Фации, фациальные последовательности и литологические колонки

Кратко о главном

Фация описывает породу и процесс её отложения. Обстановку определяет не одна фация, а их сочетание и порядок — ассоциация и последовательность.
Закон Вальтера: без перерыва друг на друга ложатся только отложения обстановок, которые в момент накопления соседствовали по латерали. На поверхностях размыва, несогласиях и разломах он не действует; резкая смена несоседних фаций указывает на перерыв, скачок условий или разлом.
Утонение вверх — типичная запись заполнения русла и ослабевающего потока; огрубление вверх — выдвижения берега, бара или дельты в бассейн, когда всё более мелководные фации надвигаются на более глубоководные.
Литологическая колонка: глубина, литология, профиль размера зёрен (ширина колонки), текстуры, границы, ископаемые и толкование. Керн описывают в масштабе 1:20–1:50, с каротажем сравнивают в масштабе 1:200 после увязки глубин.
Форма кривой ГК повторяет изменение глинистости по разрезу: колокол — глинистость растёт вверх, воронка — убывает вверх, цилиндр — однородная пачка с резкими границами, зубчатая кривая — переслаивание. Одну форму дают разные обстановки, поэтому её проверяют керном.
Порядок фаций задаёт распределение проницаемости: в русловом песчанике проводимость сосредоточена у подошвы, в береговом — у кровли. При заводнении прослоев, сообщающихся по вертикали, это меняет вертикальный охват, потому что вода тяжелее нефти и стекает вниз.

Ключевые соотношения

z_c = \dfrac{\sum_i k_i h_i z_i}{\sum_i k_i h_i}

высота центра проводимости песчаного тела над его подошвой

r_{ij} = \dfrac{s_j}{N - s_i}

ожидаемая вероятность перехода фации $i$ в фацию $j$ при случайной смене

H \approx (6\ldots 10)\cdot 2{,}9\,\bar s

глубина реки по средней мощности косых серий $\bar s$ — для сравнения с мощностью руслового цикла

Где чаще всего ошибаются

Называть фацию по толкованию («речная фация»), не описав породу: толкование могут пересмотреть, а описание останется верным.
Применять закон Вальтера через поверхность размыва или разлом.
Читать колокол на ГК как русло без керна: так же выглядят приливные каналы, заполнения подводных каналов, трансгрессивные пачки.
Принимать мощность песчаника за глубину одного русла: мощные песчаники обычно сложены несколькими наложенными руслами.
Сопоставлять колонку керна с каротажем без увязки глубин.

После урока вы сможете

отличать фацию как описание породы от фации как толкования обстановки и объяснять, почему одна фация говорит о процессе, но не об обстановке;
формулировать закон Вальтера, применять его к разрезу и узнавать границы, на которых он не действует;
узнавать по керну и колонке утонение вверх русловых песчаников, огрубление вверх отложений берегового склона и фронта дельты и турбидитовые последовательности;
читать и рисовать литологическую колонку и сопоставлять её с формой кривой ГК — цилиндром, колоколом, воронкой, зубчатой кривой, — помня о неоднозначности такого чтения;
оценивать по последовательности строение песчаного тела, число наложенных русел и распределение проницаемости по толщине и объяснять, что это значит для заводнения;
проверять, закономерна ли смена фаций, по матрице переходов.

Фация: описание и толкование

Описывая керн или обнажение, геолог делит разрез на слои и пачки, которые отличаются от соседних набором признаков: составом и размером зёрен, сортировкой, текстурами, окраской, ископаемыми, следами жизнедеятельности, характером границ. Пачку с устойчивым набором признаков называют фацией, точнее литофацией (lithofacies). Каждая фация — запись одного процесса: размыва дна сильным потоком, движения дюн, оседания ила из спокойной воды, перемыва песка волнами.

Слово «фация» употребляют в двух смыслах, и их полезно не смешивать. В описательном смысле фация — наблюдение: «песчаник тонкозернистый с бугорчатой косой слоистостью». В толковательном — обстановка: «фация пляжа», «речные фации». В отечественной литературе слово чаще связывают с условиями накопления, а для описательных единиц используют «литотип» и «литофация». Описание остаётся верным, даже если толкование потом пересмотрят, поэтому в отчётах их держат в разных колонках.

Фации выделяют и по другим данным: сейсмические фации — по рисунку и силе отражений на сейсмических разрезах (Интерпретация сейсмических разрезов), электрофации — по сочетанию показаний каротажа. Это тоже описательные единицы; их связь с литофациями керна устанавливают сопоставлением.

Литофации керна в примерах урока

Код: F1
Порода и текстуры: песчаник очень крупнозернистый с гравием и гальками аргиллита, подошва эрозионная
Процесс: размыв дна сильным потоком, отмостка в основании русла

Код: F2
Порода и текстуры: песчаник от мелко- до крупнозернистого с крупной мульдообразной косой слоистостью
Процесс: движение дюн по дну под действием течения

Код: F3
Порода и текстуры: песчаник мелко- и тонкозернистый с мелкой косой слоистостью ряби
Процесс: рябь при ослабевшем течении

Код: F4
Порода и текстуры: алевролит и аргиллит с корнями растений, углистые прослои
Процесс: оседание ила на заболоченной равнине, где растут растения

Код: F5
Порода и текстуры: песчаник тонкозернистый с бугорчатой косой слоистостью, прослои аргиллита
Процесс: штормы на дне между базисами обычных и штормовых волн

Код: F6
Порода и текстуры: песчаник мелко-среднезернистый с пологой параллельной слоистостью
Процесс: заплеск волн на пляже

Код: F7
Порода и текстуры: аргиллит биотурбированный с морской фауной
Процесс: оседание ила ниже базиса штормовых волн

Код	Порода и текстуры	Процесс
F1	песчаник очень крупнозернистый с гравием и гальками аргиллита, подошва эрозионная	размыв дна сильным потоком, отмостка в основании русла
F2	песчаник от мелко- до крупнозернистого с крупной мульдообразной косой слоистостью	движение дюн по дну под действием течения
F3	песчаник мелко- и тонкозернистый с мелкой косой слоистостью ряби	рябь при ослабевшем течении
F4	алевролит и аргиллит с корнями растений, углистые прослои	оседание ила на заболоченной равнине, где растут растения
F5	песчаник тонкозернистый с бугорчатой косой слоистостью, прослои аргиллита	штормы на дне между базисами обычных и штормовых волн
F6	песчаник мелко-среднезернистый с пологой параллельной слоистостью	заплеск волн на пляже
F7	аргиллит биотурбированный с морской фауной	оседание ила ниже базиса штормовых волн

Схема составлена для разрезов этого урока; в каждом проекте её строят заново по керну. Как узнают текстуры, рассказано в уроке Первичные осадочные текстуры, как называют породы — в уроке Осадочные породы и их классификация.

Одна фация — процесс, а не обстановка

Песчаник с градационной слоистостью и эрозионной подошвой говорит одно: поток резко ослаб и сбросил свой груз. Такой слой может оставить мутьевой поток на дне глубокого моря, шторм на шельфе, паводок, прорвавший береговой вал реки, или поток, вбежавший в озеро. Различить их помогают соседние фации: морские глины с планктоном или пойменные глины с корнями растений выше и ниже. В примерах урока одна и та же фация F2 — косослоистый песчаник — встречается и в русле реки, и в верхней части подводного берегового склона.

Ассоциации, последовательности и закон Вальтера

Фации, которые встречаются вместе и связаны одной обстановкой, образуют фациальную ассоциацию: например, косослоистые пески, пески с рябью, пойменные глины с корнями и тонкие пески конусов прорыва — ассоциация меандрирующей реки. Порядок, в котором фации сменяют друг друга снизу вверх, — фациальная последовательность (facies succession). В старой литературе её называли sequence, но это слово заняла секвентная стратиграфия, где оно означает толщу между несогласиями (секвенции); в отечественной литературе закономерные последовательности называют также циклитами.

Обстановку определяют, сравнивая ассоциацию и последовательность с фациальными моделями (facies models) — обобщёнными описаниями того, какие фации и в каком порядке оставляет река, пляж, дельта или подводный конус выноса. Модели составлены по современным обстановкам и хорошо изученным древним разрезам. Сравнивать вертикальный разрез скважины с латеральной картиной обстановок позволяет закон Вальтера.

Закон Вальтера (Walther's law; в отечественной литературе — закон Головкинского — Вальтера): без перерыва друг на друга могут ложиться только отложения тех обстановок, которые в момент накопления соседствовали по латерали. Причина в том, что обстановки не стоят на месте. Когда берег выдвигается в море, над точкой дна, где раньше был шельф, оказывается подводный склон, затем пляж, затем прибрежная равнина — и в разрезе скважины эти отложения ложатся друг на друга в том же порядке, в каком пояса шли от моря к суше.

СхемаЗакон Вальтера (схема): берег шаг за шагом выдвигался в море; в разрезе скважины пояса, соседствовавшие по латерали, легли друг на друга в том же порядке — от глин шельфа внизу до отложений прибрежной равнины вверху. Границы поясов секут поверхности одного возраста.

Закон работает только для непрерывных разрезов с постепенными переходами. Он не действует:

на поверхностях размыва и несогласиях: выпавшие отложения могли принадлежать любым обстановкам (несогласия);
на разломах: в скважине рядом оказываются породы, которые никогда не соседствовали (Разломы);
при резкой смене условий: при быстром падении относительного уровня моря пески верхней части склона и пляжа ложатся прямо на глины шельфа с резкой, часто эрозионной подошвой, а при быстром подъёме морские глины перекрывают угли прибрежной равнины — промежуточные пояса пропущены;
для поясов, которые разрушила следующая обстановка: русло, прорезая свою пойму и пески берега, уничтожает их верхние части.

Сменой фаций управляют процессы двух типов. Автоциклические (autocyclic) — внутренние для обстановки: река блуждает и бросает русло, дельта переключает рукава, отмель мигрирует. Они создают последовательности местного значения, которые в соседней скважине могут не повториться. Аллоциклические (allocyclic) — внешние: колебания относительного уровня моря, тектоническое погружение и поднятие, климат и связанное с ним поступление осадков; в карбонатных бассейнах — ещё и перемены в самой фабрике, например вымирание строителей рифов (Карбонатные осадки, обстановки и пористость карбонатов). Внешние причины действуют на весь бассейн, поэтому вызванные ими границы — например, поверхности затопления — прослеживаются на большие расстояния.

Для модели пласта фации и ассоциации объединяют в генетические единицы (genetic units, architectural elements) — тела, созданные одним процессом и имеющие узнаваемую форму: заполнение русла, пояс русловых отмелей, устьевой бар, лопасть подводного конуса. Именно их размеры и форму, а не отдельные слои, переносят из скважин в межскважинное пространство (Строение коллектора и поведение пласта при разработке).

Типичные вертикальные последовательности

Несколько последовательностей встречаются так часто, что их узнают по керну и каротажу почти сразу. Ниже — их общие черты; сами обстановки подробно разобраны в темах о речных и эоловых и о прибрежных и морских отложениях.

Типичные последовательности (снизу вверх)

Последовательность: Русло меандрирующей реки
Снизу вверх: эрозионная подошва, галька → косослоистый песок → песок с рябью → алеврит и глина с корнями
Форма ГК: колокол

Последовательность: Подводный береговой склон
Снизу вверх: глина шельфа → переслаивание со штормовыми песками → косослоистый песок → пологослоистый песок пляжа → почва или уголь
Форма ГК: воронка

Последовательность: Фронт дельты
Снизу вверх: глина продельты → алеврит и песок → песок устьевого бара; сверху нередко врезан рукав
Форма ГК: воронка, сверху бывает колокол

Последовательность: Лопасть подводного конуса
Снизу вверх: тонкие турбидиты → всё более мощные и песчаные
Форма ГК: воронка или зубчатая

Последовательность: Заполнение подводного канала
Снизу вверх: мощные песчаные турбидиты → всё более тонкие
Форма ГК: колокол

Последовательность: Карбонатный цикл обмеления
Снизу вверх: морской ил или зерновой песок → отложения приливной равнины с фенестрами, иногда эвапориты
Форма ГК: часто малоинформативна

Последовательность	Снизу вверх	Форма ГК
Русло меандрирующей реки	эрозионная подошва, галька → косослоистый песок → песок с рябью → алеврит и глина с корнями	колокол
Подводный береговой склон	глина шельфа → переслаивание со штормовыми песками → косослоистый песок → пологослоистый песок пляжа → почва или уголь	воронка
Фронт дельты	глина продельты → алеврит и песок → песок устьевого бара; сверху нередко врезан рукав	воронка, сверху бывает колокол
Лопасть подводного конуса	тонкие турбидиты → всё более мощные и песчаные	воронка или зубчатая
Заполнение подводного канала	мощные песчаные турбидиты → всё более тонкие	колокол
Карбонатный цикл обмеления	морской ил или зерновой песок → отложения приливной равнины с фенестрами, иногда эвапориты	часто малоинформативна

Мощность каждой последовательности — от метров до первых десятков метров, у карбонатных циклов — от дециметров до метров. Схемы обобщённые: реальные разрезы бывают неполными, наложенными и размытыми сверху.

Утонение вверх в русле. Река размывает дно, оставляя в основании русла гальку и обломки размытых глин. На внутреннем берегу излучины растёт русловая отмель, и по мере её роста к каждой точке приходит всё более слабое течение: дюны сменяются рябью, рябь — илом, а сверху ложатся пойменные глины с корнями. Мощность полной последовательности примерно равна глубине русла, поэтому её сравнивают с глубиной, оценённой по мощности косых серий (глубина палеореки). Мощные песчаники обычно сложены несколькими наложенными руслами: каждое следующее срезает верх предыдущего, и между ними остаются эрозионные поверхности с галькой, иногда прослои глин. У разветвлённых рек глин мало, и наложенные пески дают однородную пачку.

Огрубление вверх у берега. Когда берег выдвигается в море, к каждой точке дна приближается зона прибоя. Глины, отложенные ниже базиса штормовых волн, перекрываются переслаиванием глин и штормовых песков с бугорчатой косой слоистостью, затем чистыми косослоистыми песками верхней части склона и пологослоистыми песками пляжа (базисы волн). Если уровень моря при этом не менялся, мощность последовательности близка к глубине, на которой начинался склон. У дельт огрубление вверх создаёт выдвигающийся устьевой бар, и сверху его часто срезает рукав с утонением вверх.

Турбидиты. Каждый слой турбидита — одно событие с градационной слоистостью (последовательность Боума), а тренды видны в масштабе пачек. Когда лопасть подводного конуса выдвигается, тонкие отдалённые турбидиты сменяются всё более мощными и песчаными; когда канал заполняется и отмирает, слои вверх становятся тоньше. Пачки тонких турбидитов без тренда характерны для удалённых частей бассейна.

Циклы обмеления в карбонатах. На мелководных платформах накопление легко догоняет уровень моря, и разрез складывается из метровых циклов: подводные илы или зерновые пески вверх сменяются отложениями приливной равнины с фенестрами и трещинами усыхания, иногда эвапоритами; затем дно снова затапливается (Карбонатные осадки, обстановки и пористость карбонатов). Однородные песчаные пачки с резкими границами дают наложенные русла разветвлённых рек, эоловые дюны, подводные каналы и карбонатные отмели.

РасчётЧетыре формы кривой ГК, рассчитанные по условным последовательностям: колокол (русло), воронка (береговой склон), цилиндр (однородный песчаник), зубчатая (переслаивание). Слева в каждой панели — колонка, ширина которой показывает размер зёрен.

Литологическая колонка

Литологическая колонка (graphic sedimentary log) — рисунок разреза, на котором сразу видно, как меняются порода, размер зёрен и текстуры. Её рисуют по описанию керна или обнажения и оформляют так, чтобы другой специалист восстановил главное без текста.

Глубина — слева: для скважин глубина, для обнажений высота над основанием. У керна это глубина по бурильной колонне, которую затем увязывают с каротажем.
Литология — заливка или условный знак для каждой породы: песчаники, алевролиты, глины, карбонаты, угли, эвапориты.
Размер зёрен — ширина заливки: правый край колонки — профиль размера по шкале «глина — алеврит — песок от очень мелкого до очень крупного — гравий» (шкала размеров). Утонение вверх выглядит как сужающаяся кверху колонка, огрубление — как расширяющаяся.
Текстуры — знаки, похожие на саму текстуру: наклонные штрихи косой слоистости, волнистые линии ряби, норки ходов.
Границы слоёв: резкая ровная, эрозионная (волнистая линия, часто с гальками над ней), постепенная.
Ископаемые, индекс биотурбации, палеотечения (стрелки), места отбора образцов, признаки нефти и газа; справа — коды фаций и толкование.

Керн описывают в крупном масштабе — 1:20–1:50, чтобы уместились отдельные слои. Для сопоставления с каротажем колонку перерисовывают в масштабе диаграмм, обычно 1:200 (диаграммы каротажа), предварительно сдвинув глубины керна к глубинам каротажа по гамма-активности (привязка керна). После этого фации керна связывают с формой кривых и продолжают на скважины без керна.

РасчётЛитологическая колонка условного разреза и рассчитанная по ней кривая ГК: глинистость слоёв переведена в показания при линиях чистых пород и глин 25 и 125 API и осреднена по 0,5 м. Справа — толкование.

Расчётный примерЧто видно на колонке

Исходные данные (условные)

Разрез: колонка на рисунке: 2412–2440 м, 18 слоёв
Граница коллектора в примере: песок или более грубая порода с глинистостью меньше 0,3
Мощность косых серий в русловых песчаниках: в среднем 0,16 м — как в примере урока о текстурах

Решение

Мощность интервала — 28 м; коллекторов — 15,7 м: 6,5 м берегового песчаника, 8,6 м русловых песчаников и 0,6 м песчаника конуса прорыва. Доля коллектора $15{,}7/28 = 0{,}56$ .
Нижняя пачка, 2428,0–2437,0 м (9,0 м): над биотурбированными глинами шельфа переслаивание с бугорчатой слоистостью сменяется вверх косослоистым и пологослоистым песчаником, размер растёт от алеврита до среднего песка, ГК падает вверх — огрубление вверх, выдвижение берега.
Верхняя пачка, 2418,6–2427,2 м (8,6 м), начинается эрозионной поверхностью с галькой, размер зёрен падает вверх, сверху — пойменные глины с корнями: русловая последовательность. На глубине 2422,6 м внутри неё вторая эрозионная поверхность с галькой делит пачку на два цикла — 4,6 и 4,0 м.
Глубина реки по сериям: высота дюн $h_d \approx 2{,}9\cdot 0{,}16 = 0{,}46$ м, глубина $(6\ldots 10)\,h_d$ — от 2,8 до 4,6 м; в крайних оценках, когда высота дюн составляет от 2,2 до 3,6 мощности серий, — от $6\cdot 2{,}2\cdot 0{,}16 = 2{,}1$ до $10\cdot 3{,}6\cdot 0{,}16 = 5{,}8$ м. Каждый цикл укладывается в эти пределы, а пачка целиком (8,6 м) — нет.

Ответ: Разрез — регрессивная последовательность: шельф → береговой склон и пляж → прибрежная равнина, в которую врезаны два наложенных русла. Коллекторы составляют 56 % разреза и принадлежат телам разного происхождения.

Что это значит. Тела разной формы. Береговой песчаник — широкое полотно, вытянутое вдоль древнего берега, его можно уверенно сопоставлять между скважинами. Русловые песчаники — узкие ленты и пояса, и соседняя скважина может их не встретить. Поверхность между двумя руслами — возможный слабый барьер: на ней может остаться глинистая галька или тонкий прослой глин. Сравнение с глубиной реки грубое: сегодняшняя мощность цикла меньше первоначальной из-за уплотнения и размыва верха следующим руслом, а отдельные промоины в русле бывают глубже средней глубины. Данные примера условные.

Форма кривой ГК: колокол, воронка, цилиндр

В обломочных разрезах глинистость обычно связана с размером зёрен: чем мельче осадок, тем больше в нём глинистых частиц. Основную часть естественного гамма-излучения таких пород, как правило, дают глинистые минералы (что определяют по ГК), поэтому форма кривой ГК в песчаной пачке часто повторяет профиль размера зёрен — правый край литологической колонки, только зеркально: мелкое уходит вправо, к высоким показаниям. Так же читают кривую потенциалов самопроизвольной поляризации (Каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)); в отечественной практике по этим кривым строят электрометрические модели фаций.

Цилиндр (blocky, cylinder): низкие показания по всей пачке и резкие границы: однородный песчаник — наложенные русла, эоловые дюны, заполнение подводного канала, карбонатная отмель.
Колокол (bell): резкая подошва, показания растут вверх — глинистость увеличивается, часто это утонение вверх: русло, приливный канал, заполнение подводного канала, трансгрессивная пачка.
Воронка (funnel): показания убывают вверх, кровля обычно резкая — глинистость уменьшается, часто это огрубление вверх: береговой склон, устьевой бар, конус прорыва, выдвигающаяся лопасть подводного конуса.
Симметричная форма: огрубление вверх, затем утонение: выдвижение и последующее отступание берега или бара.
Зубчатая кривая (serrated): частые колебания: переслаивание тонких песков и глин — пойма с конусами прорыва, приливная равнина, тонкие турбидиты.

Форма кривой — подсказка, а не диагноз. Одну и ту же форму дают разные обстановки, поэтому её проверяют по керну, текстурам на скважинных имиджах, ископаемым и биотурбации: морская фауна и ходы роющих организмов исключают реку, корни и угли — открытое море. Кроме того, ГК измеряет радиоактивность, а не размер зёрен: богатые слюдой или полевыми шпатами грубые пески дают высокие показания, бедные калием каолинитовые глины — низкие, а в карбонатах подъём кривой часто создаёт уран, а не глина (ловушки ГК). Наконец, прибор осредняет около полуметра разреза и сглаживает тонкие слои и гальку в основании русла — это видно на рисунках урока.

Последовательность и поведение пласта

Порядок фаций в пачке задаёт и порядок проницаемости: в русловом песчанике самые крупные и проницаемые пески лежат у подошвы, в береговом — у кровли. Где сосредоточена проводимость пачки, удобно описать одним числом — высотой центра проводимости.

Высота центра проводимости песчаного тела

z_c = \frac{\sum_i k_i h_i z_i}{\sum_i k_i h_i}

где:

$k_i$ проницаемость $i$ -го слоя, мД или Д — одинаково для всех слоёв
$h_i$ толщина слоя, м
$z_i$ высота середины слоя над подошвой тела, м
$z_c$ высота центра проводимости над подошвой, м

Единицы: любые согласованные единицы

Справедливо, если

слои горизонтальны и прослеживаются на расстояние между скважинами;
течение идёт вдоль слоёв, и вклад слоя пропорционален его проводимости $k_i h_i$ (осреднение по слоям).

Отношение $z_c/h$ , где $h = \sum_i h_i$ — мощность тела, меньше 0,5, если проводимость сосредоточена внизу, и больше 0,5, если вверху. Вместе со средней проницаемостью $\sum k_i h_i/h$ оно подсказывает, куда пойдёт закачанная вода.

Расчётный примерГде в песчаных телах примера проходит основной поток

Исходные данные (условные)

Нижний русловый цикл, 2422,6–2427,2 м (снизу вверх): 0,2 м: $M_z = -0{,}5$ , $\sigma_I = 1{,}5$ ; 1,8 м: 0,7 и 0,8; 1,4 м: 1,5 и 0,6; 1,2 м: 2,6 и 0,5
Береговая пачка, 2428,0–2437,0 м (снизу вверх): 2,5 м: $M_z = 4{,}3$ , $\sigma_I = 1{,}1$ ; 2,5 м: 3,3 и 0,7; 2,5 м: 2,6 и 0,45; 1,5 м: 2,0 и 0,35
Проницаемость слоя: по формуле Крумбейна — Монка $k = 760\,d_g^2 e^{-1{,}31\sigma_I}$ , $d_g = 2^{-M_z}$ мм; средний размер $M_z$ и сортировка $\sigma_I$ — в единицах φ

Решение

Проницаемость слоёв русла снизу вверх: 213,0, 101,0, 43,3 и 10,7 Д; береговой пачки: 0,5, 3,1, 11,5 и 30,0 Д.
Проводимости русла: $42{,}60 + 181{,}80 + 60{,}62 + 12{,}84 = 297{,}86$ Д·м; береговой пачки: $1{,}25 + 7{,}75 + 28{,}75 + 45{,}00 = 82{,}75$ Д·м.
Русло: $z_c = (42{,}60\cdot 0{,}1 + 181{,}80\cdot 1{,}1 + 60{,}62\cdot 2{,}7 + 12{,}84\cdot 4{,}0)/297{,}86 = 1{,}41$ м, $z_c/h = 1{,}41/4{,}6 = 0{,}31$ .
Береговая пачка: $z_c = (1{,}25\cdot 1{,}25 + 7{,}75\cdot 3{,}75 + 28{,}75\cdot 6{,}25 + 45{,}00\cdot 8{,}25)/82{,}75 = 7{,}03$ м, $z_c/h = 7{,}03/9{,}0 = 0{,}78$ .
В нижней половине русла — 80 % проводимости, в верхней половине береговой пачки — 91 %.

Ответ: В русловом цикле центр проводимости лежит на 0,31 мощности от подошвы, и 80 % потока идёт по нижней половине; в береговой пачке — на 0,78 мощности, и 91 % потока идёт по верхней половине.

Что это значит. Проницаемость по формуле для рыхлого песка завышена на порядки — в пласте пески уплотнены и сцементированы (начальная проницаемость), а у нижнего слоя береговой пачки с прослоями глин завышение особенно велико, — но распределение по толщине во многом сохраняется. При заводнении это важно. Вода тяжелее нефти и стекает вниз. В русловом песчанике она идёт по проницаемой подошве, тяжесть удерживает её там же, вода рано прорывается к добывающим скважинам, а верх пласта остаётся плохо промытым. В береговой пачке вода входит в проницаемую кровлю, а тяжесть тянет её вниз, в менее проницаемые слои, и фронт выравнивается — вертикальный охват лучше. Так бывает, если слои сообщаются по вертикали и соотношение подвижностей благоприятно; без перетоков между слоями их порядок на охват не влияет. Количественно это разобрано в теме о вытеснении в слоистых пластах. Данные примера условные.

Последовательности задают и барьеры. Между наложенными руслами остаются эрозионные поверхности с глинистой галькой и прослои глин; между пачками берегового склона — глины поверхностей затопления, выдержанные на большой площади. Первые прерывисты, и поток их обходит; вторые делят пласт на слабо сообщающиеся части (Неоднородность пласта и осреднение проницаемости). С этим учётом выбирают интервалы перфорации, места нагнетания и порядок разработки пластов.

Термины и обозначения

Фация, литофация: слой или пачка с устойчивым набором признаков — состава, размера зёрен, текстур, ископаемых, — отражающих процесс отложения.
Фациальная ассоциация: фации, которые встречаются вместе и связаны одной обстановкой.
Фациальная последовательность: закономерная смена фаций снизу вверх по разрезу; в отечественной литературе также циклит.
Фациальная модель: обобщённое описание фаций обстановки и их пространственного порядка, составленное по современным обстановкам и древним разрезам.
Закон Вальтера: без перерыва друг на друга ложатся только отложения обстановок, соседствовавших по латерали.
Авто- и аллоциклические процессы: внутренние для обстановки (блуждание русел, переключение рукавов) и внешние (уровень моря, погружение, климат, поступление осадков).
Генетическая единица: тело, созданное одним процессом и имеющее узнаваемую форму: заполнение русла, устьевой бар, лопасть подводного конуса.
Утонение и огрубление вверх: уменьшение и увеличение размера зёрен снизу вверх по пачке (fining-up, coarsening-up).
Литологическая колонка: рисунок разреза: глубина, литология, профиль размера зёрен, текстуры, границы, ископаемые, толкование.
Колокол, воронка, цилиндр: формы кривой ГК в песчаной пачке: глинистость растёт вверх, убывает вверх или постоянна.
Электрофация: интервал с характерным сочетанием показаний каротажа, сопоставленный с литофациями керна.
Центр проводимости: высота над подошвой тела, взвешенная по проводимостям слоёв $k_i h_i$ .

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Раз в керне песчаник с крупной косой слоистостью, это русло реки».

На самом деле

Косая слоистость говорит о процессе — движении гряд по дну, — а не об обстановке. Обстановку подсказывают соседние фации и их порядок: над русловым песчаником лежат пойменные глины с корнями, под береговым — переслаивание со штормовыми песками и морская фауна, как в примере урока.

Неверно

«Раз фации лежат друг на друге, их обстановки соседствовали».

На самом деле

Только если между ними нет перерыва. На эрозионных поверхностях, несогласиях и разломах рядом оказываются фации, которые никогда не соседствовали, — и такие границы надо выделять особо.

Неверно

«Колокол на ГК — это русло».

На самом деле

Колокол значит лишь, что глинистость растёт вверх. Так выглядят и приливные каналы, и заполнения подводных каналов, и трансгрессивные пачки; обстановку проверяют по керну, ископаемым, текстурам.

Неверно

«Мощность руслового песчаника равна глубине реки».

На самом деле

Мощные песчаники обычно сложены несколькими наложенными руслами. Глубину одного русла оценивают по циклу между эрозионными поверхностями и по мощности косых серий.

Неверно

«Для заводнения важна только средняя проницаемость пачки».

На самом деле

Важно и где в пачке сосредоточена проводимость. При одинаковой средней проницаемости и сообщающихся по вертикали слоях вода в пачке с проницаемой подошвой прорывается раньше и хуже охватывает верх, чем в пачке с проницаемой кровлей.

Подробно: для продвинутых

Закономерна ли смена фаций: матрица переходов

Глаз охотно видит закономерность и там, где её нет. Проверить, что фации действительно сменяют друг друга в определённом порядке, помогает подсчёт переходов. Разрез записывают как цепочку фаций снизу вверх и считают, сколько раз за фацией $i$ следует фация $j$ . Переход фации в саму себя не считают — граница внутри одной фации условна, — поэтому такую цепочку называют вложенной марковской цепью (embedded Markov chain).

Наблюдаемые и ожидаемые вероятности переходов

p_{ij} = \frac{f_{ij}}{s_i},\qquad r_{ij} = \frac{s_j}{N - s_i},\qquad d_{ij} = p_{ij} - r_{ij}

где:

$f_{ij}$ число переходов фации $i$ в фацию $j$ снизу вверх, —
$s_i$ число переходов из фации $i$ (сумма строки), —
$N$ общее число переходов, —
$p_{ij}$ наблюдаемая вероятность перехода, —
$r_{ij}$ ожидаемая вероятность, если фации сменяют друг друга случайно, но не повторяются, —
$d_{ij}$ разность: положительная — переход предпочтителен, —

Единицы: безразмерные

Справедливо, если

слои выделены по одному правилу во всём разрезе;
простая оценка $r_{ij}$ приближённа: уточнённые методы строже учитывают запрет переходов фации в саму себя; значимость отклонений проверяют критерием $\chi^2$ .

Цепочка предпочтительных переходов — фациальная последовательность, выделенная по числам, а не на глаз.

Расчётный примерПереходы фаций в речном керне

Исходные данные (условные)

Разрез: 40 слоёв четырёх фаций: F1 — галька в основании русла, F2 — косослоистый песчаник, F3 — песчаник с рябью, F4 — алевролит и глина с корнями
Число переходов снизу вверх: F1→F2 — 8, F1→F3 — 1; F2→F3 — 8, F2→F4 — 2; F3→F2 — 1, F3→F4 — 9; F4→F1 — 8, F4→F2 — 1, F4→F3 — 1

Решение

Суммы строк: из F1 — 9, из F2 — 10, из F3 — 10, из F4 — 10 переходов; всего $N = 39$ .
Наблюдаемые вероятности главных переходов: F1→F2 $8/9 = 0{,}889$ , F2→F3 $8/10 = 0{,}800$ , F3→F4 $9/10 = 0{,}900$ , F4→F1 $8/10 = 0{,}800$ .
Ожидаемые при случайной смене: $r_{12} = 10/(39 - 9) = 0{,}333$ , $r_{23} = 10/(39 - 10) = 0{,}345$ , $r_{34} = 10/(39 - 10) = 0{,}345$ , $r_{41} = 9/(39 - 10) = 0{,}310$ .
Разности: 0,556, 0,455, 0,555 и 0,490 — все четыре перехода встречаются намного чаще случайного; разности для остальных переходов отрицательны.

Ответ: Предпочтительная цепочка F1 → F2 → F3 → F4 → F1 — повторяющийся цикл утонения вверх с эрозионным основанием, типичный для русел.

Что это значит. Переход F4 → F1 — галька над пойменной глиной — это эрозионная подошва следующего русла, а не постепенная смена, поэтому закон Вальтера к нему не применяют, хотя переход и закономерен. Редкие переходы тоже содержательны: F3 → F2 — новое усиление течения внутри русла, F4 → F2 и F4 → F3 — пески конусов прорыва или русла без галечного основания. По трём-четырём десяткам переходов оценки грубые; их надёжность проверяют критерием $\chi^2$ и сравнением с другими скважинами. Данные примера условные.

Связь с другими темами

Первичные осадочные текстуры — текстуры, по которым выделяют фации, и глубина палеореки по косым сериям.
Структура осадков: размер, сортировка и форма зёрен — размер и сортировка зёрен — профиль литологической колонки.
Стратиграфия и геологическое время — несогласия, диахронность литологических границ и секвентная стратиграфия.
Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности — физика гамма-каротажа и его ловушки.
Корреляция скважин — как сопоставляют разрезы скважин по фациям и опорным поверхностям.
Карбонатные осадки, обстановки и пористость карбонатов — карбонатные обстановки и циклы обмеления.
Вытеснение в неоднородных пластах — заводнение слоистых пластов и роль порядка слоёв.
Неоднородность пласта и осреднение проницаемости — меры неоднородности и осреднение проницаемости слоёв.
Лабораторный анализ керна — описание, сканирование и привязка керна.
Континентальные обстановки: эоловые и речные — речные и эоловые обстановки.
Прибрежные, мелководные и глубоководные обстановки — прибрежные, дельтовые и глубоководные обстановки.
Строение коллектора и поведение пласта при разработке — форма и связность песчаных тел.

Проверьте себя

1
На биотурбированных глинах шельфа резко, с эрозионной подошвой, лежит пологослоистый песчаник пляжа; переслаивания со штормовыми песками между ними нет. Как это объяснить?
1. А.Песчаник пляжа отложился раньше глин
2. Б.Это однозначно разлом
3. В.Обычное выдвижение берега — закон Вальтера выполнен
4. Г.Пояса подводного склона пропущены: вероятно, резкое падение относительного уровня моря и размыв; такую поверхность важно проследить при корреляции
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Пояса подводного склона пропущены: вероятно, резкое падение относительного уровня моря и размыв; такую поверхность важно проследить при корреляции
Глины шельфа и пески пляжа не соседствуют: между ними лежит подводный береговой склон. Раз его отложений нет, а подошва эрозионная, смена была скачком — обычно при быстром падении относительного уровня моря. Разлом тоже возможен, но для такого вывода нужны другие признаки — выпадение или повторение разреза, зеркала скольжения.
2
Кривая ГК в песчаной пачке — колокол: резкая подошва, показания растут вверх. Какой вывод корректен?
1. А.Размер зёрен обязательно уменьшается вверх
2. Б.Это русло реки
3. В.Глинистость растёт вверх; это может быть русло, приливный канал, заполнение подводного канала или трансгрессивная пачка — обстановку уточняют по керну
4. Г.Это береговой склон
Показать ответ
Правильный ответ: В. Глинистость растёт вверх; это может быть русло, приливный канал, заполнение подводного канала или трансгрессивная пачка — обстановку уточняют по керну
ГК показывает изменение радиоактивности, обычно связанное с глинистостью. Колокол дают несколько обстановок, а слюдистые или полевошпатовые пески могут исказить связь с размером зёрен. Решают керн, ископаемые, биотурбация, текстуры на имиджах.
3
Средняя мощность косых серий в русловом песчанике — 0,25 м, а пачка с утонением вверх имеет мощность 12 м. Одно ли это русло?
Показать ответ
Высота дюн $h_d \approx 2{,}9\cdot 0{,}25 \approx 0{,}73$ м, глубина реки $(6\ldots 10)\cdot 0{,}73 \approx 4{,}4–7{,}3$ м, крайние оценки $6\cdot 2{,}2\cdot 0{,}25 = 3{,}3$ и $10\cdot 3{,}6\cdot 0{,}25 = 9{,}0$ м. 12 м больше даже крайней оценки, поэтому пачку, скорее всего, сложили два или больше наложенных русла; в керне ищут внутренние эрозионные поверхности с галькой и скачки размера зёрен.
4
Две пачки одинаковой мощности и средней проницаемости, слои в обеих сообщаются по вертикали: в первой проницаемость падает вверх, во второй растёт вверх. В какой из них при заводнении вода скорее прорвётся по подошве и хуже охватит верх?
1. А.Во второй
2. Б.Одинаково: решает средняя проницаемость
3. В.Это зависит только от вязкости нефти
4. Г.В первой
Показать ответ
Правильный ответ: Г. В первой
В первой пачке проницаемая подошва и тяжесть воды действуют заодно: вода идёт по низу и рано прорывается. Во второй вода входит в проницаемую кровлю, а тяжесть тянет её вниз, выравнивая фронт. Вязкости нефти и воды влияют на обе пачки и могут сократить разницу между ними, но не меняют того, в какой из них вода прорвётся раньше. Если бы слои разделяли выдержанные глины и перетоков не было, порядок слоёв на охват не влиял бы.
5
В цепочке фаций 30 переходов; из фации A — 6, из фации B — 9. Чему равна вероятность перехода A → B при случайной смене фаций и что значит, если наблюдаемая вероятность равна 5/6?
Показать ответ
$r_{AB} = s_B/(N - s_A) = 9/(30 - 6) = 0{,}375$ . Наблюдаемая $5/6 \approx 0{,}83$ больше на 0,46 — переход A → B предпочтителен. По шести переходам из A вывод предварительный; его проверяют критерием $\chi^2$ и на других разрезах.
6
Две скважины в 2 км друг от друга. В обеих прослеживается тонкий пласт глин с морской фауной, а русловой песчаник есть только в одной. Какую границу надёжнее взять опорной при корреляции и почему?
Показать ответ
Глины с морской фауной отложились при затоплении всей области — это аллоциклическое событие, и такая поверхность прослеживается далеко. Русло — результат блуждания реки, процесса автоциклического и местного: в соседней скважине его может не быть, а его подошва срезает разные слои. Поэтому опорной берут подошву или кровлю морских глин, а русловой песчаник сопоставляют как отдельное тело.

Обновлено: 15 октября 2026 г.