Первичная, или межзерновая, пористость

Эта пористость иногда называется первоначальной (original) в связи с тем, что она возникает вместе с отложением осадков. Песок является проницаемой породой с первичной пористостью. К менее проницаемым средам относятся глинистые, карбонатные и кристаллические породы. Характер первичной пористости определяется структурой порового пространства, формой пор, степенью их сообщаемости между собой и распределением в пласте осадочной породы [18].

Термин «упаковка» характеризует способ взаимного сочленения минеральных частиц обломочной породы [19]. Первичная пористость породы в значительной мере зависит от характера упаковки частиц, который в свою очередь контролируется, кроме всего прочего, степенью однородности размеров обломочных зерен. Если бы все зерна песчаника представляли собой правильные сферы одинакового размера, то его пористость колебалась бы от 47,6% при кубической до 25,9% при ромбоэдрической упаковке сферических зерен, а среднее значение пористости такого песчаника составляло бы 36,7% (фиг. 4-7). Пористость агрегата единообразно упакованных сферических зерен теоретически не зависит от их размера при условии, что он одинаков для всех частиц. Таким образом, песок, сложенный однородными округлыми крупными зернами, будет иметь такую же пористость, что и песок, сложенный однородными округлыми, но мелкими зернами, если в обоих

Фиг. 4-7. Сравнение величины пористости при кубической (слева) и ромбоэдрической упаковке сферических зерен (Gratоn, Journ. Geol., 43, p. 800, Fig. 5, 1953).

будет одинаковым тип упаковки. Однако в действительности полной гранулометрической однородности в обломочных породах-коллекторах никогда не бывает, поскольку известно, что пористость песчаников обычно составляет около 20%. Поры между крупными зернами, как правило, заполняются более мелкими частицами основной массы. В конечном счете порода занимает минимально возможный объем, ибо обычные седиментационные процессы, такие, как деятельность волн и течений, взмучивают и сортируют частицы, пока при данном гранулометрическом составе и форме частиц не достигается наиболее плотная их упаковка.

Наибольшая гранулометрическая однородность свойственна обломочным породам, сложенным хорошо отсортированными и окатанными песчаными зернами или оолитами. Частицы, слагающие тонкодисперные обломочные породы, обычно менее хорошо окатаны по сравнению с частицами более грубозернистых пород, так как природные процессы окатывания не могут эффективно воздействовать на очень мелкие частицы [20]. В гранулометрическп однородных породах чем меньше размер зерен, тем выше пористость; это обусловлено трением, сцеплением частиц и образованием ими перемычек - явлениями, которые более присущи зернам меньшего размера, обладающим большей удельной поверхностью [21]. Форма частиц обломочных пород изменяется от округлой до угловатой, уплощенной и пластинчатой, а их размер ‑ от очень крупных до мелких и даже коллоидных. Столь же широко варьирует количество цементирующего материала, заполняющего прмежутки между зернами. Таким образом, пористость обычной обломочной породы представляет собой результат комбинации таких переменных параметров, как размер и форма зерен, сортировка, упаковка, а также характер и количество цементирующего материала. Пористость резко снижается с добавлением тонких частиц основной массы, которые заполняют поровое пространство. Многие менее значительные изменения пористости и проницаемостп, происходящие в обычном коллекторе обломочного происхождения, связаны с изменениями условий осадконакопления, к которым: минеральные частицы весьма чувствительны.

Пористость большинства песчаных коллекторов является преимущественно первичной. В пластах с очень высокой пористостью песчаные зерна обычно несцементированы и слабо связаны между собой, а потому могут захватываться и увлекаться потоком нефти, иногда в значительных количествах. Например, зерна рыхлого песка, извлекаемые вместе с нефтью из формации Уилкокс (ордовик) на месторождении Оклахома-Сити, при плотной упаковке образуют агрегат с пористостью около 3 %, тогда как пористость консолидированных пород того же месторождения, судя по данным исследования керна, составляет в среднем 16 % [22]. Крайне низкая пористость обломочных пород чаще всего связана с заилением песчаного материала, неоднородностью гранулометрического состава, высоким содержанием основной массы, а иногда и плотной цементацией слагающих породу частиц ‑ кремнеземом, кальцитом или доломитом.

Условия, контролирующие проницаемость, в значительной мере отличаются от тех, которые определяют пористость [23]. К числу геологических факторов, влияющих на проницаемость возможных пород-коллекторов, можно отнести следующие:

1. Температура¹. С повышением температуры понижается вязкость жидкостей, а проницаемость изменяется обратно пропорционально последней.

2. Гидравлический градиент. Скорость течения флюида прямо пропорциональна гидравлическому градиенту. Вероятно, при достаточно высоком перепаде давлений и низкой вязкости жидкостей в какой-то степени проницаемы любые породы. Однако мы имеем в основном дело с низкими градиентами, большей частью составляющими в среднем менее 50 фунт/кв. дюйм (3 5 кг /см²) и редко превышающими 500 фунт/кв. дюйм (35 кг/см ) на милю.

3. Форма зерен и упаковка. Установлено, что при неоднородном гранулометрическом составе проницаемость пород тем выше, чем больше форма зерен отклоняется от правильной сферической. Так, проницаемость песчаных пород состоящих из угловатых зерен, выше проницаемости тех же пород, сложенных преимущественно сферическими зернами аналогичных размеров, что обусловлено менее плотной упаковкой угловатых зерен и образованием ими перемычек. Породы, сложенные главным образом уплощенными или пластинчатыми (наподобие листочков слюды) частицами, а также кристаллами игольчатой формы, обладают рыхлой упаковкой, характеризуются высокой пористостью и, как правило, имеют хорошую проницаемость. И хотя в данном случае с уменьшением размера зерен пористость пород возрастает относительная проницаемость понижается, что объясняется увеличением извилистости поровых каналов и повышением капиллярного давления, вызывающими более высокое насыщение пород смачивающими жидкостями.

Уплотнение и цементация пород уменьшают их проницаемость, связанную с первичной пористостью, в то время как появление каналов растворения увеличивают ее. Наличие трещин, разрывов, поверхностей отдельности и особенно поверхностей напластования значительно повышает проницаемость пород благодаря большой площади поперечного сечения связанных с ними плоских щелей. Проницаемость меняется обратно пропорционально длине потока и, следовательно, извилистости путей миграции; поэтому любое укорочение последних ведет к увеличению проницаемости.

Карбонатные породы-коллекторы обычно в большей степени, чем песчаные характеризуются вторичной пористостью. Однако часто трудно провести различие между первичной и вторичной пористостью карбонатных пород хотя некоторые из них бесспорно обладают первичной пористостью, которая представлена такими формами, как: 1) поры внутри и между раковинами ядрами ископаемых, их обломками, остатками фораминифер и водорослей и поры в ракушнике; 2) поры между карбонатными кристаллами

¹Правильнее было бы на первое место поставить размер зерен и степень их сортировки ибо с увеличением размеров зерен и сортировки материала проницаемость в отличие от пористости резко повышается. ‑ Прим. ред.

и по плоскостям спайности внутри них ‑ это так называемая межкристаллическая пористость; 3) поры, связанные с оолитами и оолитовыми известняками; 4) поры вдоль поверхностей напластования, образующиеся в результате изменения условий седиментации, отложения глинистого и алевритового материала и, возможно, появления кристаллической структуры, отличной от таковой в основной части карбонатного пласта; 5) трещины усыхания и уплотнения, возникающие в процессе седиментации.

Некоторые диагенетические процессы продолжаются в карбонатных породах и после их литификации [24], что способствует образованию вторичной пористости. Уплотнение, цементация, растворение, перекристаллизация и доломитизация обычно протекают в диагенетическую и катагенетическую стадии преобразования карбонатных отложений. Пористость, возникающая в результате этих процессов (если она поддается выявлению), может считаться вторичной, тогда как пористость, являющаяся результатом лишь незначительного изменения первичных осадочных свойств пород, может рассматриваться как первичная. Межкристаллическая пористость может быть как

Фиг. 4-8. Шлифы известняковых пород-коллекторов, импрегнированных пластмассой, заполнившей поры (зачернены) (Stewart, Craig, Morse, Tech. Paper 3517, Trans. Am. Inst. Min. Met. Engrs., 198, pp. 93-102, 1953). Масштаб 1:100 дюймов. А ‑ рифовый тип пористости; Б ‑ первичная пористость; В ‑ точечная пористость; Г ‑ трещинная пористость.

первичной, так и вторичной, и определение ее генезиса часто весьма затруднительно. То же самое справедливо и по отношению к трещинам, которые образуются в результате вторичных деформаций, или в процессе первичного уплотнения карбонатных осадков¹. Примеры различных типов пористости в известняках показаны на фиг. 4-8.

Примерами природных резервуаров, приуроченных к карбонатным породам с первичной пористостью, могут служить линза оолитовых известняков и ракушечника на месторождении Лисбон в Луизиане [25] (см. также стр. 296: фиг. 7-26) и пенсильванская ракушечниковая толща на месторождении Тодд в западном Техасе [26] (см. стр. 295-296: фиг. 7-25 – 7-27). На Южных месторождениях Мексики нефть добывается из известняка Эль-Абра (мел). Его пористость обусловлена преимущественно наличием обломков раковин, а также полых отпечатков кораллов и различных типов моллюсков, включая рудистов, а сообщаемость пор ‑ присутствием трещин и разрывов. Внутренняя часть полых отпечатков выполнена друзами. Некоторые из этих полостей в обнажениях содержат битум (альбертит), тогда как на глубине они заполнены нефтью, газом или асфальтом [27]. Формация Эль-Абра представлена рифовым известняком, пористость которого

¹Тектонические трещины характеризуются такими особенностями, как Выдержанность по площади, пересечение зерен и органических остатков и т. д., благодаря которым их легко отличить от диагенетических и других трещин. - Прим. ред.

главным образом первичная, что является характерной особенностью многих органогенных рифов (см. также стр. 293).

Оолиты представляют собой небольшие округлые сростки, состоящие обычно из кальцита, но иногда также из кремнезема. Они образуются в результате концентрического нарастания слагающего их вещества вокруг чужеродного ядра. Диаметры оолитов колеблются от 0,25 до 2,0 мм, но чаще всего имеют размер 0,5-1,0 мм. Название «оолит», или «икряной камень», происходит от внешнего сходства их с икрой рыб. Более крупные сростки телец размером с горох называются пизолитами. С оолитами связаны два типа порового пространства. В большей части оно представлено порами между оолитами и, следовательно, сходно с межзерновой пористостью любой обломочной породы. В некоторых случаях, однако, оолиты могут быть растворены и на их месте остаются пустоты, разделенные нерастворимым материалом основной массы и цемента. Породы, сложенные исключительно оолитами с большим количеством оолитовых отпечатков, часто образуют прекрасные природные резервуары, характеризующиеся высокой пористостью и проницаемостью.

Многочисленные залежи нефти и газа связаны с природными резервуарами, приуроченными к известнякам и доломитам оолитового строения, пористость которых в основном первичная. Более 120 млн. баррелей нефти было получено из плотных бурых оолитовых известняков Смаковер (юра) на месторождении Магнолиа в округе Колумбия, штат Арканзас [28]. Пористость чистой оолитовой породы достигает почти 20 %, а ее проницаемость ‑ около 1000 миллидарси, тогда как части природного резервуара, сложенные известняками и мелом, характеризуются меньшей пористостью и проницаемостью. Ловушка представляет собой симметричную удлиненную куполовидную складку амплитудой до 270 футов, занимающую площадь около 4700 акров. В недрах южного Арканзаса широко развита состоящая из оолитовых пород формация Рейнолдс, относимая к верхней части известняков Смаковер. Это самая нижняя продуктивная толща месторождения Шулер [29], где она сложена типичными сферическими оолитами, от очень мелких до крупных, и небольшим количеством пизолитов. Оолиты слабо сцементированы, и поэтому пористость пород высока, иногда более 23 %, а в среднем составляет 16,7 %. Проницаемость по горизонтали и вертикали местами превышает 15 000 миллидарси, в среднем достигая 1176 миллидарси. На газовом месторождении Картидж в округе Панола, штат Техас (одном из крупнейших газовых месторождений США), к числу основных продуктивных горизонтов относятся известняки Аппер-Петтет (нижний мел). Это серые, содержащие ископаемые организмы, местами перекристаллизо­ванные, пористые оолитовые известняки мощностью до 32 футов, которые выклиниваются по восстанию вкрест широкой складки [30] (см. фиг. 8-4). «Песок» Мак-Клоски в бассейне Иллинойс, стратиграфический аналог выходящей на дневную поверхность формации Св. Женевьевы (верхний миссисипий), является одной из наиболее широко развитых продуктивных толщ, сложенных оолитовыми породами. Во многих залежах, связанных с этой толщей, нефть заполняет либо поры между оолитами, либо полости на месте растворившихся оолитов, а иногда и те и другие [31].

Можно привести многочисленные примеры залежей нефти и газа, когда коллекторскими породами являются известняки, обладающие как первичной, так и вторичной пористостью. Среди наиболее крупных залежей можно назвать залежь Редуотер в Альберте, Канада [32], площадь которой достигает почти 60 кв. миль. Геологические запасы нефти оцениваются здесь в 1,5 млрд. баррелей, а извлекаемые ‑ по крайней мере в 600 млн. баррелей. Коллектором являются органогенные известняки Ледюк (D-3), входящие в состав формации Вудбенд (верхний девон), причем нефть скопилась в стратиграфической ловушке вдоль линии их выклинивания по восстанию на северо-восток внутри толщи глинистых пород (см. фиг. 7-49). Известняки, слагающие биостромы, имеют эффективную пористость порядка 7 % и среднюю проницаемость около 800 миллидарси. Поровое пространство известняков составляют различно комбинирующиеся пустоты между обломками известняков, полости внутри органических остатков, трещины и межкристаллические поры. Разрез образца керна доломита, взятого на близрасположенном и аналогичном по строению месторождении Ледюк, свидетельствует о том, что и здесь в поровом пространстве коллектора наблюдается комбинация нескольких типов пористости (см. фиг. 4-13).