Горные породы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Горная порода

Гомрные поромды -- природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Земля состоит из горных пород.

Считается, что термин «горная порода» в современном смысле впервые употребил в 1798 русский минералог и химик В.М. Севергин (8(19).9.1765, Петербург, -- 17(29).11.1826, там же)

Три группы горных пород

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (эффузивные и интрузивные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90 % объёма земной коры, однако, на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. Остальные 10 % приходятся на долю осадочных пород, занимающие 75 % площади земной поверхности.

Магматические горные породы по своему происхождению делятся на эффузивные и интрузивные. Эффузивные (вулканические) горные породы образуются при изливании магмы на поверхность земли. Интрузивные горные породы, напротив, возникают при изливании магмы в толще земной коры.

Разделение пород на магматические, метаморфические и осадочные не всегда очевидно. В осадочных горных породах, в процессе диагенеза, уже при очень низких (в геологическом смысле) температурах, начинаются минеральные превращения, однако породы считаются метаморфическими при появлении в них новообразованного гранита. При умеренных давлениях начало метаморфизма соответствует температуре 300 °C.

При высоких степенях метаморфизма стирается грань между метаморфическими и магматическими горными породами. Начинается плавление пород, смешение новообразованных расплавов с явно внешними. Часто наблюдаются постепенные переходы от явно метаморфических, полосчатых пород, к типичным гранитам. Такие процессы относятся к ультраметаморфизму.

Этот список игнорирует существование большой группы пород, имеющих важное значение,- метасоматические горные породы, образующиеся также в широком температурном интервале. К ним относятся, например, вторичные кварциты по кислым эффузивам, грейзены по гранитам, пропиллиты по средним и основным породам и т. д., а также широкая группа пород, слагающие околожильные зоны. Пропущена также специфическая группа горных пород, названная рудой (понятие не геологическое, а геолого-экономическое). Эта группа пород сложена преимущественно сульфидными минералами, хотя она может включать породы, сложенные и другими минералами (магнетит (железные руды), апатитовые руды, хромитовые руды и пр).

Ранее считалось, что отличие метасоматических пород от метаморфических пород заключается в участии воды в образовании только метасоматитов, но последующие исследования показали, что и метаморфические породы (гнейсы и сланцы), образованные даже при высоких темперурах, также формируются с участием воды. Так результаты изотопных исследований по кислым и средним силикатным породам показали, что все силикатные минералы (кварц, биотит, полевые шпаты, гранаты, роговые обманки и пр.) выделяются одновременно с водой, находясь с ней в изотопном равновесии по кислороду. В отличие от кислых пород все силикатные минералы (полевые шпаты, гранаты, оливины, пироксены и пр,) основных и ультраосновных пород, выделяются в изотопном равновесии по кислороду с СО2.

Отдельно стоят мантийные породы. С одной стороны, условия в мантии таковы, что даже если порода изначально была магматической, она все равно претерпела бы в мантии изменения. В целом для основного объёма мантии остаётся дискуссионным вопрос, была ли она когда-то в расплавленном состоянии. С другой стороны, по минералогии мантийные породы во многом идентичны породам магматическим. Поэтому к ним применяется номенклатура магматических пород с вариациями.

Есть магматические комплексы, текстурные признаки которых напоминают текстурные особенности осадочных пород. Это расслоённые основные интрузии. В некоторых из них наблюдаются типичные для осадочных горных пород градационная расслоенность, косая слоистость, ритмичное строение толщи, наличие скоплений тяжёлых минералов. Однако, вместо осадочных алевролитов, песчаников и гравелитов, такие комплексы сложены обычными магматическими породами. Неоднократно образование таких объектов объяснялось метаморфизмом осадочных пород, но такая интерпретация не могла объяснить наличие резких контактов между комплексом и вмещающими породами. На сегодня общепризнанно, что такие объекты формируются в результате гравитационного осаждения минералов из конвектирующего расплава. То-есть процесс имеет много общего с осадконакоплением, но среда, переносящая вещество в данном случае не вода, а магма.

Описанием и классификацией магматических и метаморфических горных пород занимается петрография, изучением их генезиса -- петрология. Описанием, классификацией и анализом условий образования осадочных горных пород занимается Литология, в которой выделяется самостоятельный раздел -- Петрография осадочных пород. С Литологией тесно связана родственная ей Седиментология, занимающаяся изучением условий образования современных осадков. Поскольку отсутствуют строгие определения понятий «осадок» и «осадочная порода», то различие между осадком и осадочной горной породой не всегда ясно. Эти науки тесно связаны с геохимией и минералогией.

Магматические горные породы

Магматические горные породы (Греция). По светлым полосам можно определить направление потоков лавы.

По глубине формирования породы делятся на три группы: породы кристаллизующиеся на глубине -- интрузивные горные породы, например, гранит. Они образуются при медленном остывании магмы и обычно хорошо раскристаллизованны; гипабисальные горные породы образуются при застывании магмы на небольших глубинах, и часто имеют неравномернозернистые структуры (долерит). Эффузивные горные породы формируются на земной поверхности или на дне океана (базальт, риолит, андезит).

Подавляющее большинство природных магм содержат в качестве основного компонента кремний и представляют собой силикатные расплавы. Много реже встречаются карбонатные и сульфидные и металлические расплавы. Из карбонатных раплавов образуются карбонатные магматические горные породы -- карбонатиты. В XX-том веке зафиксированно несколько извержений вулканов с карбонатитовыми магмами. Сульфидные и металлические расплавы образуются в следстивие несмесимости и ликвации с силикатными жидкостями.

Важнейшей характеристикой магматической породы является состав. Существует несколько классификаций магматических горных пород по составу (номенклатура горных пород). Наибольшее значение имеет классификация по содержанию в породах кремнезёма SiO2, и щелочей(Na2O + K2O). По содержанию щелочей породы делятся на серии. Выделяются породы нормальной, субщелочной и щелочной серий. Формальным признаком такого деления служит появление в породе специфических щелочных минералов. По содержанию SiO2 породы разделены на ультраосномвные -- SiO2 в породе меньше 45 %, осномвные -- если содержание SiO2 находится в диапазоне от 45 % до 54 %, средние -- если от 54 до 65 % и кислые -- содержание SiO2 больше 65 %.

Образование магматических пород непрерывно происходит и сейчас, в зонах активного вулканизма и горообразования.

Метаморфические горные породы

Метаморфическая горная порода, расслоившаяся по двум перпендикулярным направлениям (Долина Смерти, США)

Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород. Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы; воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактовый метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма --высокие температуры и давления.

Типичными метаморфическими Г. п. являются гнейсы, разные по составу кристаллические сланцы, контактовые роговики, скарны, амфиболиты, мигматиты и др. Различие в происхождении и, как следствие этого, в минеральном составе Г. п. резко сказывается на их химическом составе и физических свойствах.

Осадочные горные породы

Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи неё в условиях относительно низких температур и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три основные генетические группы: обломочные породы (брекчии, конгломераты, пески, алевриты) -- грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних; глинистые породы --дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды; хемогенные, биохемогенные и органогенные породы -- продукты непосредственного осаждения из растворов (например, соли), при участии организмов (например, кремнистые породы), накопления органических вещества (например, угли) или продукты жизнедеятельности организмов (например, органогенные известняки). Промежуточное положение между осадочными и вулканическими породами занимает группа эффузивно-осадочных пород. Между основными группами осадочных пород наблюдаются взаимные переходы, возникающие в результате смешения материала разного генезиса. Характерной особенностью осадочных Г. п., связанной с условиями образования, является их слоистость и залегание в виде более или менее правильных геологических тел (пластов).

Коллектор углеводородов

Коллектор углеводородов -- горная порода, содержащая пустоты (поры, каверны или системы трещин) и способная вмещать и фильтровать флюиды (нефть, газ, воду). Подавляющее большинство пород-коллекторов имеют осадочное происхождение. Коллекторами нефти и газа являются как терригенные (пески, алевриты, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы) так и хемогенные и биохемогенные (известняки, мел, доломиты), а также смешанные породы.

Породы-коллекторы

Коллекторы нефти и газа - горные породы, которые обладают емкостью, достаточной для того, чтобы вмещать УВ разного фазового состояния (нефть, газ, газоконденсат), и проницаемостью, позволяющей отдавать их в процессе разработки. Среди коллекторов нефти и газа преобладают осадочные породы. В природных условиях залежи нефти и газа чаще всего приурочены к терригенным и карбонатным отложениям, в других осадочных толщах они встречаются значительно реже. Магматические и метаморфические породы не являются типичными коллекторами. Нахождение в этих породах нефти и газа - это следствие миграции углеводородов в выветрелую часть породы, где в результате химических процессов выветривания, а также под воздействием тектонических процессов могли образоваться вторичные поры и трещины.

Нефтяные и газовые месторождения на земном шаре встречаются в разных районах, в границах различных геоструктурных элементов. Они известны как в геосинклинальных, так и в платформенных областях и предгорных прогибах.

Скопления нефти и газа установлены в отложениях всех возрастов, начиная от кембрия и кончая верхним плиоценом. Кроме того, известны скопления нефти и газа как в более древних докембрийских, так и в более молодых четвертичных отложениях. Наибольшее количество залежей в разрезе осадочного чехла на территории бывшего СССР приходится на отложения каменноугольного (29 %), девонского (19 %) и неогенового (18 %) возраста.

По разным оценкам запасы нефти распределяются в коллекторах следующим образом: в песках и песчаниках - от 60 до 80 %; в известняках и доломитах - от 20 до 40 %; в трещиноватых глинистых сланцах, выветрелых метаморфических и изверженных породах - около 1 %. В странах Ближнего и Среднего Востока разрабатываются главным образом карбонатные коллекторы мезозойского возраста. На территории бывшего Советского Союза более 70 % нефтяных и газовых залежей приурочены к терригенным породам-коллекторам.

Основные признаки пород-коллекторов

К основным признакам, характеризующим качество коллектора, относятся пористость, проницаемость, плотность, насыщение пор флюидами (водо-, нефте- и газонасыщенность), смачиваемость, пьезопроводность, упругие силы пласта. Совокупность этих признаков, выраженных количественно, определяет коллекторские свойства породы.

Пористость - совокупность всех пор независимо от их формы, размера, связи друг с другом. Понятие пористости соответствует полной пористости породы и численно выражается через коэффициент пористости:

Кп = Vпор/Vпороды • 100 %.

Открытая пористость - совокупность сообщающихся между собой пор, численно соответствующая отношению объема сообщающихся пор к объему породы.

Эффективная пористость - совокупность пор, через которые может осуществляться миграция данного флюида. Она зависит от количественного соотношения между флюидами, физических свойств данного флюида, самой породы. По А. А. Ханину (1969), эффективная пористость - объем поровой системы, способной вместить нефть и газ с учетом остаточной водонасыщенности.

Наиболее высокие значения характерны для полной пористости, затем открытой и минимальные для эффективной пористости.

Полная пористость может быть открытой в песках и слабо уплотненных песчаниках. С увеличением глубины залегания открытая пористость снижается интенсивнее, чем полная. Величина полной пористости колеблется от долей процента до десятков процентов.

По генезису поры могут быть первичными и вторичными. Первичные поры между обломочными зернами называются межзерновыми, внутри органических остатков - внутриформенными. Вторичные поры - трещины и каверны.

Размеры порового пространства - от долей микрометров до десятков метров. В обломочных породах - песчаных и алевритовых - размер пор обычно меньше 1 мм. По размеру выделяются поры сверхкапиллярные > 0,1 мм; капиллярные 0,0002-0,1 мм; субкапиллярные < 0,0002 мм; ультракапиллярные < 0,1 мкм.

Размеры и конфигурация внутриформенной пористости определяется морфологическими особенностями фоссилизированных органических остатков.

Каверны - поры, образованные в результате растворения составных частей хемогенных или биогенных пород или разложения соединений, неустойчивых в определенных термобарических обстановках. Каверны по размеру бывают от долей миллиметров до нескольких километров и разделяются на мелкие - 0,1-10 мм; крупные (микрополости) - 10-100 мм и пещеристые полости - > 100 мм.

Склонность породы к растрескиванию характеризуется ее пластичностью. Пластичность - способность твердого тела под действием механических напряжений изменять свою форму без нарушения связей между составляющими частями. Коэффициент пластичности (Кпл) - отношение всей работы, затраченной на разрушение образца, к работе, затраченной на пластическую деформацию. Коэффициент пластичности меняется от 1 до бесконечности (?). По степени пластичности выделяются три группы пород (табл. 1).

Трещины в породах бывают открытые и закрытые (за счет вторичного смыкания и минерализации). Вследствие тектонических процессов образуются системы трещин, ориентированных в определенной плоскости. Если вдоль трещин не происходит смещение пород или оно незначительно, то система трещин называется трещиноватостью. В одном пласте может быть несколько систем трещин, обычно разновозрастных.

Практический интерес представляют только открытые трещины, по которым может осуществляться миграция УВ. Обычно трещинная пористость составляет 2-3 %, иногда до 6 %.

При характеристике трещин различают густоту, плотность и раскрытость трещин. Густота трещин - количество трещин на 1 м длины в направлении, перпендикулярном простиранию трещин. Плотность трещин - густота трещин на 1 м2 площади. Если в пласте одна система трещин, то величина плотности соответствует густоте. Раскрытость трещин - расстояние между стенками трещин.

Трещинные поры разделяются по степени раскрытости. По К. И. Багринцевой (1977), трещины подразделяются на очень узкие (0,001-0,01 мм), узкие (0,01-0,05 мм), широкие (0,05-0,1 мм), очень широкие (0,1-0,5 мм) и макротрещины (> 0,5 мм). Е. М. Смехов (1974) предлагал различать микротрещины (< 0,1 мм) и макротрещины (> 0,1 мм).

Особую значимость приобретает характеристика трещин в коллекторах сложного типа, которым свойственно наличие нескольких видов пористости. В табл. 2 приводится генетическая классификация трещин ВНИГРИ (Методические рекомендации..., 1989).

Проницаемость - способность горных пород пропускать сквозь себя жидкость или газ. Пути миграции флюидов - поры, каверны, соединяющиеся каналами, трещины. Чем крупнее пустоты, тем выше проницаемость. Для оценки проницаемости обычно используется линейный закон фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости жидкости. Закон Дарси применим при условии фильтрации однородной жидкости, при отсутствии адсорбции и других взаимодействий между флюидом и горной породой. Величина проницаемости выражается через коэффициент проницаемости (Кпр):

Фильтрационно-емкостные свойства

Фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС) определяют способность коллекторов вмещать (пустотность) и фильтровать (проницаемость) флюиды.

Пористость (пустотность)

Все коллекторы по характеру пустот подразделяют на три типа: гранулярные или поровые (только обломочные горные породы), трещинные (любые горные породы) и каверновые (только карбонатные породы). В природе часто наблюдается сочетание различного типа коллекторов с преобладанием того или иного типа. В осадочных породах доминируют гранулярные, но в них чаще всего есть и трещинные, а также кавернозные коллекторы. Пустотами обладают все типы горных пород в той или иной степени, но фильтровать флюиды могут не все.

Пористость горных пород, совокупность пустот (пор), заключённых в горных породах. Количественно П. г. п. выражается отношением объёма всех пор к общему объёму горных пород (в долях единицы или процентах). Поры в горных породах по величине принято делить на субкапиллярные (менее 0,2 мк), капиллярные (0,2--100 мк), сверхкапиллярные (более 100 мк).

По форме поры могут быть различного типа -- пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т.п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют геометрию порового пространства пород.

Различают П. г. п. общую (или абсолютную, физическую, полную) -- совокупность всех пор, заключённых в горных породах; открытую (насыщения) -- объём связанных (сообщающихся) между собой пор; закрытую -- совокупность замкнутых, взаимно не сообщающихся пор. В нефтяной геологии выделяют также эффективную П. г. п., т. е. совокупность пор, занятых нефтью, газом, и динамическую П. г. п. -- объём пор, через которые при определённых давлении и температуре происходит движение насыщающих жидкостей или газов; она всегда меньше общей П. г. п.

Наиболее высокая П. г. п. свойственна почвам и рыхлым осадкам -- пескам, глинам и др. (до 60--80% и более). Осадочные и вулканогенные горные породы (песчаники, известняки, лавы, туфы и др.) характеризуются большим диапазоном значений пористости (от 50 до 10% и менее). Магматические и метаморфические породы обладают, как правило, малой пористостью (0,1--3%). С возрастанием глубины залегания пород П. г. п. обычно уменьшается (особенно осадочных) и на больших глубинах может иметь очень малые значения.

В лабораторных условиях П. г. п. определяется методами свободного, вакуумного (под вакуумом) и принудительного (под давлением) насыщения горных пород жидкостью, а также методами, основанными на расширении газа, и др. В полевых условиях для оценки величины П. г. п. используются различные виды каротажа скважин. Результаты изучения П. г. п. используются для подсчёта запасов полезных ископаемых (например, нефти и газа), выборе технологии разработки полезных ископаемых и др

Проницаемость

Проницаемость -- это свойство породы пропускать жидкость или газ при перепаде давления. Проницаемость зависит от размеров и формы поровых каналов. Единицей измерения проницаемости является Дарси.

Наилучшими ФЕС обладают хорошо отсортированные мелководно-морские (шельфовые, барово-пляжевые) и русловые песчаники. С глубиной осадочного разреза коллекторские свойства ухудшаются в результате литификации, уплотнения пород и уменьшения объема пустот.

Флюидоупор

Флюидоупор -- относительно непроницаемое для флюидов породное тело, экран. Наилучшими экранирующими свойствами обладают соли, ангидриты и монтмориллонитовые глины. Флюидоупоры, перекрывающие залежь нефти, называют покрышками. Наличие покрышки, препятствующей движению нефти к поверхности Земли, является необходимым условием накопления залежи нефти.

магматическая осадочная метаморфическая горная порода

Литература

Бакиров Э.А., Ермолкин В.И., Ларин В.И. и др. Геология нефти и газа: Учебник для вузов / Под ред. Э.А. Бакирова. -- М.: Недра, 1990. -- 240 c. ISBN 5-247-00843-X

Багринцева К.И. Карбонатные породы-коллекторы нефти и газа. М.: Недра, 1977. 257 с.

Бурлин Ю.К. Природные резервуары нефти и газа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. 136 с.

Геологический словарь: В 2 т. / Под ред. К.Н. Паффенгольца и др. М.: Недра, 1978. Т. 1. 486 с.; Т. 2. 456 с.

Методические рекомендации по изучению и прогнозу коллекторов нефти и газа сложного типа / Под ред. М.Х. Булач, Л.Г. Белоновской. Л.: ВНИГРИ, 1989. 103 с.

Селли К. Введение в седиментологию М.: Недра, 1981. 370 с.

Смехов Е.М. Теоретические и методические основы поисков трещинных коллекторов нефти и газа. Л.: Недра, 1974. 200 с.

Справочник по геологии нефти и газа / Под ред. Н.А. Еременко. М.: Недра, 1984. 480 с.

Ханин А.А. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение. М.: Недра, 1969. 356 с.

Размещено на Allbest.ru