Диагенез: уплотнение, цементация и растворение

Кратко о главном

Диагенезом управляют эффективное напряжение, температура, время и состав поровых вод. У поверхности поровые воды обновляются, и вещество приносится и выносится; при погружении обмен замедляется, и система для кремнезёма и алюминия почти замкнута.
Механическое уплотнение жёстких зёрен быстро сокращает межзерновой объём — около 28 % к 1,5 км — и почти останавливается около 26 %; пластичные обломки сминаются дальше. Уплотнение задаёт наибольшее эффективное напряжение, которое порода испытала, а не нынешняя глубина: при подъёме поры не возвращаются.
Кварцевый цемент нарастает на чистую поверхность кварцевых зёрен; скорость растёт примерно в 1,7 раза на каждые 10 °C, и объём цемента задают время, проведённое в горячей зоне, площадь поверхности зёрен и доля поверхности, закрытая плёнками. Кремнезём даёт растворение под давлением на контактах зёрен и стилолитах.
Растворение полевых шпатов и карбонатов создаёт видимые в шлифе поры, но в замкнутой системе продукты — каолинит и кварц — выпадают рядом, и прибавка пористости в разы меньше объёма растворённого. Настоящая вторичная пористость — там, где растворы уносят вещество.
Карбонаты меняются раньше и сильнее песчаников: растворение арагонита, ранний цемент, растворение под давлением на небольших глубинах, доломитизация. Замещение кальцита доломитом «моль на моль» уменьшает объём твёрдой фазы почти на 13 %, но требует притока магния — сотен и тысяч объёмов пор морской воды.
Решает очерёдность: ранний цемент может спасти каркас от уплотнения, ранний приход нефти — по ряду исследований — замедлить цементацию. Прогноз строят моделями уплотнения и цементации, откалиброванными по скважинам, а не продолжением тренда.

Ключевые соотношения

\mathrm{IGV} = \mathrm{IGV}_f + (P_i - \mathrm{IGV}_f)\,e^{-\beta\sigma'}

межзерновой объём после механического уплотнения; $\sigma'$ — наибольшее эффективное напряжение

\sigma' = (G_{ob} - G_p)\,z

эффективное вертикальное напряжение по градиентам горного и порового давления

r = a\cdot 10^{bT}

скорость осаждения кварца на единицу поверхности зёрен; $T$ — °C

V_q = \phi_0\left(1 - e^{-E}\right)

объём кварцевого цемента; $E$ растёт с площадью поверхности кварца и временем в горячей зоне

\mathrm{2\,KAlSi_3O_8 + 2\,H^+ + H_2O \rightarrow Al_2Si_2O_5(OH)_4 + 4\,SiO_2 + 2\,K^+}

растворение калиевого полевого шпата с выпадением каолинита и кварца

Где чаще всего ошибаются

Считать пористость функцией нынешней глубины: уплотнение задаёт наибольшее эффективное напряжение, а кварцевый цемент — время, проведённое в тепле.
Ждать, что аномальное давление сохранит пористость кварцевого песчаника на любой глубине: оно сдерживает уплотнение, а кварцевому цементу важны температура и время.
Считать всю пористость растворения, видимую в шлифе, прибавкой: в замкнутой системе поры в основном перераспределены.
Переносить скорость цементации с одного бассейна на другой без учёта истории нагрева, размера зёрен и плёнок на них.
Путать «диагенез» англоязычных отчётов с отечественным: большая часть изменений при погружении у нас называется катагенезом.

После урока вы сможете

различать ранний диагенез, изменения при погружении и при подъёме пород и сопоставлять их с отечественными терминами — диагенез, катагенез, гипергенез;
рассчитать межзерновой объём по кривой механического уплотнения и оценить, как его меняют пластичные зёрна и аномальное поровое давление;
объяснить, как растворение под давлением и стилолиты поставляют кремнезём, и рассчитать объём кварцевого цемента по кинетической модели при заданной истории нагрева;
объяснить, почему плёнки на зёрнах, крупные зёрна и быстрое погружение сохраняют пористость, а аномальное давление спасает от уплотнения, но не от кварцевого цемента;
составить баланс объёмов при растворении полевого шпата и при доломитизации и отличить новую пористость от перераспределения пор;
описать, как восстанавливают последовательность диагенетических событий, сопоставляют её со временем прихода нефти и прогнозируют качество коллектора вдали от скважин.

Что такое диагенез: стадии, термины и движущие силы

Свежий песок на дне реки или моря — рыхлая упаковка зёрен с пористостью около 40–45 %, заполненная водой. Через десятки миллионов лет на глубине 4 км из него получается песчаник с пористостью 5–25 %, зёрна которого сжаты, частично срослись и окружены новыми минералами. Всё, что произошло между этими состояниями, кроме метаморфизма, — диагенез. Обзор того, как он меняет качество коллектора, дан в уроке о качестве коллектора; здесь разобраны сами процессы.

Удобно различать три обстановки — по тому, сообщаются ли поровые воды с поверхностью. Ранний диагенез (eodiagenesis) идёт у поверхности — обычно в первых сотнях метров, по более широкому определению до 1–2 км и примерно 70 °C, — пока поровая вода связана с водой бассейна или с подземными водами суши: здесь вещество легко приносится и выносится. Диагенез при погружении (mesodiagenesis) идёт в породе, отрезанной от поверхности: растут температура и эффективное напряжение, обмен вещества с окружением медленный. Поздние изменения при подъёме (telodiagenesis): порода, выведенная к поверхности или под несогласие, снова встречается с пресными водами.

Термины: англоязычные и отечественные

Англоязычный термин: eodiagenesis
Где и когда: у поверхности, поровые воды обновляются
Отечественный термин: диагенез

Англоязычный термин: mesodiagenesis
Где и когда: при погружении: нагрев, рост напряжения
Отечественный термин: катагенез (ранний и поздний)

Англоязычный термин: telodiagenesis
Где и когда: при подъёме и размыве, приток пресных вод
Отечественный термин: близко к гипергенезу

Англоязычный термин	Где и когда	Отечественный термин
eodiagenesis	у поверхности, поровые воды обновляются	диагенез
mesodiagenesis	при погружении: нагрев, рост напряжения	катагенез (ранний и поздний)
telodiagenesis	при подъёме и размыве, приток пресных вод	близко к гипергенезу

Соответствие приблизительное. В отечественной литологии превращение осадка в породу — диагенез, изменения породы при погружении — катагенез, а ещё глубже, на переходе к метаморфизму, — метагенез; изменения у поверхности под действием атмосферы и пресных вод — гипергенез. В англоязычной литературе вместо катагенеза говорят о поздней стадии диагенеза; словом catagenesis там обычно называют созревание органического вещества.

Движущих сил четыре. Эффективное напряжение — часть веса пород, которую несёт каркас зёрен (эффективное напряжение), — управляет механическим уплотнением. Температура управляет скоростью химических реакций: кварцевого цемента, превращений глинистых минералов. Время определяет, насколько эти реакции успели пройти: при одинаковой температуре древняя порода изменена сильнее молодой. Состав поровых вод — морских, пресных, рассолов, — с растворёнными газами и кислотами, решает, какие минералы растворяются и какие выпадают. А исходный состав и структура осадка — сортировка, размер зёрен, доля пластичных обломков, полевых шпатов и арагонита — задают, на что этим силам воздействовать.

СхемаТипичные температурные интервалы главных процессов диагенеза песчаников (схема). Границы ориентировочные и сдвигаются с составом пород и вод и с историей погружения; глубины — для геотермы 15 °C у поверхности и 30 °C на километр.

Порядок, в котором шли события, называют последовательностью диагенетических событий (парагенетическая последовательность, paragenetic sequence). Её восстанавливают по взаимоотношениям минералов: что на что наросло, что что заместило, какой цемент заполнил поры раньше уплотнения, а какой — после. Для этого используют шлифы и подсчёт точек (межзерновой объём и цемент в шлифе), катодолюминесценцию — свечение под электронным пучком, по которому отличают регенерационный кварц от зерна, — растровый электронный микроскоп для глинистых минералов, а для температур и возрастов — газово-жидкие включения в цементе, изотопный состав и радиометрический возраст аутигенного иллита.

Механическое уплотнение: межзерновой объём и кривые уплотнения

Пока песок не сцементирован, вес вышележащих пород несут контакты зёрен. С ростом эффективного напряжения зёрна проскальзывают и поворачиваются, укладываясь плотнее, а хрупкие трескаются. Мягкие — обломки глинистых пород, слюды, изменённые вулканические обломки — сминаются и выдавливаются в соседние поры, превращаясь в псевдоматрикс. Меру уплотнения даёт межзерновой объём (IGV) — доля породы между зёрнами каркаса, занята ли она порами, цементом или матриксом.

Наблюдения по слабо сцементированным песчаникам показывают общую картину: у хорошо отсортированных песков из жёстких зёрен межзерновой объём падает от 40–42 % у поверхности примерно до 28 % на глубине 1,5 км и дальше почти не меняется, оставаясь около 26 %. Каркас стал устойчивым, и дальнейшая потеря пор идёт уже химическим путём. Такую кривую удобно описывать экспонентой по эффективному напряжению.

Кривая механического уплотнения

\mathrm{IGV} = \mathrm{IGV}_f + (P_i - \mathrm{IGV}_f)\,e^{-\beta\sigma'}, \qquad \sigma' = (G_{ob} - G_p)\,z

где:

$\mathrm{IGV}$ межзерновой объём после уплотнения, % объёма породы
$P_i$ исходная (седиментационная) пористость — межзерновой объём при отложении, %
$\mathrm{IGV}_f$ межзерновой объём, к которому стремится уплотнение при очень больших напряжениях, %
$\beta$ коэффициент уплотнения, МПа⁻¹
$\sigma'$ наибольшее эффективное вертикальное напряжение, которое испытала порода, МПа
$G_{ob},\ G_p$ градиенты горного и порового давления, кПа/м = МПа/км
$z$ глубина погружения, км

Единицы: проценты объёма породы; напряжения — МПа; глубина — км

Справедливо, если

форма эмпирическая: такой вид используют в опубликованных моделях уплотнения песчаников, а $P_i$ , $\mathrm{IGV}_f$ и $\beta$ подбирают по шлифам скважин для каждого типа песка — по сортировке и доле пластичных зёрен;
песок не сцементирован: цемент, выросший рано, подпирает каркас, и уплотнение дальше не идёт;
уплотнение необратимо: при подъёме и размыве межзерновой объём не восстанавливается, поэтому в формулу входит наибольшее напряжение, а не нынешнее;
матрикса нет; глинистый матрикс уплотняется по своим законам.

Напряжение, а не глубина: при том же погружении аномально высокое поровое давление уменьшает $\sigma'$ , и песок уплотнён, как на меньшей глубине (недоуплотнение). У экспоненциального тренда пористости по глубине (тренд уплотнения) та же природа, но он смешивает уплотнение с цементацией.

Расчётный примерМежзерновой объём на глубине: жёсткие зёрна, пластичные обломки и аномальное давление

Исходные данные (условные)

Песок при отложении: межзерновой объём $P_i = 41$ %
Кривая жёсткого кварцевого песка: $\mathrm{IGV}_f = 26$ %, $\beta = 0{,}11$ МПа⁻¹ — подобрана так, чтобы проходить около 28 % на 1,5 км и стремиться к 26 %
Кривая песка, богатого пластичными обломками: $\mathrm{IGV}_f = 12$ %, $\beta = 0{,}07$ МПа⁻¹ (условная)
Давления: горное — 22,6 кПа/м; нормальное поровое — 10,4 кПа/м; в зоне аномального давления — 16,0 кПа/м

Решение

Эффективное напряжение при нормальном давлении растёт на $22{,}6 - 10{,}4 = 12{,}2$ МПа на километр: на 1, 2 и 3 км — 12,2; 24,4 и 36,6 МПа.
Жёсткий песок: $\mathrm{IGV} = 26 + 15\,e^{-0{,}11\sigma'}$ . На 1 км: $26 + 15\cdot e^{-1{,}342} = 26 + 15\cdot 0{,}2613 = 29{,}9$ %; на 2 км: $26 + 15\cdot 0{,}0683 = 27{,}0$ %; на 3 км: $26 + 15\cdot 0{,}0178 = 26{,}3$ %.
Песок с пластичными обломками на 3 км: $12 + 29\cdot e^{-0{,}07\cdot 36{,}6} = 12 + 29\cdot 0{,}0772 = 14{,}2$ %.
Аномальное давление на 3 км: $\sigma' = (22{,}6 - 16{,}0)\cdot 3 = 19{,}8$ МПа — как на глубине $19{,}8/12{,}2 = 1{,}62$ км при нормальном давлении. Жёсткий песок: $26 + 15\cdot 0{,}1133 = 27{,}7$ %; с пластичными обломками: $12 + 29\cdot 0{,}2501 = 19{,}3$ %.
Потеря пористости при уплотнении в процентах исходного объёма породы — по формуле урока о качестве коллектора: жёсткий песок на 3 км $100\cdot(41 - 26{,}3)/(100 - 26{,}3) = 19{,}9$ %; с пластичными обломками — $100\cdot(41 - 14{,}2)/(100 - 14{,}2) = 31{,}2$ %, а при аномальном давлении — 26,9 %.

Ответ: Жёсткий песок к 2 км почти исчерпал механическое уплотнение (27,0 %), а с 2 до 3 км теряет ещё лишь 0,7 % объёма породы. Песок с пластичными обломками на 3 км сохраняет только 14,2 %. Аномальное давление прибавляет межзерновому объёму жёсткого песка 1,4 %, а песка с пластичными обломками — 5,1 % объёма породы.

Что это значит. Для кварцевого песка глубже 2 км вопрос «сколько пор осталось» решает уже не уплотнение, а цемент (следующие разделы): каркас устойчив, и разница в пористости между пластами — это разница в цементе. Для песков с обломками глинистых пород и слюдами главный враг — уплотнение: к 3 км они теряют примерно в полтора раза больше пор, и аномальное давление, снизив эффективное напряжение, заметно их спасает. Отсюда практическое правило: сохранность пор аномальным давлением ищут в песках, которые ещё уплотняются, — в рыхлых и в богатых пластичными зёрнами. Параметры кривых условные; в реальном бассейне их подбирают по межзерновому объёму в шлифах против наибольшего эффективного напряжения, восстановленного по истории погружения. Данные примера условные.

РасчётРасчётные кривые уплотнения примера: межзерновой объём жёсткого кварцевого песка (сплошная линия) и песка, богатого пластичными обломками (штриховая), при нормальном поровом давлении; точки — те же пески на 3 км в зоне аномального давления.

Глины уплотняются иначе

У глинистого ила пористость при отложении — 60 % и больше, но пластинки глинистых минералов поворачиваются перпендикулярно нагрузке и отжимают воду, и глины теряют пористость быстрее песков. Если вода не успевает уйти, глина остаётся недоуплотнённой и под аномальным давлением (Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание). Превращение смектита в иллит при 60–120 °C освобождает межслоевую воду и кремнезём; часть этого кремнезёма может уходить в соседние песчаники.

Химическое уплотнение: растворение под давлением и стилолиты

Вес пород передаётся через контакты зёрен — маленькие площадки, на которых напряжение во много раз больше среднего по породе. Минерал под большим напряжением растворяется лучше, и на контактах кварц понемногу уходит в раствор, а растворённый кремнезём диффундирует к свободной поверхности зёрен в соседних порах и осаждается там. Это растворение под давлением (pressure solution), или химическое уплотнение. Зёрна врастают друг в друга: точечные контакты становятся линейными, затем вогнуто-выпуклыми и зубчатыми (сутурными), а межзерновой объём сокращается уже за пределом механического уплотнения.

Растворение идёт неравномерно. Глинистые частицы и слюда на контакте кварцевых зёрен заметно его ускоряют, поэтому кварц растворяется прежде всего вдоль глинистых прослоек и слойков слюды, и там возникают стилолиты — зубчатые швы, вдоль которых растворилось от долей сантиметра до нескольких сантиметров породы, а нерастворимый остаток — глина, окислы железа, органика — собрался тонкой плёнкой. Растворённый кремнезём выпадает рядом, в соседних слоях песчаника, кварцевым цементом. В карбонатах растворение под давлением начинается на меньших глубинах и при меньших температурах, чем в кварцевых песчаниках, и стилолиты там встречаются повсеместно.

Источник цемента. Песчаник, в котором стилолиты «съели» часть породы, сам себя цементирует: кремнезём проходит сантиметры и дециметры, а не километры. Поэтому объём кварцевого цемента считают по поверхности кварца, на которую он выпадает, и по времени, а не по притоку извне (следующий раздел).
Перегородки для потока. Стилолит с глинистой плёнкой плохо проницаем поперёк, а цемент, выросший рядом, уплотняет прилегающие слои. В карбонатах такие швы делят пласт на слабо сообщающиеся пачки (Строение коллектора и поведение пласта при разработке).
Признаки на керне. Зубчатые тёмные швы, обычно параллельные напластованию; амплитуда зубцов — от долей миллиметра до сантиметров; рядом — уплотнённая, хуже пористая порода.

Кварцевый цемент: температура и время

Кварц выпадает из поровой воды на поверхность кварцевых зёрен и продолжает их кристаллическую решётку: зерно обрастает регенерационным кварцем (quartz overgrowth) — регенерационной каёмкой — и стремится к форме кристалла с гранями. Граница старого зерна часто видна по «пылевой» каёмке включений, а под катодолюминесценцией зерно и цемент светятся по-разному. Цемент растёт там, где есть чистая кварцевая поверхность: на зёрнах полевых шпатов, обломков пород и на зёрнах, одетых плёнками глинистых минералов, он почти не зарождается.

Кремнезёма в поровой воде немного, и цемент растёт медленно — миллионы лет. Широко применяемая кинетическая модель исходит из того, что медленнее всего здесь сам рост кристаллов: кремнезёма с контактов и стилолитов хватает, а скорость осаждения на поверхность растёт с температурой по показательному закону. Объём цемента в песчаниках, по которым её проверяли, модель описывает хорошо.

Скорость осаждения кварцевого цемента (модель Вальдерхауга)

r = a\cdot 10^{bT}

где:

$r$ скорость осаждения кварца на единицу площади поверхности зёрен, моль/(см²·с)
$T$ температура, °C
$a,\ b$ постоянные: в исходной калибровке модели по юрским песчаникам Норвежского шельфа $a = 1{,}98\cdot 10^{-22}$ моль/(см²·с), $b = 0{,}022$ °C⁻¹, моль/(см²·с); °C⁻¹

Единицы: моль/(см²·с), °C

Справедливо, если

скорость задаёт осаждение на поверхность, а не доставка кремнезёма: источник — растворение под давлением рядом;
кварцевые зёрна с чистой поверхностью; поверхность, закрытая плёнками, в осаждении не участвует;
постоянные получены по определённым песчаникам; для другого бассейна их проверяют по объёму цемента в шлифах и температурам газово-жидких включений.

Каждые 10 °C ускоряют осаждение в $10^{0{,}22} \approx 1{,}66$ раза. При 80 °C скорость около $1{,}1\cdot 10^{-20}$ моль/(см²·с), при 130 °C — в $10^{1{,}1} \approx 12{,}6$ раза больше. Поэтому заметный цемент нарастает лишь выше примерно 70–80 °C, а главное — время, которое песчаник провёл в горячей зоне.

Площадь, на которую выпадает цемент, — поверхность кварцевых зёрен в единице объёма породы. Для шаров диаметром $D$ , занимающих долю $f$ объёма породы, она равна $6f/D$ ; плёнки, закрывающие долю $C$ поверхности, оставляют свободной лишь долю $1 - C$ . По мере роста цемента свободная поверхность сокращается вместе с оставшимися порами. Сложив осаждение за всё время нагрева, получают объём цемента (вывод — в дополнительном разделе):

Объём кварцевого цемента при постоянной скорости нагрева

V_q = \phi_0\left(1 - e^{-E}\right), \qquad E = \frac{M\,a\,A_0}{\rho\,\phi_0\,b\,\ln 10\,H}\left(10^{bT_2} - 10^{bT_1}\right), \qquad A_0 = \frac{6f}{D}(1 - C)

где:

$V_q$ объём кварцевого цемента в 1 см³ породы, доли объёма породы
$\phi_0$ пористость в начале цементации — межзерновой объём, оставленный уплотнением, доли единицы
$M,\ \rho$ молярная масса и плотность кварца: 60,08 г/моль и 2,65 г/см³, г/моль; г/см³
$A_0$ площадь свободной поверхности кварцевых зёрен в 1 см³ породы, см²
$f$ доля объёма породы, занятая обломочными зёрнами кварца, —
$D$ размер зёрен, см
$C$ доля поверхности кварца, закрытая плёнками на зёрнах, —
$H$ скорость нагрева породы, °C/с
$T_1,\ T_2$ температура начала цементации и нынешняя (или конечная), °C

Единицы: см, см², г, моль, с, °C; $V_q$ и $\phi_0$ — в долях объёма породы

Справедливо, если

скорость нагрева постоянна; при сложной истории интеграл берут по шагам времени;
свободная поверхность убывает пропорционально оставшимся порам: $A = A_0(\phi_0 - V_q)/\phi_0$ ;
механическое уплотнение после начала цементации не учтено — цемент подпирает каркас;
песчаник кварцевый; полевые шпаты и обломки пород в $f$ не входят.

Цемента тем больше, чем больше поверхность кварца (мелкие зёрна, много кварца, нет плёнок) и чем дольше порода нагревалась: множитель $1/H$ — это время, проведённое на каждом градусе. При $E \ll 1$ цемент растёт почти пропорционально $E$ , при больших $E$ поры почти исчезают.

Расчётный примерСколько кварцевого цемента нарастёт к 129 °C

Исходные данные (условные)

Песок: тот же жёсткий кварцевый песок; зёрна 0,20 мм (0,020 см); обломочный кварц — 60 % объёма породы; плёнок на зёрнах нет
История: сейчас на глубине 3,8 км; геотерма 15 °C у поверхности и 30 °C/км, как в уроке о качестве коллектора; прогрев равномерный, 2 °C за 1 млн лет (погружение около 67 м за 1 млн лет)
Начало цементации: 80 °C — допущение расчёта
Постоянные модели: $a = 1{,}98\cdot 10^{-22}$ моль/(см²·с), $b = 0{,}022$ °C⁻¹; кварц — 60,08 г/моль, 2,65 г/см³; 1 млн лет — $3{,}156\cdot 10^{13}$ с

Решение

80 °C песок прошёл на глубине $(80 - 15)/30 = 2{,}167$ км, где $\sigma' = 12{,}2\cdot 2{,}167 = 26{,}4$ МПа и $\mathrm{IGV} = 26 + 15\cdot e^{-0{,}11\cdot 26{,}4} = 26 + 15\cdot 0{,}0548 = 26{,}8$ %: $\phi_0 = 0{,}268$ . Сейчас температура $15 + 30\cdot 3{,}8 = 129$ °C.
Поверхность кварца в 1 см³ породы: $A_0 = 6\cdot 0{,}60/0{,}020 = 180$ см².
Скорость нагрева $H = 2/(3{,}156\cdot 10^{13}) = 6{,}34\cdot 10^{-14}$ °C/с. Числитель $M a A_0/\rho = 60{,}08\cdot 1{,}98\cdot 10^{-22}\cdot 180/2{,}65 = 8{,}08\cdot 10^{-19}$ см³/с; знаменатель $\phi_0 b\ln 10\,H = 0{,}268\cdot 0{,}022\cdot 2{,}303\cdot 6{,}34\cdot 10^{-14} = 8{,}61\cdot 10^{-16}$ ; их отношение $K = 9{,}38\cdot 10^{-4}$ .
$E = K\,(10^{0{,}022\cdot 129} - 10^{0{,}022\cdot 80}) = 9{,}38\cdot 10^{-4}\cdot(688{,}7 - 57{,}5) = 0{,}592$ .
Цемент: $V_q = 0{,}268\cdot(1 - e^{-0{,}592}) = 0{,}268\cdot 0{,}4468 = 0{,}120$ , то есть 12,0 % объёма породы; пористость $26{,}8 - 12{,}0 = 14{,}8$ %.
Плёнки хлорита на 85 % поверхности: $E$ умножается на 0,15 и равно 0,0888; $V_q = 0{,}268\cdot 0{,}0850 = 0{,}0228$ — 2,3 %, пористость 24,5 %.
Прогрев вдвое медленнее (1 °C за 1 млн лет) удваивает $E$ : 1,184, $V_q = 0{,}268\cdot 0{,}6939 = 0{,}186$ , пористость 8,2 %. Вдвое быстрее (4 °C): $E = 0{,}296$ , $V_q = 0{,}268\cdot 0{,}2562 = 0{,}0687$ , пористость 19,9 %.
Что отняло больше — уплотнение или цемент — в процентах исходного объёма породы, по формулам урока о качестве коллектора: уплотнение $100\cdot(41 - 26{,}8)/(100 - 26{,}8) = 19{,}4$ %, цемент $12{,}0\cdot(100 - 41)/(100 - 26{,}8) = 9{,}7$ %; при медленном прогреве цемент — $18{,}6\cdot 59/73{,}2 = 15{,}0$ %.

Ответ: К 129 °C нарастёт около 12,0 % кварцевого цемента, и пористость упадёт с 26,8 до 14,8 %. С плёнками хлорита она сохранится на уровне 24,5 %, при вдвое более медленном прогреве упадёт до 8,2 %, при вдвое более быстром — лишь до 19,9 %. Уплотнение отняло 19,4 % исходного объёма, цемент — 9,7 % (при медленном прогреве 15,0 %).

Что это значит. Уплотнение отняло у этого песка больше пор, чем цемент, но уплотнение у всех жёстких песков одинаково, а цемент — нет: одна и та же глубина и та же температура дают пористость от 8,2 до 19,9 % — в зависимости от того, сколько времени песчаник провёл в горячей зоне. Древний, медленно погружавшийся пласт сцементирован сильнее молодого, быстро погребённого. Тот же множитель стоит при размере зёрен: мелкозернистый песок с зёрнами 0,10 мм цементируется так же, как этот при вдвое более медленном прогреве, — у него вдвое больше поверхности. Сплошные плёнки решают больше всего: они оставляют кварцу лишь 15 % поверхности. Расчёт оптимистичен в двух местах: цемент, выпадающий ниже 80 °C, не учтён (начав расчёт с 60 °C, к 129 °C получили бы на 0,5 % цемента больше), и механическое уплотнение после 80 °C опущено (до 3,8 км межзерновой объём жёсткого песка сократился бы ещё на 0,7 %). Постоянные модели получены для определённых песчаников; в новом бассейне их проверяют по объёму цемента и температурам включений в скважинах. Данные примера условные.

РасчётРасчётная пористость жёсткого кварцевого песка примера по мере нагрева выше 80 °C: прогрев 1, 2 и 4 °C за 1 млн лет без плёнок на зёрнах (числа у кривых) и 2 °C за 1 млн лет с плёнками хлорита на 85 % поверхности (штриховая). Вертикальная отметка — 129 °C, нынешняя температура песка в примере.

Плёнки на зёрнах. Сплошные плёнки хлорита, реже микрокристаллического кварца, закрывают поверхность, и цемент растёт лишь в их разрывах (глинистые минералы в порах). Доля закрытой поверхности прямо уменьшает $E$ : при 50 % — вдвое, при 85 % — почти в семь раз. Поэтому важно не наличие плёнок, а их сплошность, которую оценивают по многим зёрнам.
Размер зёрен и состав. Крупные зёрна и много полевых шпатов и обломков пород — меньше поверхности кварца, меньше цемента. Мелкозернистые кварцевые песчаники цементируются сильнее всего.
Быстрое погружение. Меньше времени в горячей зоне — меньше цемента. Поэтому молодые глубокие песчаники часто пористее древних на той же глубине.
Аномальное давление. Сдерживает механическое уплотнение, но кварцевый цемент в модели от напряжения не зависит: сохранённый межзерновой объём может зарасти кварцем, если нет плёнок.
Нефть. Нефть, пришедшая в ловушку рано, по ряду исследований замедляет цементацию, но насколько — предмет споров (раздел о времени событий).

Карбонатный цемент и аутигенные глинистые минералы

Карбонатный цемент в песчаниках часто ранний. Кальцит, доломит или сидерит выпадают у самой поверхности, нередко вокруг остатков раковин и органики, и цементируют отдельные участки целиком: так возникают конкреции и плотные прослои. Крупные кристаллы кальцита, захватывающие сразу много зёрен (пойкилитовый цемент), иногда видны на сколе по блеску плоскостей спайности. Ранний цемент подпирает каркас, и под ним сохраняется большой межзерновой объём — но уже заполненный цементом. При погружении могут выпасть поздние железистые карбонаты — железистый кальцит и анкерит, — а часть ранних карбонатов растворяется.

Глинистые минералы в порах растут на разных стадиях; как каждый из них снижает проницаемость, разобрано в уроке о качестве коллектора. С точки зрения процессов важно, когда и из чего они растут:

Аутигенные минералы песчаников: когда растут и что делают

Минерал: Кальцит, доломит, сидерит (ранние)
Когда растёт: у поверхности, первые сотни метров
Что с порами: конкреции и плотные прослои; подпирают каркас

Минерал: Хлоритовые плёнки
Когда растёт: чаще рано: железистые глинистые плёнки осадка при погружении превращаются в хлорит
Что с порами: мешают кварцевому цементу

Минерал: Каолинит
Когда растёт: при промывке пресными водами, по полевым шпатам; у поверхности и при подъёме
Что с порами: пакеты пластинок в порах, микропоры

Минерал: Иллит из смектита
Когда растёт: при погружении, примерно 60–120 °C, в глинах и глинистом матриксе
Что с порами: освобождает воду и кремнезём

Минерал: Волокнистый иллит
Когда растёт: выше примерно 120 °C, из каолинита и калиевого полевого шпата
Что с порами: перемычки в порах; проницаемость падает на порядок

Минерал: Анкерит, железистый кальцит
Когда растёт: при погружении
Что с порами: заполняют оставшиеся поры

Минерал	Когда растёт	Что с порами
Кальцит, доломит, сидерит (ранние)	у поверхности, первые сотни метров	конкреции и плотные прослои; подпирают каркас
Хлоритовые плёнки	чаще рано: железистые глинистые плёнки осадка при погружении превращаются в хлорит	мешают кварцевому цементу
Каолинит	при промывке пресными водами, по полевым шпатам; у поверхности и при подъёме	пакеты пластинок в порах, микропоры
Иллит из смектита	при погружении, примерно 60–120 °C, в глинах и глинистом матриксе	освобождает воду и кремнезём
Волокнистый иллит	выше примерно 120 °C, из каолинита и калиевого полевого шпата	перемычки в порах; проницаемость падает на порядок
Анкерит, железистый кальцит	при погружении	заполняют оставшиеся поры

Температуры ориентировочные и зависят от состава вод и пород: для перехода каолинита в иллит нужен калий, и при его недостатке каолинит сохраняется глубже.

Растворение и вторичная пористость

Поровая вода растворяет то, что неустойчиво в новых условиях: полевые шпаты, обломки вулканических пород, карбонатный цемент, раковины, соль и гипс. На месте растворённого остаются поры — вторичная пористость. Её узнают по форме: поры размером больше соседних зёрен, пустоты по форме зёрен, частично растворённые зёрна с «решётчатым» остатком, зёрна, которые «плавают» в порах, не касаясь соседей.

Главный вопрос — куда уходит растворённое. Растворение полевого шпата требует кислоты — её дают углекислота, в том числе пресных вод, и органические кислоты при созревании нефтематеринских пород — и даёт продукты, которые надо куда-то деть: калий, алюминий и кремнезём. Алюминий в поровой воде почти нерастворим, и обычно он тут же выпадает в каолинит, а кремнезём — в кварцевый цемент. Для калиевого полевого шпата это реакция:

Растворение калиевого полевого шпата с выпадением каолинита и кварца

\mathrm{2\,KAlSi_3O_8 + 2\,H^+ + H_2O \;\rightarrow\; Al_2Si_2O_5(OH)_4 + 4\,SiO_2 + 2\,K^+}

где:

$\mathrm{KAlSi_3O_8}$ калиевый полевой шпат (микроклин, ортоклаз), моль
$\mathrm{Al_2Si_2O_5(OH)_4}$ каолинит, моль
$\mathrm{SiO_2}$ кварц (если кремнезём выпал рядом), моль
$\mathrm{H^+},\ \mathrm{K^+}$ ионы водорода (кислота) и калия в поровой воде, моль

Единицы: числа молей реагентов и продуктов

Справедливо, если

кремнезём выпадает в пределах того же объёма породы как кварц, алюминий — как каолинит: система замкнута для кремния и алюминия;
калий уходит с водой; при погружении глубже примерно 120 °C он сам может пойти на рост иллита.

На два моля растворённого шпата выпадают моль каолинита и четыре моля кварца. Каолинит пористый (между его пластинками — микропоры), но поры эти мелкие и проницаемости почти не дают.

Расчётный примерРастворился полевой шпат — сколько пор прибавилось на самом деле

Исходные данные (условные)

Песчаник: растворилось 10 % объёма породы, занятого калиевым полевым шпатом
Минералы: калиевый полевой шпат 278,33 г/моль и 2,56 г/см³; каолинит 258,16 г/моль и 2,60 г/см³; кварц 60,08 г/моль и 2,65 г/см³

Решение

Молярные объёмы $V = M/\rho$ : шпат $278{,}33/2{,}56 = 108{,}72$ , каолинит $258{,}16/2{,}60 = 99{,}29$ , кварц $60{,}08/2{,}65 = 22{,}67$ см³/моль.
На 2 моль шпата — $2\cdot 108{,}72 = 217{,}44$ см³ — выпадают моль каолинита (99,29) и 4 моль кварца ( $4\cdot 22{,}67 = 90{,}68$ ): вместе 189,97 см³. Освобождается $217{,}44 - 189{,}97 = 27{,}47$ см³, то есть 12,6 % объёма растворённого шпата.
Замкнутая система: из 10 % шпата получаются $10\cdot 99{,}29/217{,}44 = 4{,}57$ % каолинита и $10\cdot 90{,}68/217{,}44 = 4{,}17$ % кварцевого цемента, а пористость прибавляет лишь $10\cdot 0{,}126 = 1{,}26$ %.
Открытая система — вода уносит и алюминий, и кремнезём: пористость прибавляет все 10 %.

Ответ: В замкнутой системе растворение 10 % полевого шпата прибавляет лишь около 1,26 % пористости; остальное место занимают 4,57 % каолинита и 4,17 % кварца. Открытая система дала бы все 10 %.

Что это значит. В шлифе такая порода выглядит «пористой»: видны пустоты на месте зёрен шпата. Но рядом в порах выросли пакеты каолинита и кварцевые обрастания, и общая пористость почти не изменилась, а проницаемость скорее упала: крупные связанные поры заменены микропорами каолинита. Это перераспределение пор, а не новая пористость. Открытой система бывает там, где воды долго и много протекают через пласт: у поверхности, под несогласиями, вдоль разломов. При глубоком погружении обмен медленный, и для кремния и алюминия система близка к замкнутой; насколько — предмет многолетнего спора, и прибавку пористости от растворения на глубине оценивают с осторожностью. Данные примера условные; молярные массы и плотности справочные, округлённые.

Вторичные поры и каротаж

Плотностной и нейтронный каротаж видят все поры, акустический — в основном межзерновые, и разница выдаёт крупные изолированные пустоты (вторичная пористость по каротажу). Микропоры каолинита каротаж тоже видит: пористость по нему может быть приличной, а вода в микропорах удерживается капиллярными силами. Проницаемость, оценённая по такой пористости, завышена, а высокая водонасыщенность ещё не значит, что пласт даст воду; различить эти поры помогает ядерно-магнитный каротаж (Ядерно-магнитный каротаж).

Диагенез карбонатов

Карбонаты меняются раньше и сильнее песчаников: арагонит и магнезиальный кальцит неустойчивы, а карбонат растворяется и переотлагается легко (минералы карбонатов). Значительную часть пористости карбонатного коллектора создаёт или уничтожает диагенез, и следы его стадий видны в одной и той же породе.

На морском дне. Волокнистый арагонитовый и магнезиально-кальцитовый цемент нарастает на зёрнах ещё до захоронения; при перерыве в осадконакоплении дно твердеет. Такой цемент рано делает породу жёсткой, но может закрыть часть пор.
В зоне пресных вод. При падении уровня моря отмели и рифы осушаются: арагонит растворяется, оставляя поры-отпечатки, а растворённый карбонат выпадает рядом кальцитовым цементом — пример перераспределения пор разобран в уроке о карбонатах. Под поверхностями несогласий возникает карст — каверны, каналы, пещеры, брекчии обрушения.
При погружении. Растворение под давлением и стилолиты появляются уже на сотнях метров; растворённый карбонат цементирует соседние поры. Поздние растворы — кислые, богатые углекислотой или сероводородом — могут и растворять, и цементировать.
Трещины. Жёсткие сцементированные карбонаты ломаются хрупко, и трещины связывают изолированные поры в сеть (Трещины и трещиноватые коллекторы).

Доломитизация (dolomitization) — замещение кальцита доломитом. Магний приносят морская вода, рассолы, сгущённые испарением в лагунах и себхах и стекающие вниз через карбонаты, или горячие растворы, поднимающиеся по разломам. Где рассол или раствор долго течёт через породу, там и доломит; поэтому доломитизированные тела следуют за путями потока — бортами платформ, разломами, проницаемыми пачками. Сколько при этом появляется пор, зависит от того, как идёт замещение.

Доломитизация «моль на моль»

\mathrm{2\,CaCO_3 + Mg^{2+} \;\rightarrow\; CaMg(CO_3)_2 + Ca^{2+}}

где:

$\mathrm{CaCO_3}$ кальцит, моль
$\mathrm{CaMg(CO_3)_2}$ доломит, моль
$\mathrm{Mg^{2+}},\ \mathrm{Ca^{2+}}$ ионы магния и кальция в поровом растворе, моль

Единицы: числа молей

Справедливо, если

весь карбонат доломита взят из замещённого кальцита: привносится только магний, выносится только кальций;
это предельный случай наибольшей прибавки пор; если раствор приносит и карбонат, доломит может замещать известняк «объём на объём», и пор не прибавляется.

Два моля кальцита занимают больше места, чем моль доломита, поэтому объём твёрдой фазы уменьшается почти на 13 % (молярный объём), и освободившееся место может стать порами.

Расчётный примерДоломитизация известняка: сколько места и сколько магния

Исходные данные (условные)

Известняк: пористость 20 %, скелет — кальцит
Замещение: «моль на моль»: два моля кальцита дают один моль доломита; объём породы не меняется
Молярные объёмы: как в уроке о карбонатах: кальцит $100{,}09/2{,}71$ , доломит $184{,}40/2{,}86$ см³/моль
Морская вода: магния 52,8 ммоль на 1 кг, плотность 1025 кг/м³

Решение

Молярные объёмы: кальцит 36,93, доломит 64,48 см³/моль. Объём твёрдой фазы меняется на $64{,}48/(2\cdot 36{,}93) - 1 = -12{,}7$ %.
В 1 м³ известняка 0,80 м³ кальцита; после замещения — $0{,}80\cdot 0{,}873 = 0{,}698$ м³ доломита, и пористость $1 - 0{,}698 = 0{,}302$ , то есть 30,2 %.
Кальцита в 1 м³ породы $0{,}80\cdot 10^6/36{,}93$ — около 21 660 моль; магния нужно вдвое меньше — 10 830 моль.
В 1 м³ морской воды $0{,}0528\cdot 1025 = 54{,}1$ моль магния. Нужно $10\,830/54{,}1 = 200$ м³ воды — 1000 объёмов пор, если вода отдаёт весь свой магний.

Ответ: Предельное замещение «моль на моль» подняло бы пористость с 20 до 30,2 %, но для этого через каждый кубометр известняка должно пройти не меньше 200 м³ морской воды — тысяча объёмов пор, и то если вода отдаёт весь свой магний.

Что это значит. Отсюда два вывода. Первый: доломитизация — процесс потока, а не застоя; она идёт там, где раствор долго прокачивается через породу, и карту доломитов строят по путям этого потока. Второй: 13 % — верхняя оценка. Часто доломит растёт «объём на объём», за счёт привнесённого карбоната, и пористость доломита во многом унаследована от известняка; ранний доломит, выросший до уплотнения, может её даже уменьшить, а избыточный доломит, продолжающий расти в порах, — уничтожить. Доломит лучше известняка сопротивляется уплотнению и растворению под давлением, поэтому на больших глубинах доломиты часто пористее известняков. Состав морской воды — современный; данные примера условные.

Время событий, приход нефти и прогноз качества

Последовательность диагенетических событий привязывают ко времени через историю погружения (кривая погружения и время ловушки). Газово-жидкие включения в регенерационном кварце захвачены при его росте; температура их гомогенизации показывает, при какой температуре рос цемент, а по кривой погружения — когда. Радиометрический возраст волокнистого иллита даёт время его роста. Сопоставив эти данные со временем генерации и миграции, узнают, что было раньше: цемент или нефть.

Вопрос не праздный. Если нефть пришла в ловушку рано, в нефтенасыщенной части поровая вода остаётся лишь тонкими плёнками, и доставка кремнезёма к поверхности зёрен, по ряду исследований, замедляется. Другие исследования показывают, что в смачиваемых водой песчаниках цемент продолжает расти и под нефтью. Пример ниже показывает, сколько стоит этот спор.

Расчётный примерПришла нефть — остановится ли цемент?

Исходные данные (условные)

Песчаник: из примера о кварцевом цементе, без плёнок; прогрев 2 °C за 1 млн лет; сейчас 129 °C
Нефть: пришла, когда пласт был при 100 °C
Два предела: (а) нефть полностью остановила рост кварца в нефтенасыщенной части; (б) нефть на цемент не повлияла

Решение

Предел (а): цемент рос только от 80 до 100 °C. $E = 9{,}38\cdot 10^{-4}\cdot(10^{0{,}022\cdot 100} - 57{,}5) = 9{,}38\cdot 10^{-4}\cdot(158{,}5 - 57{,}5) = 0{,}0947$ ; $V_q = 0{,}268\cdot(1 - e^{-0{,}0947}) = 0{,}268\cdot 0{,}0904 = 0{,}0242$ — 2,4 %, пористость $26{,}8 - 2{,}4 = 24{,}4$ %.
Предел (б) — расчёт предыдущего примера: 12,0 % цемента, пористость 14,8 %.
Разница между пределами — 9,6 % объёма породы; в водоносной части пласта, ниже контакта, верен предел (б).

Ответ: В нефтенасыщенной части пористость лежит между 14,8 и 24,4 % — в зависимости от того, насколько нефть сдерживает цемент; в водоносной части ниже контакта — около 14,8 %.

Что это значит. Спор о нефти и цементе стоит здесь 9,6 % объёма породы в пористости — это разница между хорошим и посредственным коллектором. Проверяют его по самой залежи: сравнивают пористость и объём цемента одного и того же песчаника выше и ниже водонефтяного контакта и температуры включений в цементе с временем прихода нефти. Если выше контакта цемента заметно меньше, нефть его сдерживала; если одинаково — нет. Для разработки отсюда следует и другое: водоносная часть пласта под залежью может оказаться заметно плотнее нефтенасыщенной, что важно для законтурного притока и закачки воды. Данные примера условные.

Как прогнозируют качество коллектора по процессам

1
Фации и состав
По керну и фациальной модели — где какие пески: размер зёрен, сортировка, доля кварца, полевых шпатов и пластичных обломков, вероятность плёнок на зёрнах (прогноз качества).
2
История погружения и температур
Кривая погружения и геотерма, проверенные по отражательной способности витринита и температурам включений (Нефтематеринские породы, созревание и миграция); из неё — наибольшее эффективное напряжение и время, проведённое при каждой температуре.
3
Уплотнение
Кривая межзерновой объём — напряжение для каждого типа песка, подобранная по шлифам скважин.
4
Кварцевый цемент
Кинетическая модель с поверхностью кварца по размеру зёрен и составу, долей плёнок по фациям; постоянные проверяют по цементу в скважинах.
5
Остальные цементы и растворение
Ранние карбонаты, иллит, растворение — по фациям и истории вод, обычно как вероятности, а не как точный расчёт.
6
Проницаемость и неопределённость
Проницаемость — по связи своего типа породы (типы пород); результат — диапазон, а не одно число, с ответом на вопрос: что на новой структуре иначе, чем в скважинах калибровки.

Термины и обозначения

Диагенез и катагенез: все изменения осадка и породы после отложения и до метаморфизма; в отечественной литологии изменения породы при погружении выделяют как катагенез.
Межзерновой объём (IGV): доля породы между зёрнами каркаса — поры, цемент и матрикс; мера механического уплотнения.
Псевдоматрикс: смятые пластичные обломки, выдавленные в поры при уплотнении; похож на глинистый матрикс, но возник после отложения.
Растворение под давлением: растворение зёрен на нагруженных контактах и вдоль стилолитов с переотложением рядом; химическое уплотнение.
Регенерационный кварц: кварцевый цемент, нарастающий на кварцевые зёрна в продолжение их решётки; скорость растёт с температурой.
Плёнки на зёрнах: тонкие корки хлорита, реже микрокварца или других минералов, закрывающие поверхность зёрен и мешающие кварцевому цементу.
Вторичная пористость: поры, возникшие после отложения, — растворения, доломитизации, трещин.
Перераспределение пор: растворение с выпадением продуктов рядом: видимые поры появляются, а общая пористость почти не меняется.
Доломитизация: замещение кальцита доломитом; «моль на моль» уменьшает объём твёрдой фазы почти на 13 %, требует большого притока магния.
Последовательность диагенетических событий: порядок, в котором шли уплотнение, цементация, растворение и замещения, восстановленный по взаимоотношениям минералов.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Пористость определяется глубиной: на одной глубине у одного песчаника она одна».

На самом деле

Уплотнение задаёт наибольшее эффективное напряжение, а кварцевый цемент — время в горячей зоне. В примере урока один и тот же песок при 129 °C имеет пористость от 8 до 20 % в зависимости от скорости прогрева.

Неверно

«Растворилось 10 % полевого шпата — пористость выросла на 10 %».

На самом деле

Так только в открытой системе. Если алюминий и кремнезём выпали рядом каолинитом и кварцем, прибавка — около 1,3 %, а проницаемость может даже упасть.

Неверно

«Под аномальным давлением кварцевый песчаник сохранит пористость на любой глубине».

На самом деле

Аномальное давление снижает эффективное напряжение и сдерживает механическое уплотнение, но кварцевому цементу важны температура и время. Сохранённый межзерновой объём зарастёт кварцем, если нет плёнок на зёрнах.

Неверно

«Доломитизация всегда улучшает коллектор».

На самом деле

Прибавка до 13 % объёма — верхняя оценка для замещения «моль на моль». Часто замещение идёт «объём на объём», ранний доломит может уменьшить пористость, а избыточный — заполнить поры.

Неверно

«В отчёте написано diagenesis — значит, речь о раннем диагенезе в нашем смысле».

На самом деле

В англоязычной литературе диагенез включает и изменения при погружении, которые отечественная литология называет катагенезом. Проверяйте, о какой стадии и каких температурах идёт речь.

Подробно: для продвинутых

Откуда формула объёма кварцевого цемента

Пусть в 1 см³ породы свободная поверхность кварца $A$ , а скорость осаждения $r$ моль/(см²·с). За время $\mathrm{d}t$ выпадает $r A\,\mathrm{d}t$ моль кварца объёмом $(M/\rho)\,r A\,\mathrm{d}t$ см³. Поверхность сокращается вместе с оставшимися порами: $A = A_0(\phi_0 - V_q)/\phi_0$ . Получаем $\dfrac{\mathrm{d}V_q}{\mathrm{d}t} = \dfrac{M A_0}{\rho\,\phi_0}\,r\,(\phi_0 - V_q)$ .

При постоянном нагреве $T = T_1 + H t$ , и $\mathrm{d}t = \mathrm{d}T/H$ . Разделяем переменные: $\dfrac{\mathrm{d}V_q}{\phi_0 - V_q} = \dfrac{M A_0 a}{\rho\,\phi_0 H}\,10^{bT}\,\mathrm{d}T$ . Интеграл $\int 10^{bT}\mathrm{d}T = 10^{bT}/(b\ln 10)$ , поэтому $-\ln\dfrac{\phi_0 - V_q}{\phi_0} = E$ с $E$ из основного раздела, откуда $V_q = \phi_0(1 - e^{-E})$ .

Формула сразу показывает, что от чего зависит. $E$ пропорционально $f(1 - C)/(D H)$ : удвоение размера зёрен действует так же, как удвоение скорости нагрева, а плёнки на 85 % поверхности — как почти семикратное ускорение прогрева. И $E$ обратно пропорционально $\phi_0$ : при той же поверхности кварца меньший объём пор зарастает быстрее в относительном выражении. При сложной истории — с перерывами и подъёмами — интеграл берут по шагам, на каждом со своей скоростью нагрева; при подъёме и остывании рост почти прекращается.

Связь с другими темами

Качество коллектора: геологические факторы пористости и проницаемости — обзор факторов качества коллектора, межзерновой объём в шлифе, потери пористости от уплотнения и цементации (COPL и CEPL), типы пород и прогноз.
Пористость — первичная и вторичная пористость и экспоненциальный тренд уплотнения.
Поровое и горное давление — горное давление и эффективное напряжение — сила механического уплотнения.
Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание — недоуплотнение и аномальное поровое давление.
Карбонатные осадки, обстановки и пористость карбонатов — минералы карбонатов, типы пор и подсолевые постройки Прикаспия.
Минералы и горные породы — минералы песчаников и карбонатов и молярные объёмы.
Ловушки и время их формирования — кривая погружения и время образования ловушек.
Нефтематеринские породы, созревание и миграция — температура и время в созревании органического вещества и история нагрева.
Источники повреждения пласта — как аутигенные глины и цементы ведут себя при бурении, закачке и кислотных обработках.

Проверьте себя

1
Два одинаковых кварцевых песчаника сейчас на одной глубине при 125 °C. Первый погружался 20 млн лет, второй — 80 млн лет, оба равномерно. В каком больше кварцевого цемента?
1. А.Нельзя сказать без давления
2. Б.Во втором: он дольше был в горячей зоне
3. В.Одинаково: температура одна
4. Г.В первом: он моложе
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Во втором: он дольше был в горячей зоне
Объём цемента задаёт время, проведённое при каждой температуре: в формуле $E \propto 1/H$ , а второй песчаник прогревался вчетверо медленнее. При одинаковой нынешней температуре он сцементирован сильнее. Давление в кинетической модели на цемент не влияет.
2
Для жёсткого песка урока ( $P_i = 41$ %, $\mathrm{IGV}_f = 26$ %, $\beta = 0{,}11$ МПа⁻¹) найдите межзерновой объём на глубине 2,5 км при нормальном давлении и после подъёма этого песка до 1,5 км.
Показать ответ
$\sigma' = 12{,}2\cdot 2{,}5 = 30{,}5$ МПа; $\mathrm{IGV} = 26 + 15\cdot e^{-3{,}355} = 26 + 15\cdot 0{,}0349 \approx 26{,}5$ %. После подъёма до 1,5 км межзерновой объём не вернётся к 28 %, как у песка, никогда не погружавшегося глубже 1,5 км: уплотнение необратимо и задано наибольшим напряжением. Останутся те же 26,5 %.
3
В песчанике 9 % кварцевого цемента, обломочный кварц занимает 60 % объёма породы, а весь кремнезём пришёл со стилолитов в том же пласте. Сколько породы растворилось на стилолитах на каждый метр разреза и сколько это на один шов, если швы идут через 0,3 м?
Показать ответ
Кварца нужно $0{,}09$ м³ на 1 м³ породы; при доле кварца 0,6 растворённая порода — $0{,}09/0{,}6 = 0{,}15$ м на метр разреза. На метре три-четыре шва (через 0,3 м), то есть каждый «съел» около 4–5 см породы — столько, сколько бывает у развитых стилолитов. Нерастворимый остаток — глина, слюда — остаётся плёнкой на шве.
4
В песчанике растворилось 6 % объёма породы калиевого полевого шпата, а алюминий и кремнезём выпали рядом. На сколько выросла пористость?
1. А.Примерно на 6 %
2. Б.Не изменилась
3. В.Примерно на 0,8 %
4. Г.Примерно на 3 %
Показать ответ
Правильный ответ: В. Примерно на 0,8 %
В замкнутой системе свободным остаётся около 12,6 % объёма растворённого шпата: $6\cdot 0{,}126 \approx 0{,}76$ %. Остальное заняли каолинит (около 2,7 %) и кварц (около 2,5 %). Видимые в шлифе пустоты на месте шпата обманчивы: поры в основном перераспределены.
5
Какой признак сильнее всего говорит о том, что глубокий кварцевый песчаник сохранил пористость, несмотря на температуру выше 130 °C?
1. А.Много каолинита в порах
2. Б.Аномально высокое поровое давление
3. В.Сплошные плёнки хлорита на зёрнах
4. Г.Высокая доля полевых шпатов в шлифе
Показать ответ
Правильный ответ: В. Сплошные плёнки хлорита на зёрнах
Кварцевый цемент растёт на чистую поверхность кварца, и сплошные плёнки оставляют ему лишь их разрывы — в примере урока пористость при 129 °C 24,5 % против 14,8 % без плёнок. Аномальное давление сдерживает уплотнение, но не цемент; полевые шпаты уменьшают поверхность кварца, но и сами растворяются и дают каолинит; каолинит заполняет поры.
6
Известняк с пористостью 30 % полностью доломитизирован «моль на моль» без изменения объёма породы. Какой будет пористость и почему у реальных доломитов она обычно ниже?
Показать ответ
Скелет 0,70 м³ уменьшается в $0{,}873$ раза до 0,611 м³; пористость — около 38,9 %. На деле замещение часто идёт «объём на объём» за счёт привнесённого карбоната, доломит может продолжать расти в порах, а сама порода уплотняется; ранний доломит к тому же цементирует поры ещё до замещения. Поэтому 13 % — предел, а не правило.

Обновлено: 26 октября 2026 г.