Го́рные поро́ды — природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Земля состоит из горных пород.

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 существание 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 ультраосно́вные — SiO₂ в породе меньше 45 %, осно́вные — 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

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).

Каверна (англ. cavern, нем. Kaverne):

• В геологии — полость в горных породах неправильной или округлой формы размером более 1 мм, то есть крупнее пор и мельче пещер. Как правило возникает в результате выщелачивания водой растворимых частиц (карст) или застывания лавы, насыщенной газовыми компонентами;

Физические свойства горных пород – коллекторов нефти и газа


Типы пород - коллекторов

Подавляющая часть нефтяных и газовых месторождений приурочена к коллекторам трех типов – гранулярным , трещинным и смешенного строения . К первому типу относятся коллектора, сложенные песчано – алевритовыми породами, поровое пространство которых состоит из межзерновых полостей . Подобным строение порового пространства характеризуются также некоторые пласты известняков и доломитов . В чисто трещиноватых коллекторах (сложенных преимущественно карбонатами) поровое пространство образуется системой трещин . При этом участки коллектора между трещинами представляют собой плотные малопроницаемые нетрещиноватые блоки пород, поровое пространство которых практически не участвует в процессах фильтрации . На практике, однако, чаще всего встречаются трещиноватые коллекторы смешанного типа , поровое пространство которых включают как системы трещин ,так и поровое пространство блоков , а также каверн и карст.

Анализ показывает , что около 60% запасов нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 39% - к карбонатным отложениям , 1% - к выветренным метаморфическим и изверженным породам . Следовательно , породы осадочного происхождения – основные коллекторы нефти и газа .

В связи с разнообразием условий формирование осадков коллекторские свойства пластов различных месторождений могут изменяться в широких пределах . Характерные особенности большинства коллекторов – слоистость и их строения и изменение во всех направлениях свойств пород, толщины пластов и других параметров .

Нефтяной пласт представляет собой горную породу , пропитанную нефтью , газом и водой .

Свойства горной породы вмещать (обусловлено пористостью горной породы) и пропускать (обусловлено проницаемость ) через себя жидкость называются фильтрационно –емкостным свойством (ФЕС) .

Фильтрационные и коллекторские свойства пород нефтяных пластов характеризуются следующими основными показателями:

–       пористость;

–       проницаемость;

–       капиллярными свойствами;

–       удельной поверхностью;

–       механическими свойствами.

Рассмотрим подробнее каждый из этих параметров.

Пористость горных пород

Под пористостью горных пород понимается наличие в ней пор (пустот). Пористость характеризует способность горной породы вмещать жидкости и газа .

В зависимости от происхождения различают следующие виды пор:

1. Поры между зернами обломочного материала (межкристаллические) . Это первичные поры , образовавшиеся одновременно с формированием породы .

2. Поры растворения – образовались в результате циркуляции подземных вод.

3. Пустоты и трещины, образованные за счёт процессов растворения минеральной составляющей породы активными флюидами и образование карста.

4. Поры и трещины, возникшие под влиянием химических процессов, например , превращение известняка (CaCO₃ ) в доломит (MgCO₃ ) – при доломитизации идет сокращение объемов породы на 12%

5. Пустоты и трещины, образованные за счет выветривания , эрозионных процессов, закарстовывания.

Виды пор (2)-(9) – это так называемые вторичные поры , возникшие при геолого – химических процессах .

Объем пор зависит от :

- формы зерен

- сортировки зерен (чем лучше отсортирован материал, тем выше пористость);

- размеры зерен

- укладки зерен – при кубической укладке пористость составляет 47,6%, при

ромбической укладке – 25,96% (см .рис 1.1 );

- однородности и окатанности зерен ;

- виды цемента (см. рис. 1.2).

Не все виды пор заполняются флюидами, газами, нефтью. Часть пор бывает изолирована, в основном, это внутренние воды
Виды пористости

Общая (полная , абсолютная ) пористость – суммарный объем всех пор (V_ПОР) , открытых и закрытых.

Пористость открытая эквивалентная объему сообщающихся (V_СООБЩ) между собой пор

На практике для характеристики пористости используется коэффициент пористости (m) , выраженный в долях или процентах.

Коэффициент общей (полной , абсолютной ) пористости (m_П) в процентах зависит от объема всех пор: M_п =% (1.1)

Коэффициент открытой пористости (m₀) зависит от объема сообщающихся между собой пор :

Коэффициент эффективной пористости (m_эф) оценивает фильтрацию в породе жидкости или газа , и зависит то объема пор ( V_{пор фильтр}), через которые идет фильтрация.

Для зернистых пород , содержащих малое или среднее количество цементирующего материала , общая и эффективная пористость примерно равно. Для пород, содержащих большое количество цемента , между эффективной и общей пористостью наблюдается существенное различие .

Для коэффициентов пористости всегда выполняется соотношение:

 Для хороших коллекторов пористость лежит в пределах 15-25%

Поровые каналы нефтяных пластов условно подразделяются на три группы :

субкапиллярные (разрез пор < 0,0002 мм) – практически непроницаемые: глины , глинистые сланцы , эвапориты( соль ,гипс , ангидрит) ;

капиллярные ( размер пор от 0,0002 до 0,5 мм);

сверхкапиллярные >0,5 мм.

По крупным (сверхкапиллярным) каналам и порам движение нефти, воды, газа происходит свободно, а по капиллярам – при значительном участии капиллярных сил .

В субкапиллярных каналах жидкость удерживается межмолекуляными силами (силой притяжения стенок каналов ), поэтому практически никакого движения не происходит .

Породы , поры которых представлены в основном субкапиллярными каналами, независимо от пористости практически непроницаемы для жидкостей и газов (глины, глинистые сланцы).

Таблица 1.1 Коэффициенты пористости некоторых осадочных пород

Горная порода	Пористость, %
Глинистые сланцы	054,- 1,4
Глины	6,5 - 50,0
Пески	6,0 - 52
Песчаники	3,5 - 29,0
Известняки	до 33
Доломиты	до 39

Линейная фильтрация нефти и газа в пористой среде

Для оценки проницаемости горных пород обычно используются линейным законом фильтрации Дарси . Дарси в 1856 году, изучая течение воды через песчаный фильтр (рис. 1.6.), установил зависимость скорости фильтрации жидкости от градиента давления..

  Согласно уравнению Дарси, скорость фильтрации воды в пористой среде пропорционально градиенту давления:

 где Q – объемная скорость воды; V – линейная скорость воды; F – площадь сечения, L – длина фильтра; k – коэффициент пропорциональности .

Нефть – неидеальная система (компонента нефти взаимодействуют между собой), поэтому линейный закон фильтрации для нефти, содержит вязкость, учитывающую взаимодействие компонентов внутри нефтяной системы:

 В этом уравнении способность породы пропускать жидкости и газа характеризуется коэффициентом пропорциональности k (1.7.), который называется коэффициентом проницаемости.
Виды проницаемости


Проницаемость абсолютная ( физическая ) – проницаемость пористой среды для газа или однородной жидкости при следующих условиях:

1. Отсутствие физико – химического взаимодействия между пористой средой и этим газом или жидкостью.

2.  Полное заполнение всех пор среды этим газом или жидкостью.

Для продуктивных нефтяных пластов эти условия не выполняются.

Проницаемость фазовая (эффективная ) – проницаемость пористой среды для данного газа или жидкости при одновременном наличии в порах другой фазы или системы (газ – нефть – вода ).

При фильтрации смесей коэффициент фазовой проницаемости намного меньше абсолютной проницаемости и неодинаков для пласта в целом.

Относительная проницаемость – отношение фазовой проницаемости к абсолютной.

Проницаемость горной породы зависит от степени насыщения породы флюидами, соотношения фаз, физико – химических свойств породы и флюидов.

Фазовая и относительная проницаемости для различных фаз зависят от нефте - , газо - и водонасыщенности порового пространства породы, градиента давления, физико – химических свойств жидкостей и пористых фаз.

Насыщенность – ещё один важный параметр продуктивных пластов, тесно связанный с фазовой проницаемостью.

Предполагается, что продуктивные пласты сначала были насыщены водой. Водой были заполнены капилляры, трещины, каналы.

При миграции углеводороды, вследствие меньшей плотности, стремятся к верхней части пласта, выдавливая вниз воду. Вода легче всего выходит из трещин и каналов, из капилляров вода не уходит в силу капиллярных явлений. Таким образом, в пласте остаётся связанная вода.

Чтобы определить количество углеводородов, содержащихся в продуктивном пласте, необходимо определить насыщенность порового пространства породы нефтью, водой и газом.

Водонасыщенность Sв – отношение объема открытых пор, заполненных водой к общему объему пор горной породы. Аналогично определение нефте- и газонасыщенности:

Пласт считается созревшим для разработки, если остаточная водонасыщенность .

Остаточная водонасыщенность, обусловленная капиллярными силами, не влияют на основную фильтрацию нефти и газа.

При водонасыщенности до 25% нефте- и газонасыщенность пород максимальная: 45-77% , а относительная фазовая проницаемость для воды равна нулю.

При увеличении водонасыщенности до 40%, фазовая проницаемость для нефти и газа уменьшается в 2-2,5 раза. При увеличении водонасыщенности до 80% фильтрация газа и нефти в пласте стремится к нулю.

Экспериментально изучался поток при одновременном содержании в пористой среде нефти, воды и газа. Опытами установлено, что в зависимости от объемного насыщения порового пространства различными компонентами возможно одно, двух и трехфазное движение. Результаты исследования представлены в виде треугольной диаграммы (рис. 1.11).

Вершины треугольника соответствует стопроцентному насыщению породы одной из фаз; стороны, противолежащие вершинам, - нулевому насыщению породы этой фазой. Кривые, проведенные на диаграмме, ограничивают возможные области одно, двух, и трехфазного потока.