Осадочные породы и сопутствующие им отложения

(Слайд1G1_5)

Определение осадочных пород различными исследователями приводится по-разному. По характеристике Г.И. Теодоровича (1958) это минеральные скопления различных продуктов разрушения — делювиальных, аллювиальных и других осадков, лав, сформировавшиеся и изменявшиеся в термодинамической обстановке поверхностных частей литосферы в результате физико-химических процессов или жизнедеятельности организмов.

Осадочные породы образуются при воздействии различных экзогенных, эндогенных и отчасти космогенных сил.

Осадочные породы обычно характеризуются слоистостью, часто содержат органические остатки, иногда яснокристаллического строения при однородности минерального состава. По своему происхождению они подразделяются на три большие группы:

- обломочные,

- хемогенные,

- органогенные;

Обломочные породы могут быть как рыхлыми, так и сцементированными.

Классификация обломочных пород (по размеру обломков)

Структуры и текстуры

(Слайд1G1_6)

Свойства пород зависят не только от их минерального состава, но и от строения, которое предопределяется формой и расположением слагающих породу составных частей. Структурные и текстурные особенности пород влияют на их емкостные и фильтрационные свойства.

Под структурой горной породы понимают совокупность признаков, определяемых морфологическими особенностями отдельных составных ее частей и их пространственными взаимоотношениями (Теодорович, 1958).

Определение структурного типа породы сводится к выяснению размера и формы слагающих ее зерен. По величине преобладающих минеральных зерен среди осадочных пород различают структуры:

-

Текстуры горных пород:

а —полосчатая;

б — неоднородная;

в — флюидальная;

г — сланцеватая

Псефитовая структура свойственна грубообломочным породам, состоящим из обломков размером более 2 мм.

Псаммитовая структура характерна для песков и песчаников с размерами частиц от 0,1 до 1—2 мм. Здесь выделяются структуры:

- грубозернистая — преобладают зерна больше 1 мм;

- крупнозернистая — зерна от 1 до 0,5 мм;

- среднезернистая — зерна от 0,5 до 0,25 мм;

- мелкозернистая — зерна от 0,25 до 0,1 мм;

- разнозорнистая — зерна различных размеров.

Алевритовая структурасвойственна мелкообломочным породам с размерами частиц от 0,01 до 0,1 мм, среди которых выделяются структуры:

- крупнозернистая — преобладают зерна от 0,1до 0,05 мм;

- мелкозернистая — преобладают зерна от 0,05 до 0,01 мм.

Пелитовая структурахарактерна для тонкообломочных пород с размерами частиц 0,01 мм и менее. Здесь выделяются структуры:

микрозернистая — преобладают зерна от 0,01 до 0,001 мм;

крипто-зернистая — преобладают зерна 0,001 мм и меньше;

разнозернистая — при преобладании зерен меньше 0,01 мм встречаются зерна других размерностей.

Текстура горной породы характеризуется расположением и распределением ее составных частей. Основным текстурным признаком осадочных пород является их слоистость, которая связана как с условиями накопления осадка, так и с процессами литификации.

(Слайд1G1_611)

Слоистость чаще всего бывает горизонтальная, косая и неправильная.

Характер расположения и размещения пор в породе является текстурным признаком. В то же время пористость породы зависит и от ее структуры. Размеры и форма пор в значительной степени предопределяются размером и формой слагающих породу минеральных зерен. В соответствии с этим различают структуру порового пространства породы.

К особенностям поверхностей наслоения пластов относят своеобразные поверхности, преимущественно развитые в некоторых известняковых толщах, носящие название сутуро-стилолитовых. Они носят характер мелкобугристых (сутурных) образований или более крупных выступов (стилолитов).

Стилолитами называют вышележащего слоя, вдающиеся в виде зубцов (чаще всего размером до нескольких сантиметров) в нижележащий слой и разделенные видимой невооруженным глазом поверхностью (поверхность раздела).

Сутурами называют микрозубчатые линии, представляющие срезы мелкобугристых поверхностей.

Чаще всего сутуры связаны со стилолитами каналами, имеющими зубчатую форму.

Из нефтепромысловой практики последних лет известно, что стилолиты и соединяющие их сутуры бывают коллекторами. Поэтому их нахождение в породах может служить поисковым признаком.

Существует ряд воззрений на образование стилолитов и сутур. Наиболее полной, на наш взгляд, является гипотеза, предложенная Г.И. Теодоровичем (1958), которая предполагает три этапа формирования распространенного типа сутуро-стилолитовых поверхностей, приуроченных к определенным горизонтам карбонатных пород.

Первый этап связан с карстом затвердевающего мелководного известковистого осадка в условиях кратковременного выведения его из-под уровня воды.

Второй этап характеризуется чаще всего фиксацией начальных сутуро-стилолитовых поверхностей путем перекрытия их тонкой, обычно глинистой пленкой. В более редких случаях эти поверхности проявляются в результате затвердевания их до отложения лежащего выше известкового осадка.

Третий, основной, этап протекает длительное время в сформированных породах в процессе циркуляции вод обычно над глинистыми пленками, покрывающими сутуро-стилолитовые поверхности при растворении преимущественно нижней части вышележащего пласта известняка и эпизодическом оседании его под влиянием геостатического давления.

В то же время встречаются сутурные поверхности, отчетливо не связанные с определенными горизонтами осадочной толщи и приуроченные к зонам интенсивных тектонических напряжений. В этом случае зубчатые сутурные поверхности тектонического происхождения, по-видимому, вызваны сжатием, а трещины — растяжением пород.

Текстуры осадочных пород классифицируют по разным категориям признаков.

Л.В. Пустовалов (1940) классифицирует текстуры по типам слоистости, поверхностям наслоения, выделяет особые типы текстур ( стилолитовую, фунтиковую и др.).

(Слайд1G1_612)

М.С. Швецов (1948) рассматривает в своей классификационной схеме три основных типа текстур:

1) беспорядочную;

2) микрослоистую (включая и плойчатую);

3) флюидальную.

Кроме того, им отмечается пористая текстура, свойственная осадочным породам.

Ф. Петтиджон (Pettijohii, 1949) в классификации выделяет анорганогенные текстуры (первичные, или механические, и вторичные, или химические) и органогенные.

Н.Б. Вассоевич (1958) приводит классификацию текстур по времени их образования, увязанному со стадиями литогенеза (осадко- и породообразования).

Со стадией сингенеза (образования осадка) связаны сингенетические текстуры, возникающие в момент отложения осадка (ранний сингенез), а также в свежеотложенном осадке (поздний сингенез). К ранней стадии сингенеза относятся текстуры абиогенные (знаки ряби, слоеватость, слойчатость; ориентировка зерен, органических остатков и т.п.) и биогенные (следы жизни на поверхности дна бассейна). К поздней стадии сингенеза приурочивают трещины усыхания, возникающие в осадочных породах (глинах, известняках) при перерыве в седиментации.

С ранней стадией диагенеза (процесса преобразования осадка в породу) связаны диагенетические текстуры первого и второго родов. Текстуры первого рода возникли до захоронения осадка под слоем другого осадка. Текстуры второго рода образовались в условиях, когда данный осадок оказался покрытым новым осадком.

С поздней стадией диагенеза связаны текстуры, возникающие при завершении процесса преобразования осадка в породу. Признаками, указывающими на стадию позднего сингенеза, являются следы жизнедеятельности организмов в осадке — различного рода ходы илоедов, фукоиды.

Со стадиями сингенеза и диагенеза связаны также текстуры, вызванные подводно-оползневыми деформациями.

При позднем катагенезе (эпигенезе) вследствие повышенных давлений (более 500 am) и температур (250—300°) в породах возникают следующие текстуры: сланцеватость, кливаж; фунтиковая (конус-в-конус); стилолиты (в известняках) и др.

С кливажем и стилолитами связано развитие трещин в породах, что приводит к увеличению их проницаемости.

При метаморфизме (изменение структуры и текстуры; перекристаллизация и т. п.) образуются текстуры:

- плойчатая;

- будинаж;

- очковая.

В результате гипергенеза (выветривания) в условиях изменения породы (в основном разрыхления, гидратации, окисления) под влиянием поверхностных агентов, связанных с атмосферой и гидросферой, возникают текстуры:

- кольца выветривания;

- микрокарстовые.

Структурные и текстурные особенности пород (размеры зерен, степень их окатанности, форма, сортировка и взаиморасположение обломочного материала), минералогический состав, количественные соотношения породообразующих минералов определяются в результате исследования пород в плоскопараллельных шлифах под микроскопом.

Форма зерен пород

(Слайд1G1_7)

Обломочные зерна песчано-алевритовых пород могут обладать различной формой в зависимости от ряда причин, к которым прежде всего следует отнести механическую прочность и химическую устойчивость минерального вещества этих зерен, условия разрушения и переноса зерен (путь и условия транспортировки), а также характер их отложения в седиментационном бассейне.

Степень окатанности зерен является важным генетическим признаком. Обычно она определяется под бинокуляром. Степень окатанности обломочного материала в породе устанавливают по какому-либо минералу, предпочтительно по кварцу; размеры зерен должны быть больше 0,10 мм.

Различают три типа формы зерен пород:

- первичную,

- вторичную

- седиментационную.

Первичная форма зерен пород определяется формой минерала (его кристаллической структурой), содержащегося в материнской породе, и зависит от спайности минерала. Она может быть изометричной (гранат, часто кварц), призматической (полевые шпаты), удлиненно-призматической (роговые обманки) и пластинчатой (слюды, хлорит). Первичная форма зерен при их транспортировке изменяется сравнительно мало. В совокупности с размером и плотностью зерен она оказывает значительное влияние на сортировку обломочного материала.

Вторичная форма зерен обусловлена обрастанием (регенерацией) обломочных зерен, коррозией и деформацией первичной формы зерен (наблюдается, например, у слюдистых минералов).

Седиментационная форма зерен характеризуется степенью их окатанности, определяемой рядом методов (Батурин, 1947; Лапинекая, 1947; Преображенский, 1940; Wadell, 1935).

Форма зерен выражается двумя коэффициентами: степенью сферичности φ и степенью округленности Р.

Степень сферичности показывает, насколько форма зерна приближается к форме шара. Э. Уоделл (1935) предложил вычислять этот коэффициент по формуле

где d — диаметр круга, эквивалентного сечению зерна (его длинной стороне);

D — диаметр наименьшей окружности зерна, описанной вокруг его сечения.

Степень округленности Рвыражена формулой

где r — средний радиус кривизны углов между гранями зерна;

N — число замеров углов r;

R — радиус наибольшей окружности, вписанной в сечение зерна.

(Слайд1G1_711)

При массовых анализах форма зерен определяется глазомерно. В.К. Крумбейн и Л.Л. Слосс (1960) предлагают наглядную таблицу для визуального определения степени сферичности и округленности зерен (см. рисунок).

Зерна, характеризующиеся различными величинами

коэффициентов сферичности и округленности

(по Крумбейну и Слоссу, 1960)

(Слайд1G1_8)

Минеральные вещества, заполняющие в породе промежутки между составляющими их зернами и обломками и связывающие последние между собой, называются цементом пород.

Коллекторские свойства породы в известной степени определяются составом и структурой цементирующих веществ, но главным образом они зависят от характера взаиморасположения и количественного соотношения цемента и обломочных зерен, т. е. от текстурных элементов породы.

По минеральному составу цементы бывают полиминеральные и реже мономинеральные. Состав их очень разнообразен. Среди мономинеральных цементов наиболее широко распространены различные глинистые цементы, главная масса которых в виде тонкой терригенной мути отлагается в процессе осадконакопления одновременно с более крупными частицами породы. Менее распространены цементы хемогенного происхождения. Эти последние в переменных количествах часто присутствуют в породе наряду с глинистым материалом разного способа образования или, что отмечается реже, цементируют породу самостоятельно. Среди хемогенных цементов преобладающую роль играют карбонаты, сульфаты, окислы и гидроокислы различных элементов, накапливающиеся путем осаждения из растворов.

Современный характер минерального состава, структуры и расположения цементирующих веществ в породе в значительной мере определен направлением и интенсивностью тех процессов преобразования, которые претерпела эта порода на разных стадиях своего формирования. Известное исключение представляет глинистый материал, состав и структура которого могут сильно измениться относительно первоначального облика, но сколько-нибудь существенного перераспределения этого материала в целом, внутри порового пространства пород, обычно не наблюдается.

Влияние минералогического состава цемента на коллекторные свойства пород определяется главным образом сорбционными свойствами минералов цемента и степенью гидрофильности или гидрофобности последних.

Структуры глинистого и хемогенного цементов обладают своими специфическими особенностями и поэтому должны быть охарактеризованы раздельно. Применительно к глинистым цементам различают прежде всего такие структуры, как пелитовая и алевропелитовая, основанные на степени дисперсности материала глин. Пелитовая структура отвечает глинам с размером частиц < 0,01 мм, а алевропелитовая указывает на присутствие в них примеси тонкого алевритового материала.

(Слайд1G1_81)

Среди глинистых и хемогенных цементов выделяют многочисленные структуры, обусловленные степенью раскристаллизованности вещества или характером ориентировки отдельных его составляющих относительно обломочного материала породы. В числе структур первого типа наиболее распространены микроагрегатная, отвечающая слабо раскристаллизованному глинистому веществу, и чешуйчатая, при которой отдельные чешуйки, слагающие глинистый агрегат, хорошо различимы под микроскопом. Среди структур второго типа можно назвать такие, как пленочная (или облекания), характеризующаяся прилеганием чешуек глины к обломочным зернам базисными плоскостями; радиально-крустификационная, при которой чешуйки глинистых минералов ориентированы перпендикулярно поверхности обломочного материала, и ряд других. Хемогенные цементы могут быть аморфными и зернистыми, причем крупность зерен меняется в широких пределах, в соответствии с чем различаются разнозернистый, среднезернистый, тонкозернистый и другие типы цементов.

Нередко в породах отмечается смешанный тип цементации с развитием различных структур цементов. Структура цементов также в известной мере определяет коллекторские свойства пород. Так, состояние вещества (аморфное или кристаллическое) и крупность его составляющих влияют на сорбционные свойства породы, ориентировка угловатых зерен цемента при неплотной их упаковке влияет на фильтрационные свойства породы, а также на остаточную водонасыщенность и т. д.

Особенно большое значение при оценке емкости и проницаемости пород-коллекторов имеет текстура цементов — взаиморасположение и количественное соотношение цементирующего и обломочного материалов в породах. По этому признаку различают следующие основные типы цементов (Швецов, 1948):

-контактовый (или соприкосновения), при котором цементирующее вещество развивается только в местах контакта обломочных зерен;

- сгустковый (или пятнистый), когда материал цемента неравномерно распределен в породе в виде отдельных локальных участков;

- пленочный, когда цемент присутствует в виде тонких обволакивающих обломочные зерна слоев;

- поровый, при котором вещество цемента развивается в промежутках между соприкасающимися обломочными зернами породы,

- базальный, при котором зерна погружены в цементирующую массу, не соприкасаясь между собой.

Обычно в породах отмечаются комбинации двух или более названных типов цемента с преобладанием одного из них. Послойное изменение типов цемента часто приводит к анизотропности породы по проницаемости. Наиболее высокие коллекторские показатели при прочих равных условиях имеют породы с контактовым типом цемента, так как в этом случае максимально возможное сечение поровых каналов остается свободным для фильтрации, понижена остаточная водонасыщенность и в наименьшей степени проявляются сорбционные и гидрофильные свойства цементирующего материала. Более низкими коллекторскими показателями характеризуются породы с базальным и поровым типами цемента.

Детальное изучение состава, структурных и текстурных особенностей цементов пород необходимо для правильной оценки их коллекторских свойств.

1.5 Песчаные породы олигомиктового состава

(Слайд1G1_9)

В период орогенического покоя прибрежные равнины окаймляются мелкими замкнутыми или полузамкнутыми морями. Эрозия при этом минимальна, несмотря на то, что физическое разрушение и химическое разложение сравнительно полого залегающих пород, слагающих сушу, максимальны (см. рисунок).

Однако устойчивые минералы — кварц, турмалин, циркон и др., не подвергаясь разложению, сносятся в бассейн, где процесс отложения их происходит в условиях сравнительно ровного, но обширного континентального шельфа. Образовавшиеся на нем толщи обломочных пород небольшой мощности более чем на 90% состоят из зерен кварца, хорошо отсорти-рованных по размеру и форме. Однородные по составу пески и песчаники, слагающие эти толщи, являются основными породами-коллекторами. Они не имеют какой-либо другой связующей массы, кроме различных по содержанию карбонатного или кремнистого цементов. Небольшое изменение условий осадконакопления влечет за собой отложение глинистых толщ (см. рисунок).

В условиях образования типичной кварцеодержащей осадочной породы возможны дальнейшие изменения, в основном вторичные процессы цементации. Отдельные зерна кварца, слагающие породу, могут подвергаться вторичному обрастанию по хорошо окатанным поверхностям. Хемогенный цемент, частично заполняющий поровое пространство породы, может состоять из кремнистого вещества (халцедон, опал, вторичный кварц), а кристаллы кальцита и доломита выполнять роль цемента обломочных зерен. Различная степень цементации вызывает чередование проницаемых и непроницаемых зон и участков песчаного пласта. В породах кварцевого состава содержание тяжелой фракции, представленной устойчивыми минералами: цирконом, турмалином и др., обычно незначительно, чаще всего не более десятых долей процента.

(Слайд1G1_91)

Среди кварцевых песчаников М. С. Швецов (1948) выделяет следующие разности в зависимости от строения их цемента:

- кремнистые кварцевые песчаники, состоящие преимущественно из кварцевых зерен, сцементированных кремнистым цементом любого типа, кроме нарастания;

- песчаники — кварциты с кремнистым цементом (< 50%) типа нарастания;

- кварциты — песчаники с кремнистым цементом (>50%) типа нарастания;

- кварциты, в которых весь цемент типа нарастания.

Песчаные породы кварцевого состава широко развиты среди древнепалеозойских образований Русской и Сибирской платформ. Кембрийские кварцевые пески, содержащие 90—97% хорошо окатанных зерен кварца, известны на территории Ленинградской области (Рухин, 1939). Такой же состав имеют доживетские (бавлинская свита) и живетские песчаные породы Саратовского и Куйбышевского Поволжья.

Примерами кластических, преимущественно кварцсодержащих осадочных пород-коллекторов являются песок и кварцит Орискани (восточнопенсильванские газовые месторождения), песок Вилкокса (нефтяное месторождение Оклахома-Сити), Тенслипа, Вайоминга, Дакоты, провинции Мид-Континент, Св. Петра (Симпсои), Иллинойса и других месторождений (Пирсон, 1961).

Полевошпатово-кварцевые песчаные породы, содержащие более 60% кварца и 10—20% полевых шпатов, довольно широко распространены в платформенных областях и областях, переходных от геосинклинали к платформе. Они развиты, например, в доживетских отложениях Куйбышевского и Саратовского Поволжья. Содержание кварца в них 75—80%, полевых шпатов 15 —17%, хлоритов — 2%, слюды 1,5—2,0%. Цемент пород разнообразный по составу — каолинитовый, гидрослюдистый, карбонатный. Такой же состав имеют песчаные породы нижнекаменноугольного возраста Самарской Луки.

Полевошпатово-кварцевые песчаники, сцементированные вторичным кварцем иногда с примесью глинисто-серицитового материала и гидроокислов железа, встречаются в отложениях угленосной свиты Донецкого бассейна.

Полевошпатово-кварцевые песчаные породы, содержащие более 20% полевых шпатов и около 60% кварца, могут формироваться на платформах, вблизи источников сноса; особенно часто они накапливаются в краевых прогибах и внешней зоне геосинклинальных бассейнов. Такие породы слагают кирмакинскую свиту продуктивной толщи Апшеронского п-ва. В мелкозернистых песках, наиболее широко развитых в кирмакинской свите, содержится 20—30% алевритового и глинистого материала.

Полевошпатово-кварцевые песчаные породы являются переходной разностью от аркозов к чисто кварцевым песчаным породам.