Пластовое давление в водоносных горизонтах

ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ КАК ФИЗИЧЕСКОГО ТЕДА

Свободная вода, когда она не связана никакими силами с гор­ными породами, ведет себя как самостоятельное физическое тело, подчиняясь только законам гравитационного, теплового, геофизи­ческого полей. Главным в этом случае выступает гравитационное поле, под действием сил которого вода стремится занимать наиболее низкое положение на Земле или в ее недрах. Если бы вся вода когда-либо смогла занять наиболее низкое положение на Земле, ее движение как физического тела полностью прекратилось. Но этого не происходит благодаря развитой на Земле системе кругооборотов.

В тепловом поле Земли вода меняет свое фазовое состояние и соответственно законы движения. Пар движется преимущественно от участков большего давления и температуры к участкам меньшего их значения [21]. Ле д может перемещаться как обычное твердое тело, но применительно к зоне криогенеза движется сложным спо­собом, постоянно меняя фазовые состояния даже при отрицатель­ных температурах [19].

Движение жидкой воды, которое мы рассмотрим более подроб­но, происходит в результате передачи гидростатического давления от участков более высокого напора к участкам его более низких значений. Поэтому прежде чем переходить к рассмотрению вопроса о движении жидкой воды необходимо разобраться с характером пластовых давлений, формирующихся в водоносном горизонте.

Свободная вода в водоносном пласте, если она его заполнила после образования самой породы, т.е. в процессе климатического круговорота, располагается между частицами отдельных минералов и поэтому непосредственно не подвержена давлению горной породы, а находится под влиянием только гидростатического давления, т.е. веса вышележащего столба воды. Гидростатическое давление Р_Т определяется по формуле

(4.1)

где р_в — плотность воды; Н — глубина залегания измеряемой точ­ки от уровня первого от поверхности земли водоносного горизонта. В этом случае Р_т измеряется в кг/см² или атмосферах, поскольку давление 1 кг/см² примерно соответствует 1 атм, или 10⁴ Па.

Накопленные к настоящему времени опытные данные действи­тельно подтверждают, что в водоносных горизонтах верхней гид­родинамической зоны пластовые давления совпадают с расчетными, т.е. равны гидростатическим. Иначе и не должно быть, так как в природе нет сил, которые заставили бы воду мигрировать в зону давлений, превышающих ее собственную массу.

В течение долгого времени к гидродинамике земной коры и подходили с позиций существования в подземных водах только гидростатических давлений. Классические работы Б.Л. Личкова, Ф.А. Макаренко, Н.К. Игнатовича, З.А.Макеева, Г.Н. Каменского и многих других, в которых обосновывается выделение двух или трех гидродинамических зон — активного, затрудненного и застой­ного водного режимов — базировались на учете соотношения областей питания и разгрузки, влияния рельефа, местного и регионального базисов эрозии, имея в виду гидростатическую природу напоров.

Углубление скважин в нефтегазоносных районах и более точные замеры пластовых давлений, т.е, давлений, наблюдаемых в реаль­ном пласте, показали, что начиная с глубины первых километров пластовые давления в водоносных горизонтах становятся выше расчетных гидростатических в 1,3-1,6 раза. Такие давления стали называть аномально высокими. В ряде случаев аномальное давление достигает значений геостатического или литостатического (Р_л), создаваемого весом вышележащих пород. Последнее соответственно определяется по формуле

(4.2)

где р_п — плотность породы; Н — глубина залегания горных пород.

Так как плотность осадочных горных пород в среднем составляет 2,3 г/см³, а плотность даже соленой воды не превышает 1,4 г/см³, геостатическое давление на одних и тех же глубинах больше гидростатического в 2,0-2,5 раза.

Аномально высокие пластовые давления установлены при буре­нии глубоких нефтяных скважин в районах с большой мощностью сравнительно молодых (кайнозойских и мезозойских) неметаморфи-зованных осадочных отложений, располагающихся вдоль альпийс­ких геосинклиналей, характеризующихся активной тектонической жизнью, наличием грязевого вулканизма и других тектонических явлений. В отдельных случаях, например в районах Предкавказья [8], на Туранской плите и других бассейнах [5] аномальные давле­ния установлены на глубинах от 0,5 км.

Причины указанных высоких давлений вызвали споры среди исследователей. Поэтому существует несколько точек зрения, объяс­няющих природу этих аномалий [10]. Одной из наиболее распрос­траненных гипотез, объясняющих указанное явление, является литификационная гипотеза. Сущность этой гипотезы, наиболее полно развитой Ю.В. Мухиным, А.Е. Ходьковым, Г.Ю. Валукони-сом, И.Г. Кисейным, Ю.А. Ежовым, Ю.П. Вдовиным и др., зак­лючается в том, что уплотнение глинистых осадков, происходящее под влиянием массы вышележащих пород, а также в процессе их диагенеза и катагенеза, обусловливающих отжатие седиментацион-ной свободной, полусвязанной и связанной воды, приводит к со­зданию избыточного давления, которое благодаря плохой проница­емости глинистых и эвапоритовых осадков, сохраняется в течение геологически длительного времени. Основным возражением против этой гипотезы является то обстоятельство, что наиболее интенсив­ное уплотнение глинистых осадков происходит на глубинах несколь­ких сот метров от дневной поверхности, тогда как аномальные пластовые давления наблюдаются обычно на больших глубинах, достигающих 5-7 км. Однако это возражение не правомочно и легко снимается, если учесть, что на больших глубинах отжимается не свободная, а связанная вода в условиях резко уменьшающейся проницаемости и гидравлической изолированности горных пород Связанная вода относительно свободной для своего выделения требует больших давлений, а высокая гидравлическая изолирован­ность пород способствует сохранению этих давлений в течение довольно длительного даже геологически времени.

Другие предложенные гипотезы для объяснения аномально высокого пластового давления привлекают такие природные явле­ния, как восходящая миграция флюидов через глинистые, эвапори-товые и другие толщи под воздействием сжимающих неотектоничес­ких сил (К.А. Аникиев), выжимание растворов из горных пород под воздействием геостатических и тектонических сил, в результате которых происходит растворение зерен скелета минералов или це­ментация пор выпадающими из раствора минералами (И.Г. Киссин), поступление в чехол осадочных пород глубинных флюидов, выде­ляющихся в процессе дифференциации и дегазации вещества мантии Земли (П.Н. Кропоткин, Б.М. Валяев), создание гидродинамичес­ких напоров в областях с высокими гипсометрическими отметками (М.Ф. Мирчинк, Б.С. Воробьев) и др. Все эти гипотезы, однако, вызывают различные возражения и не пользуются признанием.

Литификационная гипотеза учитывает, что вода в недра земли попадает в результате геологического круговорота и вытесняется из горных пород все более усиливающимся с глубиной литостатичес-ким давлением. Поэтому она наиболее полно укладывается в схему геологического движения воды на значительных глубинах и явля­ется, на наш взгляд, бесспорной.

Лучшим доказательством реальности литификационной гипотезы является тот факт, что аномальновысакие пластовые давления обычно связаны с молодыми мезо-кайнозойскими образованиями, содержа­щими большое количество глин, затрудняющих свободное перемеще­ние воды не только по вертикали, но и по горизонтали. Совершенно естественно, что после того, когда ранее увеличивающаяся литос-татическая нагрузка стабилизируется, в течение некоторого времени аномальное давление будет сохраняться, но абсолютное его значение должно уменьшаться в силу неполной изолированности реальных природных обстановок.

Находящиеся под высоким пластовым давлением жидкость или газ будут стремиться освободиться от избыточного давления. И это их стремление может быть реализовано в течение определенного геологического времени. Дело в том, что аномальные давления наблюдаются в породах, которые не полностью уплотнены и кон­солидированы. А если это так, то с течением времени уплотнение пород будет возрастать, что в условиях отсутствия внешней нагруз­ки должно приводить к увеличению их пористости, а значит и снятию определенной части литостатического давления. Так, в ус­ловиях значительных глубин при определенном сочетании геологи­ческих факторов могут возникнуть горные породы повышенной пористости, и это подтверждается данными глубокого бурения, включая сверхглубокую Кольскую скважину [11].

Нельзя не учитывать и возможность того, что с течением време­ни вода может покинуть систему с аномально пластовым давлением. Ведь высокое давление обеспечивает мгновенное заполнение каждой вновь возникающей даже малейшей трещинки, пустоты, каверны. Поэтому постепенно по мере консолидации и уплотнения пород и связанного с этим образования трещин должно наблюдаться как бы растекание воды от мест с большим давлением к местам с меньшим их значением, что будет приводить к выравниванию, а значит и уменьшению давления (с учетом частичной миграции воды из систе­мы аномального давления). Как показывают фактические данные по замерам реальных пластовых давлений, последние на той или иной глубине начинают приближаться к литостатическим. Все это позволяет в разрезе земной коры выделить три гидродинамичес­кие зоны, различающиеся характером пластовых давлений.

1. Зону гидростатических пластовых давлений, распространяю­щуюся до глубины 2-3 км, с преобладанием нисходящего и гори­зонтального движения подземных вод инфильтрационного генезиса. 2. Зону переходных между гидростатическим и литостатичес­ким пластовых давлений, нижняя граница которой может достигать 7 км. В пределах этой зоны распространены в основном седиментационные воды. 3. Зону литостатических давлений, в пре­делах которой содержатся в основном физически связанные воды и редко свободные. Во второй и третьей зонах преобладают вос­ходящие потоки подземных вод.

По имеющимся данным нижняя граница переходных давлений зависит от возраста и характера геологических структур и колеб­лется в следующих пределах: в областях альпийской складчатости 2-3 км, в областях герцинской складчатости 3-4 км и в областях байкальской и рифейской складчатости составляет около 7 км, т.е. в течение геологического развития земной коры зона переходных пластовых давлений закономерно погружается, а мощность верхней зоны — возрастает.

Возможно ли наличие пластовых давлений в водоносных гори­зонтах, превышающих значение литостатических давлений? На этот вопрос следует ответить положительно. Такое возможно в областях, где горные породы испытывают дополнительное давление за счет, например, внедрения магмы, давление которой превышает литоста-тическое, или, например, в зоне погружения литосферных плит одна под другую (зона Беньофа —Заварицкого), в областях вулканичес­кой деятельности и т.д.

Дата добавления: 2015-05-10