Известняк и доломит, два распространенных вида карбонатных пород, образуются за счет многочисленных осадочных отложений, таких, как известковые илы, осадившиеся неорганическим путем, обломки раковин, делювий, известковый песок, рифы, остатки мелких планктонных организмов (рис. 8.2). Начальная пористость и водопроницаемость большинства этих отложений после погребения довольно быстро изменились, так что первоначальная структура осадочных пород даже позднекайнозойского возраста сохранилась плохо. Наоборот, если осадочные породы с самого начала образовались как сравнительно водонепроницаемые и плотные, а затем и не деформировались, их структура остается неизменной практически неопределенное время. Некоторые более значительные изменения осадочных пород вызываются уплотнением пород, растворением арагонита и кальцита, переотложением известкового цемента и образованием доломита.
Начальная пористость сравнительно высока у многих известняков более молодого возраста. Но их водопроницаелюсть в общем низка, за исключением таких пород, как брекчии и ракушечник, в которых крупные поры не были заполнены цементом. Водопроницаемость может изменяться от менее 1 мдарси для глинистых плотных известняков до нескольких тысяч дарси для частично сцементированных крупнообломочных брекчий (рис. 8.3). Промежуточные значения водопроницаемости от 10 до 500 мдарси наиболее характерны для известняков с начальной пористостью. Плотный кристаллический известняк обычно имеет водопроницаемость менее 1 мдарси (табл. 8.1).
Хотя некоторое первоначальное поровое пространство может сохраниться в древних известняках, с точки зрения получения воды более важными оказываются другие формы пористости. Наибольшее количество воды в осадочных породах пропускают трещины разлома и пустоты вторичного растворения (карстовые пустоты) вдоль поверхностей напластования и зон первоначальной пористости. Значительное поровое пространство также создается в результате постгенетического превращения кальцита в доломит. Если это диагенетическое изменение произойдет после процесса литификации пород, то 13% объема пород, сокращение которого вызвано превращением кальцита в доломит, останется в виде свободного пространства. Однако кристаллы доломита настолько малы, что водопроницаемость этой породы обычно не превышает 300 мдарси, если поры не увеличились под действием вторичного растворения.
Рис. 8.2. Шлифы карбонатных пород различных типов.
Рисунки выполнены с многочисленных микрофотографий, взятых из различных литературных источников, увеличение примерно десятикратное, а — ракушечник с незначительным содержанием известкового цемента, большие сообщающиеся поры делают эту породу превосходным водоносным горизонтом; б— известняк с локальной высокой пористостью за счет водорослевых включений, имеющих форму листообразных скоилепий; поры, не заполненные окаменевшим карбонатным илом, плохо сообщаются между собой, что препятствует быстрой миграции воды; в — доломит средней пористости вторичного происхождения, крупные поры образовались в результате растворения органических остатков, отсутствие крупных сообщающихся пор делает эту породу очень плохим водоносным горизонтом; г — плотный известняк, образовавшийся из известкового песка, сильно сцементированный, с порами, заполненными кристаллическим кальцитом; поступление воды к скважинам возможно только по пустотам растворения и трещинам.
Рис. 8.3. Частично сцементированная известковая брекчия с озера Пирамид, штат Невада.
Темные пятна — крупные поры, не заполненные полностью известковым цементом, который на рисунке имеет светлую окраску.
Значения типичной пористости и водопроницаемости известняка и доломита представлены в табл. 8.1. Многочисленные определения пористости и проницаемости нефтеносных горизонтов дают величины такого же порядка. Например, работы в районе плато Колорадо показали, что карбонатные породы палеозойского возраста, первичная пористость которых обусловлена скоплением пластинок водорослей, имеют в среднем водопроницаемость 24 мдарси и пористость 9,5%. Было найдено, что известняк, пористость которого вызвана растворением оолитов, имеет среднюю водопроницаемость 3,4 мдарси и пористость 11,3%; известняк, бывший ракушечник, имеет среднюю водопроницаемость 5,1 мдарси и среднюю пористость 6,3%; водопроницаемость доломитов составляет в среднем 3,0 мдарси, а пористость — 13%. Наивысшая водопроницаемость среди всех изученных пород оказалась равной 1165 мдарси, а наивысшая пористость — 32,4%.
Простой расчет по гидравлике скважин на воду показывает, что водопроницаемость большинства древних карбонатных пород недостаточна для обеспечения притока даже нескольких галлонов воды в минуту к неглубоким скважинам. На первый взгляд это может показаться странным, поскольку карбонатные породы с проницаемостью 20—100 мдарси способны дать в нефтяные скважины большие количества нефти. Это очевидное несоответствие объяснимо, если учесть две важные диаметрально противоположные особенности добычи нефти и воды. Во-первых, нефтяные скважины обычно гораздо глубже скважин на воду, поэтому вблизи нефтяных скважин образуются более высокие градиенты. Во-вторых, производительность скважин на нефть и воду совершенно различна. Нефтяные скважины производительностью от 2 до 20 галл/мин считаются высокопродуктивными на большинстве нефтяных промыслов. Скважины, дающие воду для промышленности, коммунального водоснабжения и орошения, вероятнее всего будут считаться непроизводительными, если их дебит не достигнет по крайней мере 50 гагл/мин.
На основании данных о водопроницаемости палеозойских и некоторых более молодых карбонатных пород можно сделать важный вывод, что необходимо вести поиски зон вторичной пористости, происхождение которых связано с трещиноватостью и растворением. Зоны первичной пористости, проницаемость пород которых представляет интерес для нефтяной промышленности, не образуют хороших водоносных горизонтов. Но первичная пористость горных пород в целом имеет большое гидрогеологическое значение, так как создает емкость для накопления подземных вод, которые медленно подпитывают более проницаемые зоны. Следует, однако, отметить, что величины пористости, полученные в лаборатории, могут не соответствовать истинным ее значениям. Так, было обнаружено, что карбонатные породы в штате Кентукки, относящиеся к более или менее типичным палеозойским породам, имеют удельную водоотдачу всего лишь 0,18—0,87%, тогда как эта величина, рассчитанная на основании опубликованных данных о пористости, должна быть значительно больше.
Карбонатные породы с обширными каналами растворения или трещинами разлома, первоначально формировавшимися в одном направлении, имеют среднюю водопроницаемость, которая строго анизотропна. Следовательно, направление движения подземных вод нельзя предсказать, начертив только линии, ортогональные к изолиниям уровня подземных вод. Арноу предположил, что подземные воды в районе выхода на поверхность известняков Эдуардс вблизи Сан-Антонио, штат Техас, движутся почти параллельно гидроизогипсам. Поскольку эти известняки отличаются высокой каверноз-ностью, такое предположение кажется весьма обоснованным. На рис. 8.4 показан случай менее резко выраженной анизотропии для двумерного потока подземных вод, когда падение напора во всех водопроводящих каналах прямо пропорционально длине канала.
Все осадочные породы имеют некоторую слоистость, вызывающую анизотропию в вертикальном направлении по сравнению с горизонтальным.
Рис. 8.4. Схема движения двумерного потока подземных вод по трещинам.
Показано истинное направление потока подземных вод и направление, полученное путем проведения линий, перпендикулярных к региональным гидроизогипсам.
Многочисленные измерения водопроницаемости кернов песчаника, отобранных в штате Иллинойс, показывают, что медианное отношение горизонтальной водопроницаемости к вертикальной составляет 1,5; около 12% определений дали величину более 3,0. Вертикальная водопроницаемость немногим менее 6% изученных пород оказалась выше горизонтальной и, следовательно, отношение горизонтальной водопроницаемости к вертикальной составило менее 1,0.
