. создавал условия, благоприятствующие формированию ловушек, способных вмещать крупные залежи нефти и газа. Примером могут служить аркозовые породы пенсильванского и пермского возраста южной и западной Оклахомы, а также месторождения Панхандл в Техасе. Аркозы здесь лишены глинистой примеси и выветрелого обломочного материала, состоят из смеси кварца, полевых шпатов и слюд, обладающей проницаемостью и поэтому представляют собой особенно хорошие коллекторы. Про такие аркозы говорят, что они хорошо «очищены» или «просеяны». Многие аркозы, однако, настолько загрязняются выветрелыми обломками, что становятся почти непроницаемыми.

Глины

Глины имеют большое значение в геологии нефти и газа. Они присутствуют в различных количествах в большинстве коллекторов, определяют в значительной мере изменение пористости и проницаемости пород и оказывают сильное влияние на нефте- и газоотдачу последних. Особое влияние оказывают глины на приемистость скважин при нагнетании воды в пласт с целью поддержания в нем высокого давления в процессе вторичной разработки залежи. Сжимаемость и уплотняемость осадков обусловливается преимущественно вытеснением воды из глинистых минералов; высокая минерализация вод нефтяных месторождений, вероятно, в значительной степени объясняется освобождением солей, адсорбированных глинистыми минералами; глины служат основным компонентом большинства буровых растворов. В последнее время появилось много новых исследований, посвященных глинам, что должно привлечь к ним еще большее внимание. Читатель, интересующийся вопросами о роли глин и глинистых минералов в геологии нефти и газа, а также о влиянии их на условия добычи последних, отсылается к работам, посвященным этим проблемам [28].

Глинистые минералы¹ входят в состав почти всех коллекторских пород. Они могут присутствовать в них в виде отдельных частиц, рассеянных среди песчаных зерен, заполнять пустоты между ними, образуя цемент, или слагать тонкие прослойки, чередующиеся со слоями песчаных либо карбонатных порол. Поскольку многие глинистые минералы характеризуются пластинчатым габитусом, достаточно небольшого содержания их в осадке, чтобы поверхность песчаных зерен оказалась покрытой тонкой глинистой пленкой. Поэтому даже относительно незначительные количества глин в породе могут оказывать необычайно сильное влияние на такие ее физико-химические свойства, как связанность, адсорбция, поверхностное натяжение на границах раздела фаз капиллярность и смачиваемость. Одни глинистые минералы являются олеофильнымп. другие ‑ гидрофильными.

На хемогенные породы-коллекторы присутствие глинистых минералов оказывает в общем столь же сильное влияние, что и на обломочные. В карбонатных породах глины распространены либо в виде налетов по плоскостям наслоения, лпбо в виде тонких пропластков [29]. И те и другие могут быть сложены коагулированным коллоидным глинистым материалом, привнесенным в бассейн седиментации, поскольку глинистое вещество обычно легко коагулирует (т.е. собирается в небольшое рыхлые агрегаты или хлопья) при соприкосновении с морской водой. Коллоидное глинистое вещество

¹Основными глинистыми минералами являются каолинит [(OH)₈Al₄Si₄O₁₀], иллит [(OH)₄K_y(Al₄Fe₄Mg₄Mg₆) (Si_8-yAl_y)О₂₀] (y = 1-5) и монтмориллонит [(OH)₄Al₄Si₈О₂₀] (по Гриму [28]).

может заполнять также полости стилолитов, структур, широко развитых в карбонатных породах. Все основные известняковые и доломитовые формации палеозоя в Иллинойсе, например, содержат глинистый материал, причем в большинстве случаев в виде иллита, но частично также в виде каолинита. Иллит считается аутигенным минералом (образующимся на месте), поскольку он неустойчив в условиях выветривания и в зоне гипергенеза легко переходит в другие минеральные новообразования. Каолинит, возможно, является обломочным.

Анализы глин рентгеновским, оптическим и электронно-микроскопическим методами показывают, что они состоят из агрегатов мельчайших кристаллических частиц глинистых минералов, которые обычно имеют пластинчатую или чешуйчатую форму. Самые мелкие частицы состоят из одного кристалла, более крупные могут быть представлены группами сочлененных кристаллов. Кристаллы состоят из так называемых структурных узлов (building units), которые в свою очередь образуют атомные решетки или слои молекул и являются почти идентичными.

Важное значение глин при изучении коллекторов определяется двумя факторами: 1) мельчайшими размерами отдельных кристаллических частиц, многие из которых не превышают в диаметре 2 мк, а некоторые наиболее активные ‑ 0,2 мк; 2) химической и физической активностью глинистых минералов, особенно представителей группы монтмориллонита. Малый размер частиц обусловливает соответственно большую удельную поверхность глин, чем объясняется высокая поверхностная активность глинистого вещества, присутствующего в коллекторском пласте. Химическая активность глинистых минералов определяется главным образом наличием в них слабо связанных и способных к обмену катионов, или явлением ионного обмена, т. е. замещением ионов раствора ионами твердой фазы при их соприкосновении. В результате ионного обмена изменяются свойства как раствора, так и твердой фазы. Способность осадочных пород, включая коллекторы, к ионному обмену связана в основном с присутствием в них глинистого материала [31].

Физическая активность глинистых минералов определяется особенностями строения их решетки, а именно слоеподобной, напоминающей меха аккордеона их молекулярной структурой. Такое строение решетки глинистых минералов допускает проникновение воды в межслоевое пространство молекул, вследствие чего существенно изменяется их объем. Это обеспечивает гидродинамическое единство даже достаточно мощных толщ тонкодисперсных глинистых пород и позволяет рассматривать их в качестве полупроницаемых мембран. По существу это значит, что могут возникать значительные градиенты гидростатического давления, направленные поперек слоистости, в результате осмотических явлений, которые вызываются различиями в минерализации пластовых вод, содержащихся в отложениях, залегающих ниже и выше глинистой толщи.

Глины, обладающие хорошо развитой сланцеватостью, т.е. способностью расщепляться на пластинки, называются глинистыми сланцами. Обычно сланцы не считаются коллекторами, но в некоторых местах из них добывали значительные количества нефти и газа, очевидно содержавшихся в трещинах отдельности и в виде пленок вдоль плоскостей напластования. Например, залежь Флоренс в Колорадо [32] обнаружена в сланцах мелового возраста; кроме того, газовые залежи открыты в пенсильванских сланцах Чероки на территории восточного Канзаса [33] и в миссисипско-девонских сланцах Чаттануга в восточном Кентукки [34]. Промышленные запасы нефти были обнаружены в сланцах, перекрывающих основной продуктивный песчаный горизонт на месторождениях Солт-Крпк и Тоу-Крик в Вайоминге, в сланцах, залегающих на нефтеносной формации Рейнджли в Колорадо (Davis, устное сообщение), а также в сланцах и известняках западнее озера Маракайбо в Венесуэле. Большие количества нефти были добыты на месторождении Санта-Мария, Калифорния [35], где коллекторами являются в основном кремнистые сланцы, а также из песчанистых кремнистых сланцев зоны Стивенс на месторождении Элк-Хиллс, Калифорния [36], и из глинистых и песчанистых сланцев и алевритов на месторождении Спраберри, Техас [37].

Важную хотя и незначительную часть продуктивных песчаных пород составляет вулканический пепел. Подобно глинистым минералам, вулканический пепел уменьшает проницаемость породы-коллектора. Большое количество вулканического пепла содержится в продуктивном песчанике Вудбайн на месторождении Ист-Тексас [18]: суммарное содержание глинистых частиц и вулканического пепла в продуктивной толще колеблется от 30% в северной части залежи до 70 % на отдельных участках ее южной части. Переслаивание песчаников, глинистых пород и вулканического пепла, а также латеральные изменения их относительного содержания в продуктивной толще чрезвычайно затрудняют ее корреляцию в разрезах скважин.