Procese elementare de formare si transformare a rocilor de zacamant

Procese elementare de formare si transformare a rocilor de zacamânt

2.1. Generalitati

Formarea rocilor sedimentare si transformarile pe care acestea le sufera reprezinta un proces îndelungat și extrem de complex. Petrologia rocilor sedi- mentare studiaza pe larg acest proces. În capitolul de fata sunt trecute în revista, în modul cel mai succint posibil, câteva aspecte concrete care au implicatii majore asupra proprietatilor rocilor colectoare de hidrocarburi, privite din punctul de vedere al ingineriei de zacamânt.

Rocile sedimentare sunt formate în urma alterarii fizico-chimice a unor roci preexistente (magmatice, metamorfice, sedimentare cu o participare cantitativa minima a materialului cosmic), a transportului materialului rezultat la distante mai mari sau mai mici, a acumularii si litificarii acestui material. Mai pot lua nastere prin precipitarea mineralelor din solutii apoase, acumularea si litificarea produselor de precipitatie. Dupa formarea rocilor, transformarile nu nceteaza, dar sunt de mai mica intensitate. În acelasi timp, în constitutia rocilor sedi- mentare intra si materialul organogen - schelete si substante organice - rezultat din materialul biologic din spatiul respectiv.

Interesul cel mai mare pentru ingineria zacamintelor de hidrocarburi îl prezint 19519b119t a litificatia si epigeneza. Litificatia reprezinta totalitatea proceselor care transforma materialul de sedimentare în roca sedimentara. Exista doua faze în acest proces: singeneza, adica totalitatea proceselor de transformare fizica si chimica pe care le sufera materialul în cursul acumularii; diageneza, care include toate transformarile ulterioare sedimentarii, prin care ia nastere roca sedimentara.

Epigeneza cuprinde transformarile pe care le sufera roca dupa formarea ei. Delimitarea acestor etape este, într-o anumita masura, artificiala, cu atât mai mult cu cât procesul de formare a rocilor este foarte îndelungat iar conditiile din mediul de formare se pot schimba dramatic.

Cu riscul de a simplifica, în cele ce urmeaza vor fi descrise câteva procese de litificare de interes special pentru configuratia finala a spatiului de pori si fisuri și al distributiei mineralelor în rocile colectoare.

2.2. Factorii fizico-chimici ai litificarii

Temperatura are o influenta hotarâtoare în toate fazele procesului, atât în ceea ce priveste mineralogeneza, cât si dezvoltarea formelor de viața. Câmpul termic din scoarta terestra este discutat pe larg în [5]. Reamintim faptul ca temperatura din scoarta în zona care gazdueste zacamintele de hidrocarburi creste cu adâncimea.

Temperatura ridicata mareste viteza reactiilor chimice si produce des-compunerea rapida a materiei organice cu formarea diverselor substante, în special gaze, cu un rol important în litogeneza. La temperaturi mari, ionii si atomii se pot înlocui usor între ei în retelele cristaline, dând nastere seriilor izomorfe sau solutiilor solide. Spre exemplu, în retelele mineralelor de calciu apar deseori, la temperaturi ridicate, adaosuri de strontiu si bariu, în vreme ce, din solutiile apoase, aceste elemente se pot separa direct sub forma de minerale inde-pendente (fenomenul de imiscibilitate). Tot la temperaturi ridicate creste si cantitatea de magneziu din cochiliile calcitice ale organismelor.

Pe de alta parte, scaderea temperaturii încetineste sau chiar frâneaza reactiile chimice. În schimb, solubilitatea gazelor în apa creste cu scaderea temperaturii. Spre exemplu, la presiunea atmosferica, volumul de dioxid de carbon dizolvat în apa la temperatura de 0⁰ C este dublu fata de cel dizolvat la temperatura de 10⁰ C. De aici decurg o serie întreaga de consecinte privind repartitia carbonatului de calciu în apele marine si în cele din scoarta.

Presiunea din mediul de sedimentare are, în general, efect contrar celui al temperaturii. Volumul de gaze dizolvate în apa creste cu presiunea, dupa legi care depind si de natura sistemului. În particular, se poate spune ca presiunea controleaza procesul de dizolvare al carbonatilor, evident în masura în care în zona exista suficiente cantitati de dioxid de carbon.

Presiunea litostatica este determinanta în procesul de apropiere a particulelor de minerale si de generare a fisurilor în rocile compacte. Prezenta apei diminueaza efectul presiunii litostatice prin contrapresiunea hidrostatica generata.

Indicele pH al mediului de sedimentare si, în general, al apelor subterane are o importanta excepționala în procesele de litificare. Domeniul de variatie al pH-ului este destul de larg, de la ape acide, legate de manifestarile vulcanice, pâna la ape alcaline legate de concentrarile excesive din zonele desertice. Apa de mare prezinta valori ale pH-ului cuprinse între și , iar apele dulci între și . Trecerea de la un mediu acid la unul alcalin este unul din mecanismele care explica precipitarea carbonatilor la confluenta râurilor cu apa de mare. Microorganismele supravietuiesc în cele mai variate medii de sedimentare: de la foarte acide (bacterii feruginoase) la puternic alcaline (bacterii reducatoare de sulfati).

Se admite ca pH--ul mediului de formare a mineralelor argiloase se conserva, realizându-se o adevarata "fosilizare" a lui [6]. Astfel, în apele continentale (acide) se formeaza preponderent caolinitul, în timp ce în apele alcaline se formeaza mai ales illitul si montmorillonitul.

Fierul trivalent trece în solutie numai daca aceasta este sufucient de acida, pe când fierul bivalent trece în solutie în conditii mai putin restrictive. De altfel, dupa cum se stie, mediile acide sunt medii reducatoare.

2.3. Transformari care influențeaza direct proprietatile de colector ale rocilor

Natura materialului de sedimentare, factorii fizico-chimici ai litificarii, prezenta microorganismelor, durata litificarii s.a. determina o mare varietate de transformari de diferite intensitati. Fara a face o ierarhizare, vor fi trecute în revista câteva transformari în urma carora se produc modificari importante ale volumului de pori, ale formei si dimensiunii porilor, precum si ale compozitiei mineralogice a rocii.

Compactarea este o transformare de ordin fizic produsa de presiunea litostatica si limitata de presiunea hidrostatica. Diferenta dintre presiunea litostatica si cea hidrostatica poarta numele de presiune efectiva. Sedimentele initiale, destul de afânate, în care granulele reprezinta o fractie volumica de 0,5.0,7, se taseaza pe masura ce greutatea sedimentelor de deasupra creste. Apa este eliminata treptat si volumul intergranular se micsoreaza. Procesul este relativ rapid la sedimentele clastice grosiere, datorita dimensiunii mari ale spatiilor libere care confera o buna capacitate de curgere a rocii care se formeaza. Din contra, în cazul sedimentelor foarte fine, alcatuite mai ales din minerale argiloase, procesul este mult mai lent. Ca ordin de marime, debitul de "stoarcere" a apei din sedimente cu diametrul de mm este de cca 10⁶ ori mai mare decât cel din sedimente cu diametrul de mm. Din aceasta cauza, stratele argiloase sunt numai partial "stoarse", devenind unitati hidridinamice închise, în care presiunea apei tinde catre presiunea litostatica.

Mecanismele prin care se produce compactarea sunt, în linii generale, ur- matoarele: reasezarea particulelor, deformarea si dizolvarea lor partiala.

1. Granulele tind sa se reaseze într-o pozitie cât mai apropiata de pozitia de stabilitate mecanica, adica aceea în care centrul de greutate se afla la cota minima. Aceasta reasezare priveste atât fiecare granula nesferica, cât si ansamblul granulelor. Spre exemplu, în cazul unor sfere de egal diametru (roca fictiva), asezarea cea mai putin compacta este aceea a unei retele cubice, iar asezarea cea mai compacta este aceea a unei retele tetraedrice. Spatiul liber dintre sferele rocii fictive se reduce prin reasezare cu cca Reasezarea granulelor depinde de natura particulelor, de marimea, forma si orientarea lor. Efectele acestor parametri sunt sugerati de schemele din figura 2.1.

Fig. 2.1. Schema de rearanjare a particulelor în funcție de compoziția granulometrica, marime, forma, orientare și împachetare.

2. Granulele cu rezistenta mecanica mica se sfarâma partial sub actiunea tensiunilor generate de presiunea litostatica sau de alte solicitari. Fragmentele aparute se vor dispersa în spatiul din jur, ocupându-l partial. Granulele mari, din care se desprind fragmentele, se vor apropia între ele, micsorând volumul intergranular (al porilor). În acelasi timp, volumul fragmentului creste putin datorita relaxarii mecanice, efectul fiind tot unul de micsorare a volumului de pori.

Prin sfarâmarea granulelor se micsoreaza, în acelasi timp, si dimensiunea porilor. (Este important sa nu se faca o confuzie între volumul si dimensiunea porilor. Dupa cum se va vedea în capitolul 4., un volum mare de pori poate fi asociat cu dimensiuni mici ale porilor si invers).

4. Prin dizolvarea partiala a granulelor în punctele de contact, unde solubilitatea este crescuta datorita starii de tensiune a cristalelor din zonele respective cu câteva ordine zecimale de marime, are loc o redepunere, sub forma cristalina sau amorfa, în imediata apropiere, în conformitate cu parametrii echilibrului din solutie la conditiile respective. În felul acesta, este redusa marimea spatiului dintre granule.

Cele patru componente ale procesului de compactare aratate mai sus sunt schematizate în figura 2.2.

Fig. 2.2. Procese elementare de compactare:

1. reasezare; 2. sfarâmare; 3. deformare plastica; 4. dizolvare-redepunere.

În cazul rocilor argiloase, procesul de reasezare a particulelor se produce în conformitate cu forma si dimensiunea acestora. Dupa cum de stie, particulele de minerale argiloase au forma unor discuri cu diametrul de ordinul a mm si grosimea de ordinul a 0,1 mm. În figura 2.3. este prezentat procesul de compactare pentru doua roci argiloase: prima, a si b, contine lamele relativ groase si rigide de carbonati, iar cea de a doua, c si d, contine lamele fine si flexibile de carbonati.

Masura în care fiecare din procesele mentionate are efecte importante ntr-un zacamânt este variabila, atât în planul de stratificatie cât si pe directie perpendiculara pe acest plan. Coroborat cu modificarea naturii materialului de sedimentare care ajunge în depozitul în cauza, efectul variabilitatii intensitatii transformarilor diagenetice conduce la variatiile de litofacies, uneori pâna la modificarea tipului de roca, în cuprinsul zacamântului [74].

Procesele mentionate mai sus se refera la fenomenul natural care se produce odata cu cresterea presiunii litostatice prin acumularea de sedimente si cresterea adâncimii la care se gasesc rocile.

Cercetari mai recente au aratat ca un proces similar se produce n timpul exploatarii zacamintelor de hidrocarburi, datorita scaderii presiunii hidrostatice, urmare a extractiei fluidelor de zacamânt. Prin scaderea presiunii hidrostatice, creste presiunea efectiva. Sunt mentionate patru tipuri de deformari care se produc, în ordine cronologica, în cursul scaderii presiunii de zacamânt [71].

Fara a intra în detalii, vor fi enumerate cele patru mecanisme:

a) destinderea elastica a rocii;

   

a    b

c d

Fig. 1.2.3. Pachete necompacte, a si c, si compacte,

b si d, de particule argiloase si carbonatice [23].

b) deformarea dilatanta a microfragmentelor de roca rezultate în urma sfarâmarii granulelor interpuse între granulele mari care formeaza scheletul rocii;

c) "prabusirea" granulelor prin trecerea de la contacte intergranulare pe suprafete mici (punctuale) la contacte pe suprafete mari, rezultând o apropiere a granulelor de dimensiuni mari care reprezinta scheletul rocii;

d) consolidarea normala prin rearanjarea granulelor catre pozitia de echilibru stabil.

Efectul combinat al acestor mecanisme duce la o reducere a spatiului liber din roca (scaderea porozitatii), fiind într-o oarecare masura similar cu procesul de compactare din cursul litificarii. Fenomenul descris mai sus este mai accentuat la gresii slab consolidate si mai putin accentuat la nisipurile necon-solidate. Rocile dure sufera, mai ales, deformari elastice.

Fisurarea reprezinta un proces complex de rupere a rocii ca urmare a solicitarilor mecanice la care aceasta este supusa. Rezultatul este crearea unor spatii, numite fisuri, cu un grad foarte mare de anizotropie, în sensul ca au dimensiuni foarte mari pe doua directii (extinderea fisurii) si o dimensiune mica pe cea de a treia directie (deschiderea fisurii). Procesul este specific rocilor puternic consolidate, în special rocilor de precipitatie.

Fisurile au forme si dimensiuni destul de variate. Exista însa o directie predominanta a sistemului de fisuri, în functie de directia de minima rezistenta din roca, în raport cu starea de tensiune care provoaca fisurarea.

Principalele cauze care provoaca fisurarea rocilor sunt: miscarile diastrofice ale scoartei care determina cutarea si falierea; eroziunea stratelor superficiale care permit expansiunea si ridicarea stratelor; modificarile de volum din stratele vecine datorita pierderii apei de catre marne si argile sau racirii rocilor magmatice din regiune, însotite de cresteri de volum ale rocilor fisurabile.

Fisurile sunt de mai multe feluri [4]. Cele care au un spatiu de separatie între blocurile pe care le delimiteaza sunt denumite fisuri efective. Mai exista: fisuri potentiale, fara spatiu liber între blocuri, dar susceptibile de a se deschide printr-un procedeu de fisurare provocat artificial prin cresterea suficienta a presiunii hidrostatice sau prin micsorarea presiunii litostatice; fisuri partial umplute prin depozite secundare care "tapiseaza″ peretii fisurilor efective; fisuri total umplute de depozite secundare. Existenta fisurilor efective este uneori conditionata de prezenta fragmentelor de dimensiuni mici desprinse din roca în procesul de fisurare, care "podesc" fisurile, împiedicând reapropierea blocurilor dupa modificarea starii de tensiune care a provocat fisurarea.

Dizolvarea și depunerea mineralelor în pori si fisuri este un proces care are loc în cvasitotalitatea rocilor în perioadele de diageneza si epigeneza. Mai mult, astfel de procese pot avea loc chiar si în cursul exploatarii zacamintelor prin modificarea conditiilor de echilibru dintre roca si apa de zacamânt sau diversele solutii injectate în zacamânt în cursul exploatarii.

Dizolvarea si depunerea secundara are aspecte foarte diverse deoarece, practic, oricare din mineralele prezente în rocile colectoare poate suferi un astfel de proces într-o proportie semnificativa. Fara a intra în detaliile referitoare la echilibrul de dizolvare-precipitare-recristalizare, trebuie subliniat faptul ca transferul de masa roca-solutie-roca este selectiv si se face în functie de potentialele chimice ale tuturor mineralelor si ionilor prezenti, care, la rândul lor, depind de conditiile de presiune si temperatura. Spre exemplu, un calcit magnezian va trece în solutie astfel încât fractia dizolvata va avea un raport Ca/Mg mult mai mic decât mineralul originar, ceea ce face ca raportul Ca/Mg din mineral sa creasca. În felul acesta, un calcit magnezian va tinde sa devina calcit pur. Un alt exemplu este înlocuirea unui mineral de catre un altul, cum ar fi cazul perechii calcit-cuart.

Transportul se realizează printr-un film subtire de ordinul micronilor, dupa o secventa de reactii schematizata în figura 2.4. Cuartul este transportat sub forma de acid silicic (H₄SiO₄), iar calcitul sub forma de bicarbonat de calciu (Ca(HCO₃)₂).

Marimea cristalelor rezultate în procesul de precipitare secundara este o functie de viteza de precipitare. Cu cât aceasta este mai mare, cu atât cristalele sunt mai mici.

O ilustrare a procesului de crestere a cristalelor în detrimentul volumului de pori este prezentata în figura 2.5.

Fig. 2.4. Transportul chimic într-un film subtire

la frontul de înlocuire a cuartului de catre calcit [6].

Cele doua procese, dizolvarea si depunerea, au efecte contrare asupra dimensiunii porilor si fisurilor. Prin acest proces este posibila chiar initierea formarii unor fisuri. Dupa cum s-a mentionat deja, fisurile pot fi partial sau total închise prin depunere secundara. Acelasi lucru se poate întâmpla si cu porii.

Un alt rezultat este, dupa opinia autorului [5], o "nivelare" a compozitiei mineralogice a peretilor porilor si fisurilor, adica o uniformizare a compozitiei

Fig. 1.2.5. Cresterea progresiva a cristalelor

pe granule gazda în spatiul de pori.

mineralogice a rocii în imediata apropiere a porilor si fisurilor. Aceasta unifor-mizare se realizeaza pe doua cai.

(1) Prin dizolvare, mineralele mai solubile în conditiile date vor trece în solutie. Zona afectata va fi mai saraca în mineralele mai solubile si mai bogata în mineralele mai insolubile.

(2) Ca urmare a precipitarii selective a mineralelor, în sensul ca se depun minerale care au solubilitatea cea mai mica în conditiile date, se formeaza un învelis, care are o compozitie mineralogica mai uniforma decât înaintea procesului de depunere. Masura în care acest învelis este mai gros sau mai subtire, mai mult sau mai putin continuu, este mai greu de precizat, desi cercetarea mineralogica poate stabili acest lucru.

Modificarile de compozitie mineralogica ale rocii în învelisul porilor si fisurilor au o importanta speciala, în sensul ca interactiunea dintre fluide si roca se produce cu mineralele de pe suprafata interna a rocii si nu cu mineralele aflate dincolo de aceasta suprafata. Ori, interactiunea roca-fluid are o importanta cruciala în exploatarea zacamintelor de hidrocarburi, dupa cum se va vedea în partea doua a lucrarii.

Dolomitizarea si dedolomitizarea reprezinta procesele complementare prin care calcitul se transforma în dolomit si invers. Aflat într-o solutie în care concentratia în ioni de magneziu este mai mare decât cea în ioni de calciu, calcitul tinde sa se transforme în dolomit, în sensul reactiei generale:

Solutia ajunge la echilibru la un anumit raport Ca/Mg, în functie de ceilalti parametri ai sistemului: presiune, temperatura, concentratia în alti ioni.

La valori mari ale raportului Ca/Mg reactia poate decurge, partial, în sens invers. Daca mediul este acid, sensul reactiei este dolomitizarea calcitului.

Formarea efectiva a dolomitului ramâne o problema deschisa. Doua conditii sunt însa sine qua non [6]: o sursa suficienta de magneziu, concretizata prin mentinerea unui raport Mg/Ca suficient de mare si un mecanism de drenare pentru împrospatarea apei din roca în care se produce dolomitizarea (numai condiția unui raport mare Mg/Ca nu este suficienta). Spre exemplu, în apele marine de suprafata nu se formeaza dolomit, desi raportul Mg/Ca este mare. Procesul de dolomitizare este favorizat de existenta particulelor foarte fine, de sub mm, în mediul de sedimentare. Astfel, dolomitizarea este mai extinsa în roci carbonatice cu un reziduu insolubil în acizi format din minerale argiloase decât în absenta unui astfel de reziduu.

În etapele initiale de dolomitizare, adica pâna la continut în dolomit, porozitatea ramâne constanta sau scade putin. La un continut mai mare de dolomit ( atât porozitatea, cât si permeabilitatea sunt marite substantial. Cresterea continutului de dolomit la peste duce la o scadere slaba a porozitatii si a permeabilitatii pentru ca volumul calcitului scade prin dolomitizare (volumul molar al dolomitului este cu cca mai mic decât al calcitului [6]). O schema a modificarilor de volum a trei carbonati este data în figura 2.6.

Fig. 2.6. Modificarile teoretice de volum prin înlocuirea echimolara a mineralelor.

În paragrafele anterioare au fost mentionate, foarte succint, fenomene de o deosebita complexitate, greu de surprins, cu atât mai mult cu cât ele se desfasoara în perioade mari de timp. Unele transformari din scoarta (roca si fluide) sunt insesizabile la scara de timp umana. În schimb, la scara de timp geologica aceste transformari pot fi foarte importante.

Fenomenele prezentate mai sus vor fi invocate în capitolele urmatoare, când va fi vorba despre proprietatile rocilor, pentru a întelege mai bine geneza acestor proprietati (porozitate, permeabilitate, forma si dimensiunea porilor si fisurilor etc).

Întrebari si probleme

1. Care sunt etapele de formare a rocilor detritice? Dar a rocilor de precipitatie?
2. Ce reprezinta litificatia?
3. Enumerati factorii fizico-chimici ai litificarii.
4. Faceti o ierarhizare a factorilor litificarii din punctul de vedere al importantei.
5. Roca fictiva modeleaza o roca detritica sau una de precipitatie?
6. Care este efectul compactarii asupra capacitatii de înmagazinare a rocilor detritice?
7. Faceti comparatie între procesul de compactare si cel care se produce în timpul exploatarii zacamântului.
8. De ce se produce fisurarea rocilor?
9. Care sunt tipurile de fisuri?
10. Care este importanta fisurarii rocilor pentru procesul de formare a zacamintelor?
11. De ce se produce dizolvarea mineralelor în apa de contact? De ce se produce depunerea mineralelor din apa de contact?
12. Cum se modifica proprietatile rocilor datorita dizolvarii, respectiv a depunerii mine-ralelor?
13. Explicati mecanismul dolomitizare-dedolomitizare.