К оглавлению

УДК 553.55:552.578.2.061.4

Влияние стилолитообразования на коллекторские свойства карбонатных пород

Н.Ю. ГРОШКОВА, В. Г. КУЗНЕЦОВ, Ю. Г. ПИМЕНОВ, В. СУХЫ (МИНХиГП)

Стилолиты как своеобразные текстуры осадочных пород были описаны еще в XVIII в., но гипотезы об условиях их образования появились в конце XIX - начале XX вв. В настоящее время интерес к ним геологов-нефтяников вновь усилился, поскольку выявлено широкое развитие их в нефтегазоносных отложениях ряда важных районов - Северном Предкавказье, Персидском заливе, Северном море, Прикаспийской впадине и др.

Авторы настоящей статьи исследовали стилолиты верхнемеловых пород Баргустанского хребта в Центральном Предкавказье и карбона-перми в Прикаспийской впадине (площади Жанажол, Западно-Тепловская и др.). В основном изучались постседиментационные изменения пород при стилолитообразовании и определялось влияние стилолитов на упруго-деформационные и коллекторские свойства карбонатных пород.

В настоящее время принято считать, что стилолиты образуются в результате дифференциального растворения твердой породы под давлением. Подобный процесс требует не только направленного давления, но и достаточно свободного выноса из системы стилолит - порода растворенного вещества, поэтому в условиях одинакового направленного давления стилолиты будут развиваться сначала там, где структура порового пространства породы благоприятна для более легкого удаления растворенного карбонатного материала.

Литологические исследования указанных отложений показали, что процессы стилолитизации вызывают активное изменение в прилегающих к ним зонах известняков. Это прежде всего проявляется в кальцитизации, изменении упруго-деформационных и коллекторских свойств, окремнении и трещиноватости.

Образование стилолитов ведет к растворению карбонатного материала, который выносится из системы стилолит-порода по наиболее проницаемым пластам. Вместе с тем уже в пристилолитовой зоне он попадает в иные условия, в частности в обстановку меньшего давления, где растворимость карбоната снижается и кальцит повторно осаждается в пустотах (процесс кальцитизации). Вторичная кальцитизация наиболее четко видна при микроскопических исследованиях известняков, состоящих из форменных элементов - детрита, оолитов, сгустков и др. С ней связано изменение упруго-деформационных свойств пород в пристилолитовой зоне. Для их изучения определялась скорость прохождения ультразвуковых волн (УЗВ), твердость и пластичность устанавливали методом вдавливания цилиндрического штампа. Замеры проводились непосредственно в стилолитовой поверхности и на определенных расстояниях от нее, по возможности в различно измененных кальцитизацией частях породы.

В плоских срезах известняков верхнего мела внешне однородная текстура оказалась более сложной. Выделяются светлые, почти белые мелоподобные участки и несколько более темные с фарфоровидным изломом. Форма тех и других неправильная, размеры их составляют несколько сантиметров в поперечнике. Первоначальное впечатление, что они расположены прихотливо и хаотично. Однако при более детальном изучении образцов удалось установить, что темные участки концентрируются вблизи стилолитовой поверхности вдоль стенок вертикальных стилолитовых зубцов, светлые же локализуются между зубцами на некотором удалении от них (рис. 1, а).

Участки пород белой окраски менее плотные, скорость УЗВ в них в среднем 4010 м/с. Более темные участки оказываются плотнее, скорость УЗВ в них возрастает до 4490 м/с (таблица). Они характеризуются также большей твердостью и хрупкостью, в них практически отсутствуют пластические деформации. Коэффициент пластичности для наиболее типичных случаев равен 5,2 в светлых участках и 1,47 в более темных (рис. 2). Аналогичное явление установлено по образцам Западно-Тепловского месторождения: вблизи стилолитовых швов наблюдается повышенная твердость (до 150*10⁷ Н/ м²) и пониженная пластичность породы (коэффициент пластичности не более 1,5), по мере удаления от шва твердость ее уменьшается (до 60*10⁷ Н/м²), пластичность увеличивается (2 и более), снижается также скорость прохождения УЗВ (см. рис. 1,б). При наличии двух и более расположенных рядом стилолитовых швов кальцит выпадает в максимальном количестве в промежутке между стилолитами, что приводит к сложному распределению скорости прохождения УЗВ, твердости и пластичности породы. Наиболее плотными и хрупкими становятся участки между стилолитовыми поверхностями.

Своеобразно происходит окремнение пристилолитовой зоны. Кремнезем был обнаружен в единичных случаях в известняках среднего карбона месторождения Жанажол в виде халцедона в зубцах стилолитов, а также в виде вытянутых кристаллов кварца вдоль боковой поверхности зубцов. Механизм окремнения можно представить таким образом: растворение в процессе стилолитизации карбонатного материала привело к повышению pH растворов, что повлекло за собой растворение рассеянного в породе кремнистого материала. В дальнейшем при кристаллизации кальцита из поровых вод произошло снижение pH и обратное выделение из раствора кремнезема, который локализовался в зубцах стилолитов и выпадал в виде кристаллов кварца вдоль их стенок.

Особенностью пристилолитовой зоны является и развитие здесь специфических литолого-генетических трещин двух основных направлений - субвертикальных и горизонтальных, описанных Р.А. Нельсоном [3] как трещины разрыва, более или менее параллельные зубцам стилолитов, и трещины разгрузки, перпендикулярные к ним и нередко ограниченные боковыми частями шипов. Они полые или заняты вторичным кальцитом. Можно предполагать, что появление трещин связано прежде всего с повышенной хрупкостью этих участков вследствие вторичной кальцитизации, а также пестроты и неравномерности ее проявления. Одним из возможных механизмов возникновения подобных трещин может служить естественный гидроразрыв. Освобожденная в процессе растворения карбонатного материала поровая вода повышала объем пластовых вод и увеличивала внутрипластовое давление, что привело к гидроразрыву пород в участках наибольших напряжений - в вершинах зубцов. Если первоначально породы были низкопроницаемыми, растворенный кальцит выпадал в трещинах и заполнял их, если же породы обладали хорошими фильтрационными свойствами, растворенный карбонат кальция выносился из системы стилолит-порода и трещины оставались полыми.

Таким образом, катагенетические процессы наиболее интенсивно развивались вблизи стилолитовых швов и затухали по мере удаления от них.

В проблеме влияния стилолитообразования на коллекторские свойства пород, видимо, следует различать два аспекта - коллекторские свойства, в частности проницаемость самого стилолита, или, точнее, стилолитовой поверхности, и коллекторские свойства прилегающей к ней зоны карбонатной породы.

В исследованных разрезах отложений верхнего мела проницаемость стилолитов высока, что подтверждается визуальными наблюдениями. Во-первых, по стилолитовой поверхности часто можно разъединить разделенные ею куски породы, что свидетельствует о зиянии в местах сочленения пород. Во-вторых, на стилолитовых поверхностях, на стенках шипов, в виде корок нередко наблюдаются выделения вторичного кристаллического кальцита. Кристаллизация его возможна только при наличии свободных полостей, по которым достаточно свободно фильтруются воды.

О высокой проницаемости стилолитовых поверхностей свидетельствуют также присутствие в них битумов (М.Е. Каплан, 1963 г.), внос и осаждение здесь урана (Г.И. Бушинский, 1961 г., В.И. Данчев, 1977 г.). По данным М.X. Булач (1961 г.), изучавшей отложения верхнего мела, аналогичные исследованным в настоящей работе, но расположенным восточнее, породы имеют проницаемость 0,001*10^-15 м², а трещинная проницаемость их при наличии стилолита повышается до 6,2*10^-15 м², т. е. более чем в 6 тыс. раз. Однако все это касается пород либо выведенных на дневную поверхность, либо залегающих на небольшой глубине.

При изучении стилолитов в керне глубоких скважин отмечается, что они, как правило, очень плотно сомкнуты и при насыщении образцов люминесцирующими растворами последние в них не поступают, хотя они могут проникать в полости раскрытые на 1 мкм. Такие же результаты были получены и К.И. Багринцевой [1] при изучении керна Оренбургского, Вуктылского и других месторождений.

Неоднозначно и изменение коллекторских свойств в пристилолитовой зоне. Здесь происходит снижение емкости за счет заполнения первичных пор в процессе вторичной кальцитизации, однако процесс этот неодинаков в разных по структуре породах. В микрозернистых, шламовых и других, подобных по структуре известняках с изначально невысокой проницаемостью и, как правило, мелкими порами последние заполняются кальцитом, а зона кальцитизации охватывает достаточно большую по толщине при- стилолитовую зону. В первично же высокопроницаемых породах толщина подобной зоны кальцитизации не более 10-20 мм. Вместе с тем появление хрупких участков и развитие в них связанных со стилолитообразованием трещин улучшает коллекторские свойства и, прежде всего, проницаемость. При насыщении образцов эти трещины заполняются люминофором (рис. 3); в породах из продуктивной части залежи месторождения Жанажол такие трещины заполнены нефтью, в то время как вторично кальцитизированная матрица остается ненефтенасыщенной. Исследование емкостных и фильтрационных свойств этих известняков с использованием метода люминесцентной дефектоскопии показало, что они, как правило, обладают низкой пористостью (до 2-3 %), из которой на долю трещин, развитых в пределах стилолитового шва, приходится до 50 %. Они же являются и основными путями фильтрации. Так, трещинная проницаемость известняков в направлении поперек стилолитовой поверхности не превышает 0,5*10^-15 м², а вдоль нее она обычно на порядок выше (2-5)*10^-15 м². Аналогичные, заполненные нефтью, трещины зафиксированы в породах ряда месторождений СССР Е.М. Смеховым (1974 г.), К.И. Багринцевой [1] и др.

По данным Р. А. Нельсона [3], матрица известняка месторождения Дариус в Иране с глубины 3500 м имеет пористость 3,4 %, а проницаемость менее 0,05*10^-15 м². В тех же известняках при наличии стилолитов и генетически связанных с ними трещин разрыва пористость снижается до 0,9 % (по-видимому, за счет выполнения пор примыкающей к стилолитам зоны при рекристаллизации растворенного карбоната), а проницаемость возрастает до 3,5*10^-15 м². В породах, где со стилолитами связаны трещины как разрыва, так и разгрузки пористость примерно равна первоначальной (3,4%), а проницаемость возрастает до 124,9*10^-15 м², т.е. в 2,5 тыс. раз. Таким образом, в оолитовых, органогенных, детритовых и других известняках, состоящих из форменных элементов, где первичная внутри- и межформенная пористость высока и является определяющей в создании емкости и проницаемости, уменьшение объема пор и, главное, размера фильтрующих каналов вследствие выпадения кальцита, образующегося при стилолитообразовании, резко снижает емкостные и особенно фильтрационные свойства пород. Возникновение связанных со стилолитами трещин разрыва и разгрузки хотя и ведет к появлению дополнительных путей фильтрации, но не обеспечивает восстановления первично высоких значений пористости. Наличие же в более литифицированной околостилолитовой зоне различных трещин может существенно повышать проницаемость.

Иное дело - в микрозернистых и пелитоморфных известняках. Первичная пористость их, особенно в меловой период, могла быть и велика, но размер пор мал и по мере погружения прогрессирующе сокращался, благодаря чему проницаемость становилась очень низкой и эти породы практически уже не отдавали флюида, т.е. не работали как коллектор. Детальное изучение подобных пород в пределах нефтяных месторождений показывает, что матрица даже в нефтенасыщенной части пласта содержит только поровую воду [2]. В этом случае дополнительное уменьшение размеров пор за счет выпадения вторичного кальцита существенного значения не имеет. Но появление стилолитов и генетически связанных с ними трещин создает разветвленную дренирующую сеть проводящих каналов и резко, как отмечалось выше, на три порядка и более повышает проницаемость, т.е. улучшает коллекторские свойства, а в ряде случаев, возможно, и создает промышленный коллектор.

На месторождении Жанажол был проведен анализ развития стилолитов в разрезе. Отмечаются неравномерное распределение их в разрезах I и II продуктивных карбонатных толщ (соответственно мячковский горизонт - ассельский ярус и серпуховский - башкирский ярус) и различные связи нефтенасыщенности с густотой стилолитов.

В верхней части II карбонатной толщи отмечается повышенное количество стилолитовых поверхностей (50-200 ¹/м), а ниже по разрезу густота их снижается до 1-5 1/м. Продуктивной считается нижняя часть с малым количеством стилолитов, причем, в стилолитизированных известняках, непосредственно покрывающих залежь, наблюдается проникновение нефти по зонам трещин, развитым в пределах стилолитов. Толщина таких нефтенасыщенных участков около 1-1,5 см, в пределах образца они друг с другом не взаимосвязаны.

В I продуктивной карбонатной толще распределение стилолитовых поверхностей несколько иное. Наибольшее их количество приходится на зону нефтенасыщения (до 50-120 1/м, ниже оно постепенно снижается до 10 1/м.

Приведенные данные позволяют предполагать, что ловушки заполняются нефтью как до стилолитизации (II толща), так и после нее (I толща). При этом относительно раннее появление нефти как бы тормозит вторичные процессы, генетически связанные со стилолитообразованием. Более же позднее формирование стилолитов во флюидоупоре практически не нарушает экранирующих свойств карбонатной пачки. Нефть проникает в пристилолитовые зоны в весьма ограниченных масштабах. При позднем заполнении ловушки нефтью (I толща) процессы, сопровождающие стилолитообразование, влияют на тип пустотного пространства - снижается доля пор и появляются многочисленные трещины (см. рис. 3).

Таким образом, детальное исследование стилолитов и пристилолитовых зон показало, что при процессах стилолитообразования происходят активные катагенетические превращения в пристилолитовой зоне, из них наиболее существенна вторичная пятнистая кальцитизация. Она ведет к изменениям физико-механических свойств пород, повышаются их хрупкость и склонность к трещинообразованию.

Первичные коллекторские свойства пород в пристилолитовой зоне ухудшаются, но наличие трещин, особенно параллельных швам и секущих отдельные шипы, резко увеличивает проницаемость. Это наиболее важно для пород с невысокими первичными коллекторскими свойствами.

Толщи стилолитизированных карбонатных образований латерально проницаемы для флюидов и являются флюидоупорами различного качества при вертикальной миграции. В связи с этим при разработке месторождений необходимо учитывать развитие стилолитов в пределах структур, так как по имеющимся в них трещинам внутрь залежей могут проникать подошвенные и пластовые воды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Багринцева К.И. Трещиноватость осадочных пород. М., Недра, 1982.

2. Маастрихтские отложения Восточного Ставрополья / И.И. Бурлаков, М.С. Плотников, Г.А. Полосин, Ю.Е. Старченко.- Геология нефти и газа, 1978, № 6, с. 66-70.

3. Nelson R.A. Significance of Fracture Sets associated with Stvlolite Zones.- Bull. AAPG, 1981, v. 65, N 11, p. 2417-2425.

Таблица Скорости прохождения УЗВ (м/с) в различных участках стилолитизированных известняков верхнего мела Баргустанского хребта

Номер точки	Темные (плотные) участки	Номер точки	Светлые (пористые) участки
1	4570	4	4500
7	4950	8	3860
10	4560	12	4340
В целом по образцу	4560-4950	В целом по образцу	3860-4500
	4690		4230
22	4120	20	3600
25	4270	21	3770
В целом по образцу	4120-4270	В целом по образцу	3600-3770
	4190		3680
По всем замерам	4120-4950	По всем замерам	3600-4500
	4490		4010

Примечание В числителе, пределы величин скорости УЗВ, в знаменателе - среднее арифметическое значение

Рис.1. Изменение физических свойств пород в пристилолитовой зоне.

А - керн из скв. 3 Западно-Тепловской, интервал 4295-4299 м, нижний карбон, серпуховский ярус, 1-3 - точки замера; Р_ш - твердость по штампу (10⁷ Н/м²); Кпл - коэффициент пластичности, Б - Баргустанский хребет, балка Ореховая, верхний турон, 20-22, 25 - точки замера (значение скоростей УЗВ, см. таблицу), а - положение стилолитовых швов; б - темные участки известняков

Рис. 2. Кривые деформаций светлых (1) и темных (2) участков известняков верхнего турона.

Р₀ - предел упругости (10⁷ Н/м²), Рш- твердость пород по штампу (10⁷ Н/м²)

Рис. 3. Характер пустотного пространства пристилолитовой зоны (светлое - трещины, заполненные люминофором).

Скв. 1. Синельниковская, интервал 2841-2845 м; средний карбон, мячковский горизонт