Роль уплотняющего давления при геологических процессах
Уплотнение. Уплотняющее давление играет значительную роль при геологических процессах благодаря тому, что оно вызывает уплотнение пород. В кластических породах давление, возникающее вследствие разницы между геостатическим и гидростатическим давлениями, воспринимается зернами пород, а это означает, что напряжение стресса концентрируется в точках контакта зерен между собою. Это может вызвать уплотнение как путем прогибания или разрушения зерен, так и путем растворения их в точках соприкосновения, где напряжение является наибольшим. Обычно кремнезем, а также другие соединения, растворяемые таким путем, будут отлагаться в смежных частях тех же зерен в местах меньшего напряжения.
В результате этого процесса с глубиной плотность и твердость глинистых пород увеличивается, а их пористость уменьшается. Песчаники также становятся плотнее, тверже, пористость их понижается, и в конечном счете они могут превратиться в кварциты. Флюиды, выжатые из пород вследствие уменьшения пористости последних, должны пройти через покрывающие пласты и выйти на поверхность, хотя, несомненно, они вместо того, чтобы двигаться прямо к поверхности, в первую очередь поступают в более проницаемые пласты.
Тот факт, что гидростатическое давление, в общем, грубо равно давлению водяного столба, достигающего поверхности, указывает на возможность движения излишнего количества флюидов через глинистые породы в ближайшие трещины отдельности или в ближайший проницаемый пласт. Тем не менее, наличие ненормально высоких давлений свидетельствует об увеличении гидростатического давления под влиянием уплотнения в полностью или частично изолированных резервуарах. Вода, выжатая из глинистых пород в процессе их уплотнения, несомненно, изменяет химический состав воды тех проницаемых пластов, через которые она проходит на своем пути к поверхности. Предполагается, что уплотнение является тем фактором, под воздействием которого происходит перемещение нефти и газа из материнских пород в коллекторы.
Сжатие пластов и оседание поверхности. Вследствие того, что во время добычи нефти и газа гидростатическое давление в нефтяных и газовых пластах уменьшается, а геостатическое давление остается тем же, уплотняющее давление неуклонно возрастает. Отсюда всегда существует некоторое сжатие пласта, однако там, где порода, слагающая продуктивный пласт, является жесткой или хорошо сцементированной, сжатие будет небольшим и упругим. С другой стороны, в мягких неконсолидированных песчаных породах уменьшение объема происходит, главным образом, за счет уплотнения и потери порового пространства, при этом результаты могут быть довольно значительными. Поровое пространство и объем породы уменьшаются, а снижение давления задерживается. Если покрывающие породы являются недостаточно жесткими, чтобы выдержать собственный вес, то оседание захватывает всю толщу пород от продуктивного пласта до поверхности.
Породы, залегающие непосредственно над мягкими неотвердевшими песчаными разностями, в редких случаях способны поддержать покрывающие пласты. Поэтому там, где нефть и газ добываются из пород данного типа, обычно происходит оседание поверхности. Это оседание оставалось бы незамеченным, если бы на месторождении не проводились точные нивелировочные ходы до начала и после их эксплуатации или если бы в результате оседания поверхность не опускалась ниже уровня водных бассейнов.
По данным Г. Майнора и Л. Снайдера, оседание поверхности в месторождении Гус Крик равнялось нескольким футам и было самым большим для площади с максимальной добычей нефти. В месторождении Лагунильяс в Венецуэле при измерении оказалось, что оседание поверхности превышает 10 футов (3 м). Средняя мощность продуктивного пласта месторождения около 80 футов (24 м), а эффективная пористость составляет минимум 25%. Первоначальное давление в коллекторе на глубине в 2500 футов (762 м) равнялось 1750 фунтов (123 кг/см2) на квадратный дюйм, т. е. было выше нормального. Принимая во внимание, что нефтеносный песок на площади максимальной осадки имел мощность, равную 100 футов (30 м), а пористость — 25%, то, чтобы оседание достигло 10 футов (3 м), сжатие и уплотнение при оседании, должны были снизить пористость на 10%, т. е. от 25 до 15%. Кроме того, на 1 акр площади поровое пространство должно было уменьшиться на 780 000 баррелей (306 222 м3 на 1 га).
Очевидно, уплотнение продуктивного пласта в неотвердевших отложениях настолько значительно, что его необходимо учитывать при вычислении запасов, давления и пористости. Так как при возрастании уплотняющего давления происходит сокращение объема пород, то при уменьшении этого вида давления до первоначальной величины происходит некоторое их расширение, как это имеет место в извлеченных на поверхность кернах. Однако уменьшение объема в пласте происходит, главным образом, под влиянием деформации уплотнения, которая является неупругой. Упругое расширение при восстановлении давления гораздо меньше уплотнения.
Оседание поверхности также происходит над некоторыми резервуарами, расположенными в открытых трещинах. В подобных случаях выявляется, что гидростатическое давление помогает удерживать покрывающие породы. Как только во время добычи нефти или газа снижается гидростатическое давление, эти породы трескаются и оседают. В округах Кэмберленда, Клинтон и Уэйн штата Кентукки и прилегающих частях Теннесси об оседании поверхности над некоторыми небольшими, неглубокими нефтяными и газовыми залежами, заключенными в трещинах ордовикских известняков, можно судить по развитию трещин в коренных породах. Одна из скважин в северной центральной части округа Клинтон на глубине нескольких сот футов натолкнулась на газовый карман, который был исчерпан в несколько дней. Позднее на поверхности возникли зияющие трещины, а благодаря оседанию в русле ручья образовался пруд небольшой глубины (в несколько футов). Приведенные сведения были получены от ряда лиц, живших в районах этих месторождений во время их разработки. Исходя из подобных сведений, правда весьма ограниченных, можно предполагать, что наблюдавшееся оседание поверхности земли над залежами газа и нефти связано с ненормально высокими давлениями в резервуарах.
Влияние уплотняющего давления на образование и миграцию нефти и газа. Вполне возможно, что уплотняющее давление сыграло роль в образовании нефти и газа и в перемещении их из материнских пород.