strefy Siekierki–Winna Góra (ko³o Poznania)
w aspekcie poszukiwañ z³ó¿ gazu zamkniêtego w osadach czerwonego sp¹gowca
Arkadiusz Buniak
1, Marta Kuberska
2, Hubert Kiersnowski
2Petrographical-petrophysical characteristics of the Rotliegend eolian sandstones of the Siekierki–Winna Góra Zone (the Poznañ region) in the aspect of search for gas trapped in deposits. Prz. Geol., 57: 328–334.
A b s t r a c t . The studied Siekierki–Winna Góra region is situated in north-ern part of the Fore-Sudetic Monocline, close to its boundary with the Mogilno–£ódŸ synclinorium, and comprises areas stretching south-eastwards of Poznañ. The top of the Rotliegend deposits occurs there at depths rang-ing from 3.5 to 3.7 km. The major aim of the studies was to establish petrophysical characteristics of Upper Rotliegend eolian sandstones these rocks and define influence of diagenetic processes (especially compaction and cementation) on their reservoir properties. The petrographical and petrophysical analyses covered mainly top parts of profiles of Upper Rotliegend eolian sandstones from 9 boreholes. On the basis of the detailed sedimentological and facies analyses, it became possible to distinguish three depositional eolian groups in the studied region. These groups are related to desert sedimentation environment, that is dune, interdune and redeposition environments. The studies showed reduction of porosity and permeability of Upper Rotliegend eolian sandstones in an area from Siekierki through P³awce, Mi³os³aw and Komorze and further south-eastwards, despite of advantageous facies development of these rocks. Diagenetic compac-tion and cementacompac-tion are the processes responsible for this reduccompac-tion. However, reservoir properties of these sandstones appear suffi-cient to treat the above mentioned zones as prospective. Such depositional traps may be best treated as unconventional tight gas deposits (Poprawa & Kiersnowski, 2008).
Key words: Upper Rotliegend, eolian sandstones, gas deposits
Poszukiwania z³ó¿ wêglowodorów w basenie górnego czerwonego sp¹gowca dotychczas koncentrowa³y siê na obszarze wielkopolskiej i pomorskiej prowincji naftowej. W ostatnich latach wzros³o zainteresowanie poszukiwania-mi w g³êbszej — œrodkowej czêœci basenu czerwonego sp¹gowca. Podstawowe znaczenie maj¹ tu niekonwencjo-nalne z³o¿a gazu. Istotne jest zatem okreœlenie w³aœciwoœci zbiornikowych ska³ w potencjalnych pu³apkach z³o¿owych w stropie czerwonego sp¹gowca, na g³êbokoœci przekra-czaj¹cej 4 km. Gaz ziemny zamkniêty (tight gas) wystêpu-je w piaskowcach o ma³ej przepuszczalnoœci i niewielkiej porowatoœci, w których przestrzeñ porowa jest nieregular-na i z³o¿onieregular-na z izolowanych porów (Poprawa & Kiersnow-ski, 2008). Osi¹gniêcia poszukiwawcze w niemieckiej czêœci basenu czerwonego sp¹gowca, gdzie odkryto kilka z³ó¿ gazu ziemnego zamkniêtego (np. z³o¿e Soehlingen — strop na g³êbokoœci poni¿ej 5 km), daj¹ nadziejê na wystê-powanie tego typu z³ó¿ w polskiej czêœci basenu.
Przedmiotem zainteresowania autorów by³y eoliczne pias-kowce górnego czerwonego sp¹gowca, wystêpuj¹ce w pó³-nocnej czêœci monokliny przedsudeckiej, granicz¹cej z syn-klinorium mogileñsko-³ódzkim, w rejonie Siekierki–Winna Góra, le¿¹cym na po³udniowy wschód od Poznania (ryc. 1). Sedymentacja tych piaskowców odbywa³a siê w œrodowi-sku pustynnym, na rozleg³ym polu wydmowym Ergu Wschodniego (Kiersnowski, 1998). Strop utworów górne-go czerwonegórne-go sp¹górne-gowca wystêpuje na tym obszarze na znacznej g³êbokoœci — od 3,5 do 3,7 km.
Celem badañ by³o przeœledzenie wp³ywu procesów diagenetycznych (przede wszystkim kompakcji i cementa-cji) na w³aœciwoœci zbiornikowe piaskowców eolicznych górnego czerwonego sp¹gowca.
Analiz¹ petrograficzn¹ i petrofizyczn¹ objêto najbar-dziej perspektywiczne, stropowe partie profili piaskowców eolicznych czerwonego sp¹gowca z otworów wiertniczych: Kórnik-2, 3; Mi³os³aw-3; P³awce-1; Siekierki-3, 4; Œroda Wlkp.-4, 5 i Winna Góra-1. Na podstawie szczegó³owej analizy sedymentologicznej i facjalnej profili górnego czer-wonego sp¹gowca w badanej strefie wydzielono 3 zespo³y depozycyjne zwi¹zane z pustynnym œrodowiskiem sedy-mentacji: zespó³ eoliczny wydmowy, miêdzywydmowy i eoliczny redeponowany.
Zespó³ eoliczny wydmowy sk³ada siê z piaskowców drobno- i œrednioziarnistych, sporadycznie z gruboziarni-stych lub z mu³owców. Piaskowce s¹ dobrze i bardzo dobrze wysortowane, miejscami wykazuj¹ wysortowanie bimodalne. Piaskowce tej facji dominuj¹ wœród badanych osadów czerwonego sp¹gowca i stanowi¹ g³ówn¹ ska³ê zbiornikow¹.
Zespó³ eoliczny miêdzywydmowy to przede wszystkim piaskowce o zró¿nicowanym uziarnieniu i w wiêkszoœci bimodalnym wysortowaniu, charakteryzuj¹ce siê poziom¹ i niskok¹tow¹ laminacj¹. Piaskowce miêdzywydmowe stwierdzono w materiale rdzeniowym prawie ze wszyst-kich otworów w strefie Siekierki–Winna Góra.
W stropowych partiach czerwonego sp¹gowca wystê-puj¹ piaskowce eoliczne redeponowane podczas transgre-sji cechsztyñskiej. Ich mi¹¿szoœæ jest zró¿nicowana. Wykazuj¹ one dobre wysortowanie, s¹ na ogó³ drobnoziar-niste, czêsto masywne lub poziomo i przek¹tnie warstwo-wane.
1
PGNiG S.A., Oddzia³ w Zielonej Górze, ul. Bohaterów Wester-platte 15, 65-034 Zielona Góra; arkadiusz.buniak@zzgnig.com.pl
2
Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, 00-975 War-szawa; marta.kuberska@pgi.gov.pl; hubert.kiersnowski@pgi.gov.pl A. Buniak M. Kuberska H. Kiersnowski
Charakterystyka petrograficzna Sk³ad szkieletu ziarnowego. W stropowych
partiach profili górnego czerwonego sp¹gowca piaskowce eoliczne wydmowe i redeponowane s¹ reprezentowane przez arenity drobnoziarniste i œrednioziarniste, sporadycznie waki drobno-ziarniste o ró¿nym stopniu wysortowania. Pias-kowce miêdzywydmowe to g³ównie ró¿noziar-niste arenity i waki. Ziarna detrytyczne maj¹ ró¿ny stopieñ obtoczenia. Upakowanie mate-ria³u detrytycznego jest na ogó³ s³abe. WskaŸnik kontaktów miêdzyziarnowych wynosi oko³o 2. Wartoœæ wskaŸnika wysortowania materia³u detry-tycznego, któr¹ uzyskano przez obliczenie sto-sunku maksymalnej do najczêstszej i œrednicy ziarn kwarcu, zmienia siê wraz z g³êbokoœci¹ od oko³o 3 do ponad 6. Miejscami materia³ grubiej uziarniony tworzy cienkie warstewki wœród drob-niejszych frakcji b¹dŸ jest u³o¿ony bez³adnie.
Wed³ug klasyfikacji Pettijohna i in. (1972) piaskowce eoliczne oraz eoliczne redeponowa-ne nale¿¹ do arenitów subarkozowych, subli-tycznych oraz arenitów kwarcowych. Waki s¹ przewa¿nie subarkozowe (ryc. 2).
Podstawo-SIEKIERKI WIELKIE-1 KÓRNIK-1 ROGALIN-1 ROGALIN-2 RADZEWO-1 CZMOÑ-1 CZMOÑ-3 CZMOÑ-11 KALEJE-4 KALEJE-3 K-1 K-9 KALEJE-11 K-10 KALEJE-5 KALEJE-7 KRZYKOSY-1A ZANIEMYŒL-1 ZANIEMYŒL-3 Z-2K SOLEC-1 SOLEC-2 SOLEC-3 S-7 SOLEC-6 LUBRZE-1 WITOWO-1 WITOWO-2 WITOWO-3 ŒMIE£ÓW-1 CZESZEWO IG-1 ¯ERKÓW-1 RADLIN-24 RADLIN-8 R-9 R-11 R-42 R-7 R-1 R-10 R-27 R-25 R-3 R-4 R-29R-28 R-2 R-5 RADLIN-22 RADLIN-21 RADLIN-19 R-20 R-15 R-18 R-12 R-45 R-54 R-16A R-6 KOMORZE-1 KOMORZE-2 SOLEC-8 SOLEC-4 SOLEC-5 MIESZKÓW-1 KLÊKA-1A KLÊKA-3 POLWICA-1 KALEJE-8 MECHLIN-1 KSI¥¯ WLKP-1 KSI¥¯ WLKP-6 MECHLIN-3 K-6 K-14 KALEJE-2 RADZEWO-2 KRAJKOWO-1 BRODNICA-1 KÓRNIK-2 MI£OS£AW-1 MI£OS£AW-2 WRZEŒNIA IG-1 ŒRODA IG3 TRZEK-1 KROMOLICE-1 ŒRODA WLKP-6 SIEKIERKI-4 KÓRNIK-3 MI£OS£AW-3 P£AWCE-1 SIEKIERKI-3 ŒRODA WLKP-5 ŒRODA WLKP-4 WINNA GÓRA-1
z³o¿a gazu ziemnego w czerwonym sp¹gowcu gas deposits in Rotliegend
P£AWCE-1 analizowane profileczerwonego sp¹gowca
analysed Rotliegend profiles
0 5 10km
Ryc. 1. Lokalizacja otworów wiertniczych Fig. 1. Location of boreholes
0 25 50 75 100 Q F L 75 90 5 25 0 25 50 75 100 Q F L 25 75 90 5 ARENITY ARENITES WAKI WACKES Kórnik-3 Œroda Wlkp-4 Œroda Wlkp-5 Winna Góra-1 Mi³os³aw-3 P³awce-1 Siekierki-3 Siekierki-4 druga grupa second group pier wsza grupa first group
Ryc. 2. Piaskowce czerwonego sp¹gowca górnego na tle trójk¹tów klasyfi-kacyjnych Pettijohna i in. (1972): Q — kwarc, L — okruchy ska³, F — skale-nie
Fig. 2. Upper Rotliegend sandstones classified according to classification triangles of Pettijohn et al. (1972): Q — quartz, L — rock fragments, F — feldspars
wystêpuje kwarc polikrystaliczny (4,9–22,3% obj.). Widoczne w niektórych ziarnach polikrystalicznych œlady tekstury równoleg³ej sugeruj¹, ¿e pochodz¹ one ze ska³ metamorficznych.
Drugim, pod wzglêdem iloœci, sk³adnikiem szkieletu ziarnowego s¹ skalenie (0,5–10,7% obj.). S¹ one reprezen-towane przez niezbliŸniaczony skaleñ potasowy i polisyn-tetycznie zbliŸniaczony mikroklin oraz mikropertyt mikro-klinowy, albit szachownicowy, podrzêdnie oligoklaz. Ziarna skaleni s¹ pó³obtoczone, miejscami zargilityzowane.
Grupa litoklastów (0,5%–15,0% obj.) jest reprezento-wana miêdzy innymi przez okruchy ska³ wulkanicznych. Rozpoznano tu szare i brunatne ryolity i dacyty o struktu-rze afirowej, rzadziej — porfirowej. Ponadto wyró¿niono drobnoziarniste piaskowce, mu³owce i i³owce. Odnotowa-no równie¿ okruchy kwarcowo-skaleniowe — najprawdo-podobniej granitoidów — oraz kwarcowo-³yszczykowe fragmenty ska³ metamorficznych.
Podrzêdnie w materiale detrytycznym piaskowców wystêpuj¹ blaszki muskowitu i biotytu oraz ziarna mine-ra³ów ciê¿kich: cyrkonu, rutylu, turmalinu, epidotu, apaty-tu, anatazu i tlenków ¿elaza.
Sk³adniki spoiw. Materia³ detrytyczny badanych
pia-skowców cementuje spoiwo typu matriks i spoiwo ortoche-miczne. G³ównym sk³adnikiem matriksu jest py³ kwarcowy,
puje chloryt, niekiedy minera³y mieszanopakietowe illit/smektyt. Niejednokrotnie mieszanina wodorotlenków ¿elaza i minera³ów ilastych tworzy cienkie otoczki na ziar-nach detrytycznych lub wype³nienia przestrzeni porowych. W piaskowcach czerwonego sp¹gowca z otworów wiert-niczych Kórnik-3, Œroda Wlkp.-4, Œroda Wlkp.-5 i Winna Góra-1 zawartoœæ matriksu wynosi od 0 do 25,9% obj. i roœnie wraz z g³êbokoœci¹. Najwiêksz¹ zawartoœci¹ matriksu charakteryzuj¹ siê piaskowce facji miêdzywydmowej.
W piaskowcach z otworów wiertniczych Mi³os³aw-3, P³awce-1, Siekierki-3 i Siekierki-4 iloœæ matriksu jest mniej-sza i wynosi od 0 do 15,0% obj. Równie¿ w tych piaskowcach obserwuje siê wzrost zawartoœci matriksu wraz z g³êbokoœci¹. Wœród autigenicznych minera³ów ilastych wyró¿niono chloryty oraz illit. Chloryty obserwowano w postaci drob-nych blaszek lub bardzo cienkich obwódek na ziarnach detrytycznych. Illit wystêpuje w postaci ³useczek i w³ókien oraz tworzy obwódki na ziarnach detrytycznych (ryc. 3, 4). Z wiêkszoœci illitowych ³useczek wyros³y in situ cienkie w³ókna, tworz¹ce mostki miêdzy ziarnami detrytycznymi. Ich obecnoœæ bardzo niekorzystnie wp³ywa na przepusz-czalnoœæ badanych piaskowców. Krystalizacja illitu nastê-powa³a w trakcie ró¿nych stadiów diagenezy. Znane z literatury wyniki oznaczeñ wieku krystalizacji w³ókniste-go illitu w piaskowcach czerwonew³ókniste-go sp¹w³ókniste-gowca dowodz¹, ¿e zachodzi³a ona w najwczeœniejszej i œrodkowej jurze,
Ryc. 3. Romboedry dolomitu (Do) i autigeniczny illit (strza³ki) w piaskowcu. Obraz w SEM. Winna Góra-1, g³êb. 3536,05 m Fig. 3. Rhombohedrons of dolomite (Do) and authigenic illite (arrows) in the sandstone. SEM image. Winna Góra-1, depth 3536.05 m
a tak¿e w najpóŸniejszej jurze i wczesnej kredzie (Mali-szewska, 1997; Kuberska i in., 2008). Wydaje siê, ¿e kry-stalizacja illitu nast¹pi³a w wyniku przeobra¿enia skaleni potasowych. Móg³ on równie¿ krystalizowaæ z wód forma-cyjnych, co w przypadku osadów czerwonego sp¹gowca Niemiec opisali Zwingmann i in. (1998). Autigeniczny illit najczêœciej wspó³wystêpuje w przestrzeniach porowych badanych piaskowców z drobnymi romboedrami dolomitu (ryc. 3) lub s³upkami kwarcu autigenicznego (ryc. 4).
Minera³y wêglanowe s¹ reprezentowane g³ównie przez kalcyt i dolomit. Kalcyt najczêœciej wystêpuje w postaci kryszta³ów anhedralnych, tworz¹c spoiwo typu porowego. Obecnoœæ kalcytu zanotowano w piaskowcach z otworów wiertniczych Kórnik-3, P³awce-1 oraz Winna Góra-1. Dolo-mit wystêpuje w postaci ró¿nej wielkoœci romboedrów. Na podstawie badañ w elektronowym mikroskopie skaningo-wym stwierdzono, ¿e niektóre z romboedrów wykazuj¹ budowê pasow¹. W sk³adzie dolomitu wystêpuj¹ domiesz-ki Fe i Mn. Dolomit jest obecny we wszystdomiesz-kich badanych próbkach.
W analizowanych piaskowcach najwa¿niejszym repre-zentantem grupy minera³ów siarczanowych jest anhydryt. Wystêpuje on w postaci spoiwa porowego z³o¿onego z pojedynczych tabliczek i ich skupieñ. Obok anhydrytu obserwowano niekiedy tabliczki barytu. Najsilniejsza cementacja siarczanami wystêpuje w partiach przystropo-wych czerwonego sp¹gowca, szczególnie w otworach
wiertniczych Œroda Wlkp.-5, Winna Góra-1 i P³awce-1. Uwa¿a siê, ¿e podobnie jak w innych rejonach Polski cement anhydrytowy w opisywanych piaskowcach pocho-dzi z infiltracji osadów czerwonego sp¹gowca przez solan-ki cechsztyñssolan-kie (Kuberska, 2004).
Cement kwarcowy wystêpuje w postaci pojedynczych, euhedralnych kryszta³ów (ryc. 5). Miejscami tworzy syn-taksjalne obwódki regeneracyjne na ziarnach kwarcu detry-tycznego, które stykaj¹c siê ze sob¹, szczelnie wype³niaj¹ przestrzenie porowe ska³.
Na podstawie ró¿nic w sk³adzie mineralnym wydzielo-no dwie grupy piaskowców.
W sk³adzie szkieletu ziarnowego piaskowców pierw-szej grupy, pochodz¹cych z otworów Kórnik-3, Œroda Wlkp.-4, Œroda Wlkp.-5 i Winna Góra-1 (ryc. 1), stwier-dzono nieznaczn¹ przewagê skaleni (3,0–10,3% obj.) nad okruchami litycznymi (1,3–10,6% obj.). W ich spoiwie zaobserwowano mniejsz¹ ni¿ w spoiwie piaskowców z drugiej grupy otworów zawartoœæ autigenicznych mine-ra³ów ilastych. We wszystkich otworach, z wyj¹tkiem otworu Kórnik-3, uzyskano przep³yw gazu. W spoiwie pia-skowców z otworu Kórnik-3 zawartoœæ autigenicznych minera³ów ilastych jest wiêksza ni¿ w pozosta³ych bada-nych piaskowcach.
W sk³adzie szkieletu ziarnowego piaskowców drugiej grupy, z otworów Mi³os³aw-3, P³awce-1, Siekierki-3 i Sie-Ryc. 4. Autigeniczny kwarc (Qa), dolomit (Do) i autigeniczny illit (strza³ki) w przestrzeni porowej piaskowca. Obraz w SEM. Mi³os³aw-3, g³êb. 3725,55 m
Fig. 4. Authigenic quartz (Qa), dolomite (Do) and authigenic illite (arrows) in pore space of sandstone. SEM image. Mi³os³aw-3, depth 3725.55 m
kierki-4 (ryc. 1), udzia³ okruchów litycznych (0,5–15,0% obj.) przewa¿a nad udzia³em skaleni (0,5–10,7% obj.).
Otwory wiertnicze, z których pochodz¹ próbki dwóch grup piaskowców, s¹ usytuowane w dwóch równoleg³ych pasach (ryc. 1).
Procesy diagenetyczne
Podczas pogrzebania osadów porowatoœæ piaskowców jest kszta³towana przede wszystkim przez kompakcjê mechaniczn¹ i chemiczn¹, cementacjê, rozpuszczanie i przeobra¿anie ziarn.
Jednym z g³ównych i najd³u¿ej dzia³aj¹cych procesów diagenetycznych jest kompakcja mechaniczna. Ma ona negatywny wp³yw na porowatoœæ pierwotn¹ osadu. Zmniejszenie objêtoœci piaskowców odbywa³o siê w wyni-ku reorientacji oraz deformacji plastycznych, kruchych i niestabilnych ziarn oraz ich rozpuszczania. Najwiêkszy stopieñ upakowania ziarn dostrze¿ono w piaskowcach drob-noziarnistych i lepiej wysortowanych. Kompakcja che-miczna, której efektem s¹ wklês³o-wypuk³e i zazêbiaj¹ce kontakty miêdzyziarnowe, odegra³a minimaln¹ rolê.
Procesy cementacyjne w piaskowcach czerwonego sp¹gowca, szczególnie powstawanie spoiw porowych, zacho-dzi³y kilkuetapowo i spowodowa³y szczelne wype³nienie wolnych przestrzeni miêdzyziarnowych. Najistotniejsza wydaje siê krystalizacja w przestrzeniach
miêdzyziarno-wych dolomitu i kalcytu (przeciêtna zawartoœæ minera³ów wêglanowych wynosi zwykle poni¿ej kilku procent, lecz w przystropowych czêœciach profili wzrasta ona do ponad 18%). Mniejsze znaczenie mia³a cementacja osadów anhy-drytem i kwarcem autigenicznym. Wraz z nasileniem tacji mala³y porowatoœæ i przepuszczalnoœæ. Siln¹ cemen-tacjê, szczególnie w strefach przystropowych, zwi¹zan¹ zapewne ze zstêpuj¹cymi roztworami cechsztyñskimi, stwierdzono w piaskowcach z otworów wiertniczych Kór-nik-3, Œroda Wlkp.-4, Œroda Wlkp.-5, Winna Góra-1 oraz P³awce-1. Szczególnie niekorzystny wp³yw na przepusz-czalnoœæ osadów mia³a krystalizacja w³óknistego illitu. Jednak wydaje siê, ¿e nie mia³a ona wyraŸnego wp³ywu na porowatoœæ opisywanych piaskowców.
Rozpuszczanie diagenetyczne jest efektem aktywnoœci roztworów porowych kr¹¿¹cych w osadzie. Œlady rozpusz-czania obserwowano wielokrotnie na powierzchniach ziarn detrytycznych, g³ównie skaleni i kwarcu, oraz w obrêbie kryszta³ów cementów wêglanowych, anhydryto-wych i kwarcoanhydryto-wych (ryc. 5). Relikty po rozpuszczonych ziarnach detrytycznych umo¿liwi³y wstêpne oszacowanie intensywnoœci procesu rozpuszczania diagenetycznego, w wyniku którego nast¹pi³ ubytek maksymalnie 4–5% objê-toœci ska³y. Rozpuszczanie powoduje tworzenie siê poro-watoœci wtórnej, wzrost œrednicy porów i rozwój kapilar.
W badanych piaskowcach obserwowano równie¿ nielicz-ne efekty diagenielicz-netycznielicz-nej transformacji ziarn, m.in. szkliwa Ryc. 5. Autigeniczny kwarc (Qa) ze œladami rozpuszczania (strza³ki) w przestrzeni porowej piaskowca. Obraz w SEM. Œroda Wielkopolska-4, g³êb. 3604,95 m
Fig. 5. Authigenic quartz (Qa) with traces of dissolution (arrows) in pore space of sandstone. SEM image. Œroda Wielkopolska-4, depth 3604.95 m
wulkanicznego, ³yszczyków, minera³ów maficznych oraz skaleni. Pod wp³ywem transformacji powsta³y nowe fazy mine-ralne, np. kaolinit i chloryt, z porowatoœ-ci¹ œródkrystaliczn¹, która przyczyni³a siê do wzrostu porowatoœci ca³kowitej; jednak krystalizacja autigenicznych mi-nera³ów ilastych niejednokrotnie znacz-nie ogranicza przepuszczalnoœæ osadów.
Wp³yw kompakcji i cementacji na porowatoœæ
W celu zobrazowania wp³ywu ce-mentacji i kompakcji na porowatoœæ w badanych eolicznych piaskowcach czer-wonego sp¹gowca wykonano diagramy Houseknechta (1987) i Lundegarda (1992), za pomoc¹ których mo¿na okreœliæ pro-centowo zmniejszenie porowatoœci pier-wotnej osadów.
Wed³ug diagramu Houseknechta w ograniczeniu porowatoœci pierwotnej piaskowców nale¿¹cych do pierwszej grupy (z otworów Kórnik-3, Œroda Wlkp.-4, Œroda Wlkp.-5 i Winna Gó-ra-1) nieznacznie wiêkszy udzia³ mia³a cementacja ni¿ kompakcja (ryc. 6).
Natomiast diagram Lundegarda przed-stawia odmienny obraz. Wed³ug tego diagramu w ograniczeniu porowatoœci pierwotnej piaskowców nale¿¹cych do pierwszej grupy znacznie wiêksz¹ rolê odegra³a kompakcja ni¿ cementacja
(ryc. 7) — ograniczenie porowatoœci pierwotnej przez kompakcjê mieœci siê w przedziale od oko³o 10 do prawie 37%, a przez cementacjê od 4 do oko³o 23% (ryc. 7).
Wiêksze zró¿nicowanie wyników obserwuje siê na obu wykresach dla piaskowców drugiej grupy (pochodz¹cych z otworów wiertniczych Mi³os³aw-3, P³awce-1, Siekierki-3 i Siekierki-4). Na diagramie Houseknechta (ryc. 6)
widocz-ny jest znacznie wiêkszy wp³yw cementacji na redukcjê porowatoœci. Natomiast diagram Lundegarda (ryc. 7) obra-zuje wiêkszy wp³yw kompakcji, podobnie jak w piaskow-cach pierwszej grupy. Strata porowatoœci pierwotnej piaskowców na skutek kompakcji wynosi 12–39%. Cemen-tacja w mniejszym stopniu zredukowa³a porowatoœæ pier-wotn¹ w badanych piaskowcach (od 4 do oko³o 29%).
Ró¿nice miêdzy dwoma diagramami (ryc. 6 i 7) wynikaj¹ z tego, i¿ Houseknecht (1987) oblicza³ utratê porowatoœci jako ró¿nicê miêdzy za³o¿on¹ porowatoœci¹ pierwotn¹, a porowatoœci¹ pomie-rzon¹ w próbce. Lundegard (1992) natomiast uwzglêdnia³ dodatkowo w swoich kalkulacjach inne parametry, miêdzy innymi redukcjê objêtoœci osadu w czasie kompakcji.
Kórnik-3 Œroda Wlkp-4 Œroda Wlkp-5 Winna Góra-1 Mi³os³aw-3 P³awce-1 Siekierki-3 Siekierki-4 druga grupa second group pier wsza grupa first group 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 50 100 0 50 100 cement (%) cement (%) pr zestr zeñ miê d zyziarnowa (% ) intergranular volume (%) porowatoœæ miêdzyziarnowa (%) intergranular porosity (%)
redukcja porowatoœci pierwotnej przez cementacjê (%) original porosity destroyed by cementation (%)
redukcja porowatoœci pier wotnej p rzez kompakcjê mechaniczn¹ (%) original porosity destroyed by mechanical compaction (%)
K
C
Ryc. 6. Diagram obrazuj¹cy wp³yw kompakcji i cementacji na porowatoœæ piaskowców (wg Houseknechta, 1987): C — pole o przewadze cementacji nad kompakcj¹; K — pole o przewadze kompakcji nad cementacj¹
Fig. 6. Diagram showing effects of compaction and cementation on porosity of sandstones (after Houseknecht, 1987): C — area with predominance of cementation over compaction; K — area with predominance of compaction over cementation
0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 Kórnik-3 Œroda Wlkp-4 Œroda Wlkp-5 Winna Góra-1 Mi³os³aw-3 P³awce-1 Siekierki-3 Siekierki-4 druga grupa second group pier wsza grupa first group re d u kcja porowatoœci pr zez kompakcjê (%) porosity destroyed by compaction(%)
redukcja porowatoœci przez cementacjê (%) porosity destroyed by cementation (%)
¬
Ryc. 7. Strata pierwotnej porowatoœci miêdzyziarnowej piaskowców eolicznych w wyniku cementacji i kompak-cji, przy za³o¿eniu, ¿e porowatoœæ pierwotna wynosi³a 45% (Lundegard, 1992): C — pole o przewadze cementa-cji nad kompakcj¹; K — pole o przewadze kompakcementa-cji nad cementacj¹
Fig. 7. The loss of original intergranular porosity of aeolian sandstones due to cementation and compaction for the case when original porosity was equal 45% (Lundegard, 1992): C — area with predominance of cementation over compaction; K — area with pre-dominance of compaction over cementation
Stosuj¹c komputerow¹ metodê analizy obrazu oszaco-wano, ¿e porowatoœæ badanych piaskowców waha siê od 5,79 do 24,15%, przy czym przeciêtnie wynosi oko³o 10%. Oceniaj¹c wielkoœci minimalne i maksymalne pomierzo-nych parametrów porów, takich jak na przyk³ad: d³ugoœæ, szerokoœæ, kolistoœæ, wyd³u¿enie i œrednica, mo¿na stwier-dziæ, i¿ piaskowce te charakteryzuj¹ siê nierównomiernie wykszta³con¹ przestrzeni¹ porow¹. Wielkoœci minimalne i maksymalne pomierzonych parametrów s¹ bardzo zró¿ni-cowane w obrêbie próbek. Na przyk³adzie wybranych wielkoœci dok³adnie scharakteryzowano opisywane para-metry, analizuj¹c ich rozk³ad w za³o¿onych przedzia³ach wielkoœci przestrzeni porowej. Ponad 90% pomierzonych parametrów, takich jak ekwiwalentna œrednica porów, ich obwód, szerokoœæ i d³ugoœæ, nie przekracza³a wielkoœci 0,01 mm i mieœci³a siê w przedziale 0,001–0,01 mm. Od tego szablonu odbiegaj¹ próbki piaskowców z Winnej Góry-1, których parametry nie przekraczaj¹ 0,001 mm. We wszystkich próbkach obserwujemy nieznaczny udzia³ pro-centowy porów o rozmiarach wiêkszych od 0,01 mm i one w³aœnie maj¹ g³ówny wp³yw na wielkoœæ ca³kowitej poro-watoœci. Kszta³t przestrzeni porowej w badanych piaskow-cach jest raczej izometryczny, z tym ¿e w piaskowpiaskow-cach z otworu Winna Góra-1 jest to przestrzeñ mikroporowa.
W piaskowcach eolicznych z p³ytszej czêœci basenu czerwonego sp¹gowca (le¿¹cych na monoklinie przedsu-deckiej — od otworu Kórnik-3 w kierunku SE) stwierdzo-no wzrost przepuszczalstwierdzo-noœci wraz ze wzrostem porowatoœci (Buniak i in., 2008). Przepuszczalnoœæ w piaskowcach z tego obszaru jest na ogó³ umiarkowana lub wysoka — prze-wa¿nie powy¿ej 1 mD (przy porowatoœci powy¿ej 10%). W pewnej grupie próbek ska³ przepuszczalnoœæ prze-kracza³a 10, a nawet 100 mD przy porowatoœci 10–25%.
Piaskowce z otworów zlokalizowanych na skraju mono-kliny przedsudeckiej oraz w synklinorium mogileñsko--³ódzkim charakteryzuj¹ siê mniejsz¹ porowatoœci¹ oraz przepuszczalnoœci¹ nie przekraczaj¹c¹ na ogó³ 10 mD — przewa¿nie wynosi ona od 0,001 do ok. 7–8 mD. Znaczna grupa próbek ska³ z tego obszar mia³a porowatoœæ mniejsz¹ od 8%, a przepuszczalnoœæ mniejsz¹ od 0,001 mD. Powo-dem obni¿enia przepuszczalnoœci w tych piaskowcach jest obecnoœæ autigenicznych minera³ów ilastych, w tym przede wszystkim illitu w³óknistego, który czêsto tworzy pomosty pomiêdzy ziarnami detrytycznymi i drastycznie redukuje przepuszczalnoœæ. W piaskowcach z najg³êbszej czêœci analizowanej strefy zawartoœæ illitu przekracza kil-ka procent, a w wielu próbach dochodzi do 10% obj. skil-ka³y.
Podsumowanie i wnioski
Podstawow¹ cech¹ ska³ zawieraj¹cych gaz zamkniêty s¹ bardzo s³abe w³aœciwoœci zbiornikowe w porównaniu ze ska³ami, w których istniej¹ konwencjonalne z³o¿a gazu. W analizowanej strefie basenu czerwonego sp¹gowca mamy do czynienia z piaskowcami eolicznymi, których pierwot-na porowatoœæ dochodzi³a zapewne do 40%, a przepusz-czalnoœæ osi¹ga³a setki i tysi¹ce mD. Obecnie porowatoœæ tych ska³ wynosi od kilku do kilkunastu procent, a prze-puszczalnoœæ przewa¿nie oko³o10 mD, czasami nieco ponad 100 mD.
z³ó¿ gazu zamkniêtego, wystêpuj¹ w basenie centralnym czerwonego sp¹gowca w obszarze na po³udniowy wschód od Poznania (jest to pó³nocno-wschodnia czêœæ Ergu Wschod-niego). Strop utworów górnego czerwonego sp¹gowca znaj-duje siê tu na g³êbokoœci od 3,5 do 5 km.
W analizowanych otworach, w stropowych czêœciach profili czerwonego sp¹gowca (o mi¹¿szoœci 100–200 m) zaznacza siê wyraŸna dominacja piaskowców eolicznych wydmowych. G³ówne procesy diagenetyczne, jakimi s¹ kompakcja i cementacja, niekorzystnie oddzia³ywa³y na pierwotn¹ porowatoœæ tych piaskowców. Redukcja ich poro-watoœci i przepuszczalnoœci wzrasta w kierunku centrum basenu górnego czerwonego sp¹gowca. W ci¹gu struktur piaskowców od Siekierek i P³awiec przez strukturê Mi³os³aw i Komorze (ryc. 1) nastêpuje znacz¹ce zmniejszenie poro-watoœci i drastyczna redukcja przepuszczalnoœci piaskow-ców eolicznych. Na g³êbokoœci poni¿ej 4 km w³aœciwoœci zbiornikowe piaskowców czerwonego sp¹gowca górnego s¹ wystarczaj¹ce do tego, aby je uznaæ za perspektywiczne. Tego typu pu³apki z³o¿owe nale¿y prawdopodobnie zali-czyæ do niekonwencjonalnych z³ó¿ typu tight gas (Popra-wa & Kiersnowski, 2008).
Kluczow¹ kwesti¹ pozostaje upewnienie siê, czy powsta-nie pu³apek strukturalnych w g³êbszych czêœciach basenu czerwonego sp¹gowca odbywa³o siê w podobnym czasie co powstanie pu³apek w strefach z rozpoznanymi z³o¿ami gazu. Istotne jest, czy pu³apki te zosta³y wype³nione gazem przed procesem redukcji przepuszczalnoœci (zamkniêcia) i jaka jest relacja miêdzy czasem akumulacji gazu, a tempem i czasem pogr¹¿ania osadów czerwonego sp¹gowca.
Literatura
BUNIAK A., KIERSNOWSKI H. & KUBERSKA M. 2008 — Per-spektywy poszukiwañ z³ó¿ gazu ziemnego w piaskowcach czerwonego sp¹gowca o s³abych w³aœciwoœciach zbiornikowych w strefie Poznañ– Konin–Kalisz. Mat. Konf. IV Krajowy Zjazd Bran¿y Górnictwa Nafto-wego, 11–13.09.2008, £agów: 125–138.
HOUSEKNECHT D.W. 1987 — Assessing the relative importance of compaction processes and cementation reduction of porosity in sand-stones. AAPG Bull., 71: 633–642.
KIERSNOWSKI H. 1998 — Architektura depozycyjna basenu czerwo-nego sp¹gowca w Polsce. [W:] Analiza basenów sedymentacyjnych Ni¿u Polskiego. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 165: 113–128.
KUBERSKA M. 2004 — Diageneza osadów czerwonego sp¹gowca w strefie Szczecinek–Bydgoszcz (Pomorze Zachodnie). Biul. Pañstw. Inst. Geol., 411: 87–168.
KUBERSKA M., MALISZEWSKA A. & GROTEK I. 2008 — Diagene-za a rozwój przestrzeni porowej w piaskowcach górnego czerwonego sp¹gowca Pomorza Zachodniego. Biul. Pañstw. Inst. Geol., 430: 43–64. LUNDEGARD P.D. 1992 — Sandstone porosity loss — A “big pictu-re” view of the importance of compaction. J. Sedimentary Petrology, 62: 250–260.
MALISZEWSKA A. 1997 — Wiek K-Ar w³óknistego illitu z piaskow-ców czerwonego sp¹gowca Wielkopolski. [W:] Datowanie minera³ów i ska³. IV Ogólnopolska Sesja Naukowa, Lublin: 50–55.
PETTIJOHN F.J., POTTER P.E. & SIEVER R. 1972 — Sand and sand-stones. Springer.
POPRAWA W. & KIERSNOWSKI H. 2008 — Perspektywy poszuki-wañ z³ó¿ gazu ziemnego w ska³ach ilastych (shale gas) oraz gazu ziemnego zamkniêtego (tight gas) w Polsce. Biul. Pañstw. Inst. Geol., 429: 145–152.
ZWINGMANN H., CLAUER N. & GAUPP R. 1998 — Timing of flu-id in a sandstone reservoir of the north German Rotliegend (Permian) by K-Ar dating of related hydrothermal illite. [W:] Dating and duration of fluid flow and fluid rock interaction. Geol. Soc. London Spec. Publ., 144: 91–106.
Praca wp³ynê³a do redakcji 05.02.2009 r. Po recenzji akceptowano do druku 26.02.2009 r.
