книги / Физические свойства коллекторов нефти при высоких давлениях и температурах

ся в широком развитии игольчато-столбчатых отдельностей (рис.

3 , г). Для торцовых поверхностей столбчатых отдельностей харак­ терны раковистые сколы, осложненные ступенчатым и игольчато­ столбчатым рельефом, отличающимся, изгибами иголок на сферичес­

мечается обилие остроугольных обломков разных размеров и форм - микробрекчия, являющаяся также результатом хрупкой деформации.

На границах между иголками (рис. 3, г) встречаются мелкие пилообразные ступенчатые формы, напоминающие структуры типа дислокаций, а также выдавливание отдельных блоков, осложненных в свою очередь слоистой ребристостью более мелкого масштаба, направленной под углом около 4 0 ° к длинной оси иголок (слоистая ребристость отражает общее направление макроскола испытанного

цилиндра кварца). Эти явления,-видимо, можно отнести к пластичес­ кой деформации, хотя и не в чистом виде. Выдавливание микробло­ ков, при одновременном их скольжении, иногда сопровождается час­ тичной аморфизацией вещества (рис. 4 ,д ). На участках развития микробрекчий также отмечается аморфизация мелких обломков (рис. 4,6) - контуры обломков нерезкие, нечеткие; края, закругленные; плавные, обтекаемые формы имеют и пространства (поры) между обломками.

Следует, видимо, пояснить, что под аморфизацией вещества по­ нимаем явление нарушения кристаллической структуры образца на уровне монокристалла, кристаллической решетки, ячейки, атомно­ молекулярном уровне. При этом возможно сохранение как отдельных фрагментов кристаллической решетки, так и ближнего порядка на атомно-молекулярном уровне. На вопросах механизма этого явления остановимся в конце статьи.

Аморфизация вещества при деформировании горного хрусталя наб­ людается' в основном в зонах дробления, где сильное развитие по­ лучают как микротрещиноватость, так и микробрекчии. На поверх­ ности же зеркал скольжения слой аморфизованного вещества улавли­ вается. не всегда, Аморфизованная плёнка ведет себя как пластичное вещество, придавая мягкие, округлые очертания различным структу­ рам хрупкой деформации, обломкам микробрекчий (рис, 4,в,д)>

На другой микрофотографии видно, как аморфизованная пленка

около 4 0 ° по отношению к длинным осям иголок (и оси с крис­

талла).

Аналогичные явления обнаруживаются и после травления плавико­ вой кислотой. На микрофотографии (рис. 4,е) видны пилообразные выходы дислокационного типа, характерные для деформированного кварца и других минералов. Таким образом, с помощью РЭМ обна­ ружены многообразные структурные формы деформации горного хрус­ таля, основные из кбторых (преобладающие) здесь приведены.

Опал, Анализировался белый фарфоровидный кавернозный образец из месторождения Джетыгора (Казахстан), из зоны окисления - вскрышной части карьера по добыче асбеста и змеевика,

В шлифе исходного образца (см, рис, 1 ,г) кремнистое вещест­ во бурое, гелеморфное, плотное, .изотропное, участками слабо дву­ преломляющее, с округлыми колломорфными выделениями, в цент­ ральной части раскристаллизованными до волокнистого халцедона.

разца произошел по трещине, направленной под углом 6 5 р к основ­ ной продольной нагрузке. Поверхность скола гладкая, матовая. При разрушении образовался тонкий белый порошок,

В шлифах деформированного образца, сделанных из торцовой час­ ти цилиндра, наблюдается тонко раздробленное кремнистое вещество. По всему полю развита тонкая* густая сеть хаотических трещин (см, рис, 1,<)), раскрытостыо не более 5 - 1 0 мкм. Если ширина трещины все же превышает 1 0 мкм, в ней скапливаются пылеватые обломки кремнистого вещества, образовавшиеся в результате дроб­

ления в ходе дефор?сации.

Рентгенограмма исходного образца опала обнаруживаетскрыто­ кристаллическое вещество, состоящее из а- кристобалита с неболь--

На erg присутствие указывает увеличение интенсивности рефлекса

на дифрактограмме выражена повышенной (по сравнению с горным хрусталем) флуктуацией * фона.

После деформации основные рефлексы кремнистых минералов, входящих в состав опала, остались без видимых изменений. Несколь­

сокой, а в малоугловой области несколько возросла. Исследование с помощью РЭМ показало, что опал ,в исходном

образце* имеет однообразную поверхность сколов на однородных участках. На рис, 5 , а виден край образца с острыми пиками и раковистыми сколами торцовых поверхностей пиков; видны также затухающие трещины - результат раскалывания образца. При съем­ ке срединных участков образца (не кавернозных) получается толь­ ко однообразный серый фон. При больших увеличениях основная мас­ са породы имеет небольшую, приглушенную шероховатость (рис, 5,6)* Встречаются участки, обнаруживающие нечеткую параллельную и линзовидную микрослоистость; наблюдаются зачатки кристаллитов с нечеткими контурами. После травления плавиковой кислотой повер­

хность породы (на фоне общей небольшой бугорчатости) приобретает ячеистую микропористую структуру (*рис, 5 , б), что свидетельствует

о неоднородности кремнезема данного образца. Возможно, эта микропористорть обусловлена удалением части воды при травлении. Пос­ ле травления резче обозначены частицы кристаллитов; на отдельных участках слабо проявляется псевдоглобулярная структура вещества.

пластической деформации. Наплывы сопровождаются трещинами и образованием микробрекчий. После травления плавиковой кислотой проявляется общая микропористость, как и в исходном образце.

Кварцит. Анализировался образец из Волынского месторождения (Украина). Это метаморфическая почти мономинеральная порода массивной текстуры, плотная, практически лишенная пор.

В шлифе кварцит состоит из зерен кварца с примесью гематита, магнетита, мусковита и серицита, образующих как бы прокладки между кварцевыми зернами. Зерна прочно срослись друг с другом с образованием сутуровых швов на контактах. Небольшая часть из

них трещиновата или пластически деформирована; характерны зональ­ ное погасание, вызванное блочным строением и деформированием, пластинкование зерен, подчеркиваемое полосами Бема, и другие яв­ ления, Локально развит также бластез кварца, поглощение зерен мигрирующей границей, гранулярная текстура породы и другие пре­

деформированного образца отчетливо диагностируются явления хруп­ кой деформации, полученные в результате эксперимента; трещины, секущие зерна - прямолинейные, ступенчатые; вытянутые зоны катаклаза, приуроченные к жестким контактам между ними. По-лрежне- му характерны и микросутуровые, зигзагообразные границы между зернами, количество которых возросло по сравнению с исходным образцом. Так же как для исходного образца, характерно волнистое погасание зерен и другие проявления пластической деформации, при­ роду которых (естественные они’или получены в результате экспе­ римента) оценить в шлифах однозначно не представляется возмож­ ным, так как имеем дело с изначально интенсивно преобразованной метаморфической породой.

Наряду с волынским исследовался кварцито-песчаник шокшинской свиты ионтийской толщи Прионежья, состоящий из плотных кварцевых зерен изометричной формы. В отличие от Волынского об­ разца кварцевые зерна в шокшинском кварцито-песчанике находятся в оболочке гематита, образующего пленочный или поровый цемент. На участках его отсутствия широко развита кварцитовидная структура.

Шокшинский кварцито-песчаник был поцвергнут деформации в ус­ ловиях неравномерного объемного сжатия (CTQд * 1 0 0 0 кгс/см 2, t—комнатная). Образец разрушился по трещине, направленной поц углом 6 0 ° к основной оси нагрузки* Зерна кварца частично оказа­ лись разобщенными трещинами и раздробленными на отдельные бло­ ки, обломки. При этом большей частью они сохранили свои округа лые очертания за счет гематитовой смазки между ними, но приоб­ рели микросетчатость. Гематит как более пластичный минерал, час­ тично выдавился и перераспределился в лунках между кварцевыми зернами.

В шлифе, параллельном основной нагрузке, наряду с межзерно­ выми трещинами, особенно отчетливо визуализируются внутризерно-. вые трещины, субпараллельные друг другу и параллельные оси ис­ пытанного цилиндра. Локально наблюдаются проявления бластеза ряда зерен.

При всестороннем сжатии 1 5 0 0 кгс/см ^ и комнатной темпера­ туре зерна кварца как бы очистились, приобрели большую однород­ ность. Для них характерны зональное погасание, регенерация. Гема­ тит местами ориентирован в соответствии с упорядочением кварце» вых зерен перпендикулярно действию основной нагрузки.

Дифрактограммы исходных и деформированных образцов кварцита

Анализ образцов, шлифов, дифрактограмм исходных и деформиро­ ванных свидетельствует, видимо, о том, что кварцит в условиях данного эксперимента мало способен к пластической деформации и часто ведет себя как упруго-хрупкая порода, что подтверждают и диаграммы деформации. По-видимому, это связано со сложной и длительной историей его преобразования в природных условиях: кварцит уже прошел ту стадию преобразования, для которой харак­ терны явления пластической деформации и вызвать их вновь в усло­ виях проведенного эксперимента оказалось невозможным. Можно предположить, что с ростом p-t параметров ранее возникшая де­ фектность кварца в кварците, в том числе пластические явления,* будут постепенно сниматься за счет возникновения гранобластовьТх структур. Подобные явления, связанные с упорядочением кристалли­ ческой решетки по мере снятия внутренних напряжений обломочных зерен с ростом давления и температуры, имеют место в естествен­ ных условиях при региональном метаморфизме: наблюдается рост более крупных кристаллов за счет более мелких, т.е. процесс соби­

Шокшинский кварцито-песчаник был исследован и с помощью РЭМ. Общий облик породы исходного образца представлен на рис. 6 , а. Видны размеры, форма и соотношения кварцевых зерен, а также ха­ рактер сколов самих обломков кварца. Сколы отдельных зерен носят

разнообразный характер* Встречаются сильно (Сформированные об­ ломки со ступенчатыми и сетчатыми структурами. Деформации огра­ ничиваются обычно контурами одного зерна. Значительным развити­ ем пользуется гранулированный кварц; он заполняет поры и разви­ вается на границах сочленения кварцевых обломков. Это уже резуль­ тат глубокой перекристаллизации кремнезема. Кристаллики кварца часто имеют довольно правильную огранку. На отдельных участках- в исходном образце наблюдается разобщение обломков и даже встре­ чаются мелкие поры.

В деформированном кварцито-песчанике обнаружено усиление в масштабе развития грануляции кварца (рис. 6 9г). Зерна гранулиро­ ванного кварца как бы слиты, меньше разобщены, несколько хуже огранка основной массы кристалликов (рис. 6,д) - верхний правый угол; иногда наблюдается некоторая ориентированная сдавленность их. Широко развита хрупкая деформация, выражающаяся как в отры­ ве отдельных зерен, так и в расколе самих обломков кварца. Линии разломов резкие, обычно неровные, ломаные, сопровождаются раз­ номасштабными трещинами и мелкими пустотами (рис. 6,6). Ха­ рактерно дробление, измельчение вещества с некоторой аморфизацией и раэвальцеванием тонкого материала (рис. 6,д) - левый нижний угол; видимо, результат одновременного скольжения.

На сколе, перпендикулярном наслоению, различные структуры де­ формации выражены более резко. Преобладает хрупкая деформация -

разнонаправленных и разномасштабных трешин как на контактах зе­

разбитая трещинами, с характерной штриховкой на плоскости сколь­ жения. Следует отметить, что зеркала скольжения большей частью проходят под углом около 4 5 ° по отношению к оси цилиндра испы* тайного образца. Это же направление преобладает в распределении магистральных трещин, ориентировке отдельных зерен, вернее, их блоков дробления. Оно отражается при образовании призматических и ступенчатых сколов отдельных зерен.

Таким образом, в результате проведенных исследований выявле­ ны различный характер и масштаб проявления пластической и хруп­ кой деформаций, установлены процессы аморфизации и параллельной перекристаллизации вещества.

Установленные явлений аморфизации вещества (оплавления, дест­ рукции, возможно, имеют место те и другие процессы) в условиях эксперимента свидетельствуют, видимо, о начале разрушения крио* таллической структуры минералов. Вопросы механизма и терминоло­ гии этих явлений на данном этапе не решены и являются дискусси­ онными.

В последние годы рядом исследователей развивается концепция кинетической природы механической прочности твердых тел [1 0 - 12]. Суть кинетической концепции заключается в том, что наряду

с чисто механическим способом разрыва межатомных связей, при котором рассоединение атомов осуществляется целиком за счет вне­ шнего воздействия, когда уровень внешней силы достигает предель­ ной величины, существует и другой, смешанный способ разрушения, В этом случае разрыв атомов осуществляется при нагрузках, мень­ ших прочности межатомных связей, так как разрыв напряженных меж­ атомных связей помогают осуществлять тепловые флуктуации. Энер­ гетическая флуктуация является следствием хаотичности теплового движения. При этом отдельные атомы приобретают кинетическую энергию, во много раз большую, чем средняя, что ведет к разрыву межатомных связей. Следствием разрыва сильнонапряженных моле­ кул и атомов является диссипация значительной доли запасенной энергии, приводящей к тепловыделению. Это позволяет предполагать наличие высоких локальных разогревов в окрестностях группового разрыва молекул и атомов. Для кристаллов описанный механизм раз­ рушения соотносится к вершинам микротрещин. Факт же лока­ лизации деформаций хорошо, известен из исследований пластич­ ности кристаллов.

В .В, Болдыревым и др. [13] при механическом раскалывании монокристаллов нитрата и нитрита натрия установлено протекание химических реакций на разных стадиях формирования и роста трещиц что проявилось в различии выделяющихся газообразных продуктов. Состав же летучих компонентов соответствует высокотемператур­ ным реакциям термического распада.

Детальное изучение кинетики роста магистральных трещин в си­ ликатных стеклах приведено в работе В.П. Пуха [1 4 ] . В работе делается вывод о том, что рост трещин в стекле является термофлуктуационным процессом. Приводится расчет энергии активации

указывается, что кинетические термофлуктуационные процессы уп­ равляют возникновением и ростом трещин на всех уровнях —от за­ родышевых, субмикроскопических трещин до макроскопических, ма­ гистральных.

Авторы настоящей статьи склонны присоединиться к кинетической термофлуктуационной концепции механизма разрушения твердых тел, что позволяет в какой-то степени объяснить наблюдаемые явления аморфизации вещества и процесс развития разномасштабных тре­ щин.

Таким образом, несмотря на то, что эксперимент не может пол­ ностью моделировать природные условия с их многообразным, однов­ ременным и длительным взаимодействием многих факторов, тем не менее моделирование помогает познать природные процессы и внес­ ти коррективы при прогнозировании прочностных и деформационных свойств горных пород, залегающих на больших глубинах. Такое прог­ нозирование необходимо как для процессов бурения, так и для оцен­ ки коллекторских свойств пород.

ers in experimentally deformed phyllite. —Bull. Geol. Soc. Amer., 1968,vol.79, N 7, p. 173—197.

8. С и м а н о в и ч И.М. Пластические и хрупкие деформации кварца в.шокшинских кварцито-песчаниках (Карелия). - Литология и полез, ископ.,

12. В о л а р о в и ч М.П., Б а ю к Е.И., Л е в ы к и н А.И., Т о м а ш е в с к а я И.С. М’ноико-механические свойства горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах. М,: Наука, 1 9 7 4 , с. 1 6 2 - 1 6 5 .

13. Б о л д ы р е в В .В ., Р е г е л ь В .Р . и др. Исследование химических реак­ ций при разрушении кристаллов неорганических солей. - ДАН СССР,

1 0 7 5 , т . 2 2 1 , № 3, с. 6 3 4 - 6 3 7 .

14. П ух В.П, Прочность и разрушение стекла. Л.: Наука, 1 9 7 3 . 3 8 3 с.

(РОВ), его гидрогенизация. При этом исчезновение набухающих глинистых минералов облегчает удаление преобразованных органи­ ческих соединений и их аккумуляцию. Таким образом, устанавлива­ ется пространственно-временная связь между гидрослюдизацией монт­ мориллонита и преобразованием РОВ. Является ли эта связь и ге­ нетической? Эго - один из серьезных вопросов в проблеме проис­ хождения нефти. Разрешить его помогли новые факты, которые, на первый взгляд, противоречили экспериментальным трансформациям глинистых минералов.

При изучениии катагенетически преобразованных палеогеновых отложений Ферганской впадины на больших глубинах (3 ,5 - 5 ,5 км), среди аргиллитов, глинистое вещество которых состоит из гидрослю­ ды и хлорита, были обнаружены прослои, состоящие более чем на 80% из монтмориллонита [4 ]. Дифрактометрическая картина этих пород оказалась весьма сходной с дифрактограммами огланлинского

между собой огланлинский бентонит и монтмориллонит из палеогена глубоких "скважин Ферганы? Видимо, разгадка этого вопроса связа­ на с их генетическими особенностями.

Известно, что бентониты, в том числе и огланлинский, представ­ ляют вулканогенно-осадочные породы, образованные за счет вулка­ нического пепла. Во время извержений огромные массы пепла пе­ реносились на значительные расстояния от действующих вулканов, быстро осаждались, уплотнялись и преобразовывались в монтморил­ лонит. Бентониты, образованные за счет продуктов вулканической деятельности, накапливались в морских и близких к ним по гидро­ химическим параметрам крупных бассейнах. Если пепловые частицы оседали на суше, то водой или ветром их разносило, пепловый материал разубоживался, смешивался с другим терригенным ма­ териалом.

Такой пепел мог попасть и в палеогеновые осадочные отложения Ферганы. Петрографический анализ подтвердил наше предположение. В шлифах обнаружены многочисленные частицы вулканического стек­ ла. Оно представлено остроугольными, полностью не погасающими

ными пузырьками газа и микролитами акцессорных минералов, Витрокластический материал сильно изменен, очертания отдельных зе ­ рен расплывчатые. Совершенно очевидно, что окружающая пироклас­ тические частицы плотная желеобразная масса, состоящая из монт­ мориллонита, образована за счет пепловых частиц.

Установив генетическую общность монтмориллонитовых прослоев в палеогеновых отложениях Ферганы с бентонитами, следует опре­ делить условия, способствовавшие его консервации на больших глу­ бинах. Ведь в опытах монтмориллонит бентонитов трансформировал­ ся в направлении гидрослюдизации. Необходимо объяснить сохран­ ность монтмориллонита в палеогеновых отложениях, возраст которых

около 6 0 млн, лет. Эти отложения прошли стадию позднего ката­ генеза. Следовательно, правомерно выяснить различия между усло­ виями его нахождения в естественном залегании и в условиях

опытов.

Экспериментальное преобразование монтмориллонита получено под воздействием высоких давлений и температур и ингредиен­ тов, вводившихся в монтмориллонит во время опытов - такими ингре­ диентами были органические соединения. Вероятно, они активно воздействовали на монтмориллонит. В природных условиях также возможно такое взаимодействие: осадочные породы разного возрас­ та, из разных районов, в которых фиксировался гидрослюдиэированный монтмориллонит, всегда содержали органические вещества. В бентонитах же, образованных в результате быстрого захоронения пеплового материала, органических включений нет. Поэтому оказа­ лось возможным сохранение прослоев монтмориллонита на больших глубинах среди вмещающих их катагенетически преобразованных осадочных плотных аргиллитов.

Таким образом и экспериментальные исследования, и наблюдения над природными объектами свидетельствуют в пользу представлений, по которым гидрослюдиэация монтмориллонита и гидрогенизация рас­ сеянного органического вещества сопряжены не только ,во времени и пространстве, но тесно взаимосвязаны генетически. В отсутствие органических соединений глинистые минералы не изменяются. Сле­ довательно, их нельзя рассматривать в качестве катализатора битумообразования. В процессе гидрогенизации РОВ глинистое вещест­ во играет не пассивную, а активную роль, преобразуясь в направле­ нии гидрослюдизации. Факты, наблюдаемые в природе и полученные

вэкспериментах, подтверждают активную роль глинистого вещества

вбитумообразовании [5 , 6].

Сохранность монтмориллонита бентонитов на больших глубинах приводит еще к одному важному практическому заключению. В пре­ дыдущих работах было показано [7 ], что с изменением состава глинистого вещества в катагенезе меняются И свойства глинистых толщ. Установлено, что на больших глубинах позднекатагенетические трансформации глинистых минералов в нормально осадочных породах могут привести к потере покрышками флюидоупорных свойств и преобразованию их в трещинные коллекторы. А как поведут .себя при тех же p-t параметрах вулканогенно-осадочные породы#

Для этой цели были .поставлены эксперименты, проведенные на установке высокого давления УИМК под руководством Н.Н. Павло­ вой, позволившие изучить деформационные свойства вулканогенно­ осадочных пород Ферганской впадины и оценить степень влияния переотложенного пеплового материала на изолирующие способности глинистых толщ.

Для исходных образцов, подвергнутых деформации, характерна

до 2 0 мм. Трещинные параметры, подсчитанные по методу ВНИГРИ