Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение

Подождите немного. Документ загружается.

породы, производят природный флюидоразрыв, т.е. сами соз-

дают себе емкость и превращают глины в коллекторы. Про-

мышленные залежи в коллекторах такого рода открыты в

майкопских глинах Предкавказья, баженовской свите Запад-1

ной Сибири и других районах.

Второе следствие этой трансформации — появление сво-

бодной воды и ее удаление. Чисто механическое отжатие во-!

ды происходит в диагенезе и на начальных стадиях катагене-|

за. При этом удаляется находящаяся в межзерновом про-!

странстве так называемая свободная вода, что ведет к сниже-|

нию пористости породы. На значительных глубинах при пе-;

рестройке кристаллической решетки удаляется химически!

связанная вода, причем количества ее весьма существенны.:

Так, выделяющаяся при дегидратации межслоевая и пленоч-1

ная вода монтмориллонита составляет около 10—15 % от nep-j

вичного объема осадка. Из физики известно, что вода — это!

практически несжимаемая жидкость, и выделившейся из

кристаллической решетки воде надо где-то поместиться, куда-!

то деться. Если глины переслаиваются с изначально порис-

тыми и проницаемыми породами, например, песчаниками, то

она выжимается туда вместе с растворенными в ней компо-

нентами, что ведет к вторичной цементации этих песчани-

ков. Прорываясь к поверхности по трещинам и зонам разло-

мов в области пониженных температур и давлений, эти горя-1

чие воды, содержащие в растворе различные соединения, на-!

чинают осаждать их, и образуются гидротермальные жилы, в

том числе с рудной минерализацией, не имеющие ничего

общего с эндогенным источником ни воды, ни переносимых

ею компонентов.

Если же процессы трансформации и выделения воды про-

исходят в мощных однородных глинистых толщах, то форми-

руется система литогенетических катагенетических трещин.

Это, наряду с отмеченным выше образованием вторичной;

трещиноватости за счет образования углеводородов, ведет к|

тому, что глинистые породы в форме аргиллитов приобрета-1

ют свойства коллектора.

6.7. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Исследование глинистых пород имеет свою спе-

цифику и достаточно сложно. Это определяется прежде всего

и главным образом высокой дисперсностью, что делает прак-

тически невозможным или крайне затруднительным самый

320

бШ

ин

и универсальный метод изучения пород в шлифах под

микроскопом. Кроме того, сложный и часто не постоянный

состав глинистых минералов, сложная и разнообразная

структура кристаллической решетки, наличие смешанослой-

НЬ

1Х минералов, равно как и полиминеральных глин, требуют

использования сложной дорогостоящей аппаратуры, далеко

не

всегда имеющейся как в учебных заведениях, так и в на-

учных и тем более производственных организациях. Другими

словами, анализы эти, как правило, не могут быть массо-

выми.

Одним из наиболее полных и удачных пособий по иссле-

дованию глинистых пород является «Методическое руково-

дство по петрографо-минералогическому изучению глин»,

составленное коллективом авторов под руководством

Ivi.ф. Викуловой. Безусловно, ряд положений сейчас пере-

смотрен, более широко внедрена некоторая аппаратура, поя-

вились и новые приборы. Вместе с тем, несмотря на то что

руководство издано в 1957 г., оно до сих пор является важ-

ным и практически всеобъемлющим пособием по данной

проблеме, которое широко используется и в новейших изда-

ниях, в том числе учебных. Оно может быть с полным пра-

вом рекомендовано студентам для первоначального изучения

глинистых пород и методов их исследования.

Сложности изучения глинистых пород определяют и ши-

рокий спектр исследования различных компонентов породы

разными методами. Обобщенная схема такого комплексного

исследования показана на рис. 6.2, взятом из указанного ме-

тодического руководства. Ясно, что в вузовском курсе «Лито-

логии», равно как и в большинстве научных и производст-

венных организаций, весь комплекс не может быть использо-

ван, поэтому в данном пособии рассмотрены только наиболее

общие методы, а для некоторых указаны лишь принципы, об-

ласти применения и характер решаемых ими задач.

Изучение глинистых пород, как и всех других, начинается

с макроскопического описания, где указывается цвет, пла-

стичность, размокаемость, карбонатность, наличие тех или

иных устанавливаемых визуально примесей и включений

песчано-алевритового материала, остатков фауны и флоры,

текстура и т.д. В обнажениях обязательно отмечается харак-

тер залегания, мощность пластов, взаимоотношения их с дру-

гими породами и т.д. В керне и при изучении образцов в ка-

меральный период многие из этих показателей отсутствуют,

но по возможности все видимые характеристики должны

быть отмечены.

321

Тип глины

Минеральный состав

Органические остатки

Структура, текстура

Погло- Водно- Глина рН Eb

шейный раство-

комп- римые

леке соли

' •

Методы, изучающие породу в целом

Методы, изучающие отдельные компоненты породы

Рис. 6.2. Методы изучения глинистых пород (по М.Ф. Викуловой):

1 — полевое изучение; 2 — петрографическое изучение шлифа; 3 — грану-

лометрический анализ; 4 — химический анализ; 5 — термический анализ;

6 — спектральный анализ; 7 — изучение оптических свойств агрегатов ори-

ентированных частиц глинистых минералов размером менее 0,001 мм; 8 —

электронная микроскопия; 9 — электронографический анализ; 10 — рентге-

новский; 11 — спектрофотометрический анализ; 12 — изучение инфракрас-

ных спектров поглощения; 13 — минералогический анализ неглинистых ми-

нералов; 14 — изучение органического вещества; 15 — органические остат-

ки — палеонтологические определения; 16 — изучение поглощенного ком-

плекса катионов; 17 — определение водорастворимых солей; 18 — диализ и

электродиализ; 19 — определение рН; 20 — определение Eh

Возможности самого массового и стандартного метода

изучения осадочных пород — в шлифах — в значительной

степени ограничены: дисперсность основного породообра-

зующего компонента — глинистых минералов — не позволя-

ет определить или очень затрудняет определение самых

важных его свойств — минерального состава по оптичес-

322

цМ константам, формы и размеров частиц этих минералов

и АР-

При изучении глинистых пород под микроскопом следует

прежде всего оценить количество глинистого материала и

не

глинистых примесей, т.е. описать общий вид породы в

д^фе. Далее описывается общая характеристика основной

глинистой массы. Поскольку частицы отдельных глинистых

минералов всегда меньше стандартной толщины шлифа

(0,03 мм), то в шлифе, по сути дела, наблюдаются не отдель-

ные частицы — кристаллы, а их совокупность, причем в каж-

дой точке не менее трех частиц (при максимальном размере

частиц 0,01 мм и толщине шлифа 0,03 мм). При этом на каж-

дой границе этих частичек свет преломляется, двупреломля-

ется и в итоге рассеивается. В результате в шлифе видна бо-

ле

е или менее однородная непрозрачная или полупросвечи-

вающая масса. В зависимости от размеров частиц и наличия

тех или иных примесей она может быть серой, темно-серой,

желтоватой, бурой, зеленоватой и т.д. Поскольку частицы

глинистых минералов обычно ориентированы по-разному, то

при введении анализатора все сразу они угасать не будут, но

часть из них окажется в положении угасания, т.е. через по-

роду будет проходить не весь свет, который проходил без

анализатора. В результате эта однородная масса становится

темнее, но при вращении столика микроскопа полностью не

угасает (см. также гл. 2).

В некоторых глинах наблюдается беспорядочно-чешуй-

чатое строение, особенно когда в них имеются относительно

крупные чешуйки гидрослюд. В этом случае на фоне серой и

темно-серой более или менее однородной массы отмечаются

светло-серые, желтоватые, золотистые волоски, чешуйки,

штришки и т.д., которые и представляют собой частицы гид-

рослюд размером, по крайней мере, сопоставимым с толщи-

ной шлифа.

В редких случаях, когда удлиненные, листоватые частички

глинистых минералов осаждаются в очень спокойных водах,

они ложатся субпараллельно друг другу и образуется ориен-

тировано-агрегатное строение. При этом они формируют как

бы один кристалл, поскольку чешуйки имеют одинаковую

или, по крайней мере, близкую оптическую ориентировку. В

этом случае при вращении столика микроскопа отмечается

осветление и затемнение всего шлифа или его значительной

части. При таком строении можно попытаться по оптическим

константам определить минеральный состав. В общем же

случае при стандартных описаниях шлифа, особенно поли-

323

минеральных глин, состав их определить не представляется

возможным.

Исходя из наличия тех или иных примесей, можно выде-

лить несколько основных структур.

Для «чистых» глин это пелитовая структура и ее некото-

рые разновидности, относящиеся, скорее, к микротекстур-

ным характеристикам — беспорядочно-чешуйчатая, ориенти-

рованно-агрегатная и др.

При наличии тех или иных примесей выделяются и неко-

торые другие структуры. Достаточно часты песчано-

пелитовые, алевро-пелитовые структуры, когда глины содер-

жат обломочный материал соответствующей размерности.

Другая нередкая структура — фитопелитовая, когда в глинах

присутствуют форменные остатки растительности, в том чис-

ле спор, пыльцы, водорослей.

После описания структуры породы в целом и ее основной

глинистой массы обязательно описываются и все примеси по"

достаточно стандартным схемам, принятым при изучении об-

ломочных пород, органических остатков, аугигенных минера-

лов и т.д.

В шлифах отмечаются и важные текстурные, точнее, мик-

ротекстурные характеристики — микрослоистость, ооидное

строение, линзовидность и т.д., которые, естественно, должны

быть описаны.

Имеются некоторые относительно несложные методы оп-

ределения минералогии глин — метод капли, окрашивания и

др., однако они в целом не очень достоверны.

Достаточно простым лабораторным методом опреде-

ления минерального состава глин является метод красите-

лей (Веденеева, Викулова, 1952). Он основан на том, что

глины разного состава и соответственно разного строе-

ния кристаллической решетки по разному адсорбируют

красители и обмениваются с ними катионами с соответст-

вующими изменениями цвета глинистой суспензии.

Основными красителями являются метиленовый голубой и

бензидин, к которым в разных модификациях добавляются

KCl (введение в систему ионов калия) и HCl (изменение рН

среды). Метод неплохо работает при светлых окрасках глин.

Темноцветные глины, обогащенные органическим веществом,?

перед окрашиванием необходимо обесцвечивать перекисью

водорода.

Для точных, и тем более количественных определений не-

обходимы и более сложные методы, среди которых наиболее

распространены термический, рентгеноструктурный анализы

324

!стройная микроскопия. Суть и возможности этих анали-

й ** методов рассмотрены в гл. 4.

"^рентгеноструктурный анализ, по сути дела, определяет

vRT

ypy и параметры кристаллической решетки, которые и

^воляют определять минерал. Этот метод, вернее, ряд его

ноВ

идностей в настоящее время наиболее точный и в то

ремя достаточно массовый при специальном исследова-

H глин.

6.8. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ

ЗНАЧЕНИЕ ГЛИН

Уже сам факт широкого распространения глини-

стых пород, составляющих не менее половины объема всех

осадочных пород неогея, говорит об их важном значении в

науке и практике. Минеральный состав глинистых пород не-

сет часто важную генетическую информацию о климате и

геохимических обстановках места и времени их образовании,

что уже неоднократно отмечалось.

Напомним, что каолинит формируется в кислых средах

(коры выветривания в областях гумидного климата, болота),

минералы группы монтмориллонита и палыгорскит-сепиоли-

а — в щелочных условиях: при выветривании в аридном

климате, подводно-морских обстановках, содовых озерах и

водоемах повышенной солености, которые часто отличаются

и повышенной щелочностью, глауконит — практически все-

гда образуется в морских осадках и т.д.

Надо, однако, четко представлять, что прямые и одно-

значные выводы только по одному показателю делать весьма

опасно, и они должны проверяться и другими независимыми

данными. Более того, как показано выше, многие глинистые

минералы в катагенезе переходят в гидрослюды, поэтому

сама генетическая интерпретация гидрослюдистых глин

далеко не однозначна — это могут быть как первичные гид-

рослюды, формирующиеся в определенных условиях,

так и новообразованные, т.е. никак не отражающие первич-

ного состава и соответственно условий их образования. Мно-

гие глины являются механически переотложенными, т.е.

также не связанными с геохимическими условиями их нако-

пления.

Наличие кор выветривания, а глины составляют основу их

петрографического состава, указывает на континентальные

условия, спокойный тектонический режим и умеренно рас-

325

члененный рельеф. Глинистые толщи широкого площадного

распространения характерны для эпох тектонической стаби-

лизации и спокойного рельефа — как подводного, так и рав-

нинного наземного, поскольку при высоком и расчлененном

рельефе в бассейны седиментации в значительных количест-

вах поставляется не глинистый, а песчано-алевритовый и да-

же более грубозернистый материал.

Не менее важно и прикладное практическое значение

этих пород. Сами глины являются важными полезными иско-

паемыми. Они используются для производства фарфора и

фаянса, различных керамических изделий, разнообразных

стройматериалов и изделий — кирпича, черепицы, различных

труб, в качестве важного компонента при производстве це-

мента и т.д. Многие глины — важные и высококачественные

огнеупоры с температурой плавления до 1500 °С. Некоторые

виды глин являются наполнителями при производстве рези-

ны, бумаги, отдельных сортов мыла и других продуктов. Об-

ладающие высокими сорбционными свойствами глины груп-

пы монтмориллонита используются как отбеливающие сред-

ства во многих производствах, в качестве катализаторов в

ряде химических производств. Достаточно подробно требова-

ния к глинам, используемым в различных производствах,

рассмотрены Р.Э. Гримом (1967).

Уникальна роль глин как основного минерального вещест-

ва почв — основы производства всех пищевых продуктов, в

том числе — в сельскохозяйственной деятельности человече-

ства. Эта роль почв определяется содержащимся в ней орга-

ническим веществам и бактериям, но минеральным носите-

лем этих веществ являются именно глины.

Отдельно следует отметить роль глинистых пород в геоло-

гии нефти и газа и вообще в нефтяной промышленности.

Глины, как отмечалось выше, часто содержат повышенные

концентрации органического вещества, причем нередко са-

пропелевого состава, благоприятного для нефтеобразования.

Тем самым глинистые породы являются одними из важней-

ших, если не важнейшими нефтепродуцирующими отложе-

ниями.

Благодаря своей тонкозернистости и соответственно очень

малым размерам пустот между отдельными частицами, диа-

метр фильтрующих каналов в глинах очень мал и породы

практически непроницаемы, хотя могут обладать высокой

пористостью. Поэтому выдержанные пласты глин достаточ-

ной мощности являются важными флюидоупорами — по-

крышками залежей нефти и газа.

326

Экранирующие свойства покрышек определяются двумя

показателями: свойствами собственно глин или, точнее, гли-

нистых минералов и характером глинистых толщ (слоев, па-

чек и т.д.) в целом. Другими словами, характеристика дается

на

уровнях — чисто породном, на котором эти свойства

зависят прежде всего от структуры и минерального состава

глин, и на уровне геологических тел, т.е. ассоциаций пород.

На первом, породном уровне наилучшими в этом отноше-

нии, т.е. обладающими самой низкой проницаемостью, явля-

ются глины монтмориллонитового состава. Это определяется

несколькими обстоятельствами. Во-первых, они наиболее

тонкозернисты, и, следовательно, размер межзерновых

пустот минимален, во-вторых, это глины набухающие, и,

в-третьих, они обладают наиболее высокой адсорбционной

способностью. При набухании объем и, главное, размер пус-

тот между глинистыми частицами сокращается и породы ста-

новятся практически полностью непроницаемыми. Аналогич-

но и воздействие высокой сорбционной способности, по-

скольку на частичках образуется толстый и прочно удержи-

ваемый слой воды, что резко сокращает размер пустот.

Второй уровень — уже характеристика геологического те-

ла, сложенного глинами. Эти глинистые пачки становятся эк-

ранирующей толщей только по достижению определенной

мощности, ибо маломощные пласты могут оказаться недоста-

точными для сохранения углеводородов, особенно газо-

образных.

Так, глинистая толща турона-дата, а иногда и палеоцена,

мощностью более 600 м надежно изолирует огромные газо-

вые залежи Уренгойского и Медвежьего месторождений в

Западной Сибири. Глинистые пласты меньшей мощности в

самом сеноманском комплексе разделяют его на ряд отдель-

ных продуктивных пластов, которые, однако, гидродинамиче-

ски связаны друг с другом. Глинистые толщи нижнего альба

и нижнего турона экранируют газовые залежи, в том числе

гигантского Газлинского месторождения в Западном Узбеки-

стане. Для нефти с ее существенно меньшей миграционной

способностью экранирующие глинистые толщи могут иметь

меньшие мощности. В Волго-Уральской области маломощные

глинистые пласты Малиновского надгоризонта являются по-

крышкой только нефтяных залежей турне, да и то иногда

последние имеют общий уровень водонефтяного контакта с

залежами в вышележащих песчаниках бобриковского гори-

зонта. Это свидетельствует о гидродинамической связи зале-

жей, т.е. фильтрация через маломощные покрышки в

327

геологическом масштабе времен осуществляется. Другим по-

казателем, влияющим на экранирующие свойства глинистой

толщи, является ее однородность. Примесь алевритового и

песчаного материала и тем более прослойки этих пород сни-

жают экранирующие способности толщи в целом.

Имеет значение и состояние глинистых пород — пластич-

ные это глины или уже плотные аргиллиты, которые могут

быть микротрещиноватыми. Более того, в настоящее время

показано, что трещиноватые аргиллиты могут быть и коллек-

торами, т.е. традиционное представление обо всех глинистых

породах только как о покрышках не совсем точно. Промыш-

ленные запасы нефти обнаружены в глинистых породах май-

копской серии в Предкавказье, в баженовской свите Запад-

ной Сибири и других районах.

Глинистый материал в цементе песчаников — традицион-

ных и до сих пор важнейших коллекторов нефти и газа —

оказывает негативное влияние на их коллекторские свойства.

При этом, кроме количества глинистого вещества, очень

Кш,

мД

3000

2000

1000

Ряс. 6.3. Зависимость коэф-

фициента проницаемости

от содержания С и ми-

нерального состава глини-

стого цемента (по В.Н. Коб-

рановой, 1962).

0 10

20 С, %

Ώ.

Глины в цементе: 1 — као-

линовые, 2 — полимине-:

ральные, 3 — монтморилло-

нитовые

328

дыиое значение имеет и его минеральный состав, причем

цательное воздействие возрастает в ряду каолинит

—

^!Дрослюда

—

монтмориллонит (рис. 6.3).

(Содержащиеся в цементе минералы группы монтморилло-

ита, присоединяя воду, увеличивают свой объем в 3 раза и

более· уменьшают поровое пространство и закупоривают

фильтрующие каналы, снижая тем самым пористость и осо-

бенно проницаемость. Аналогично влияет и высокая сорбци-

онная способность глин такого состава. На их частичках

всегда образуется достаточно толстый слой сорбированной

воды, и такие водяные оболочки, также как и способность

глин к набуханию, снижают коллекторские свойства пород.

Опытно было установлено, что если в песок с проницаемо-

стью 60,3· 10"

добавить каолинит в количестве 2 и 5 %,

то коэффициент проницаемости снижается до

17,4·

-12

и O

12-10"

соответственно. Добавление таких же коли-

честв монтмориллонита снижало проницаемость уже до

5,8·Ю~

0,02·

10"

. В серии других опытов (А.А Ханин) в

песчаную фракцию размером 0,15 — 0,25 мм добавлялось 5 %

монтмориллонита. При влажности такой смеси в 5 % прони-

цаемость снижалась в 12 раз, а при влажности 15 % — в

35 раз.

Наконец, глины используются и в других областях нефтя-

ной и газовой промышленности. Бурение глубоких скважин

часто невозможно без использования бурового раствора —

особым образом приготовленной глинистой суспензии, при-

чем лучшими являются глины монтмориллонитовой груп-

пы

—

бентониты, которые образуют устойчивые суспензии. В

ряде производств используются глины подобного состава и

для очистки некоторых нефтепродуктов.