Условия залегания подземных вод

ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

По степени подвижности и характеру связи воды с горными породами выделяют несколько ее видов: свободную (или гравитационную), физически связанную, капиллярную, химически связанную, в твердом состоянии и в состоянии пара.

1. Свободная (гравитационная) вода находится в капельно-жидком состоянии. Движение ее происходит под влиянием силы тяжести и напорного градиента, в меньшей степени - капиллярных сил.

2. Физически связанная вода - связанная на поверхности минералов, содержится главным образом в глинистых породах. Она удерживается в породе поверхностными силами, действующими на границе твердой и жидкой фаз и по своей природе являющимися электрическими. физически связанная вода делится на прочно- и рыхлосвязанную.

3. Капиллярная вода образуется после полного насыщения пород физически связанной водой. Выделяют капиллярно-стыковую, капиллярно-подвешенную и капиллярно-поднятую воду. Капиллярно-поднятая вода образуется над свободным уровнем подземных вод в виде капиллярной зоны. Капиллярные зоны имеются и на контакте залежей УВ с подземными водами.

4. Химически связанную воду В.И.Вернадский подразделил на конституционную, кристаллизационную и цеолитную. Конституционная вода входит в состав минералов (например, Al₂(OH)₂×SiO₂ - топаз) и выделяется из них при разрушении кристаллической решетки при высокой (несколько сот градусов) температуре. Кристаллизационная вода не образует с минералом химического соединения, а участвует в строении решетки минерала в виде нейтральной молекулы (например, CaSO₄×2H₂O - гипс). Кристаллизационная вода удаляется из минерала при температуре более 100⁰ С с перестройкой кристаллической решетки минералов и образованием безводных соединений (например, CaSO₄ - ангидрит). Цеолитная вода еще менее прочно связана с минералами и выделяется при низкой температуре. Общая формула цеолитов (Na₂Ca) OAl₂O₃×nSiO₂×mH₂O.

5. Вода в твердом состоянии (лед) в виде кристаллов, прослоев и линз различной мощности обычно встречается в зоне многолетнемерзлых пород.

6. Вода в состоянии пара широко распространена в зоне аэрации, в пределах водоносных горизонтов со свободным зеркалом, в залежах УВ, на больших глубинах в высокотемпературных зонах.

По условиям залегания среди свободных (гравитационных) вод различают почвенные воды и верховодки, воды грунтовые, пластовые, безнапорные, пластовые напорные, трещинно-поровые, трещинные, трещинно-каверновые и трещинно-жильные.

Верховодки в виде небольших линз залегают в зоне аэрации.

Грунтовые воды располагаются над первым от поверхности водоупором в относительно рыхлых пористых породах, имеют свободную водную поверхность, обычно меняющуюся по временам года. Грунтовые воды пополняются главным образом за счет атмосферных осадков.

Пластовые безнапорные воды встречаются в пористых горизонтах, ограниченных сверху и снизу водоупорами, при условии неполного заполнения водой коллектора.

Пластовые напорные воды заполняют пластовые пористые, главным образом песчаные и алевритовые коллекторы, изолированные в кровле и подошве водоупорными толщами. В случае, если поровые коллекторы дополнительно разбиты сетью трещин, содержащиеся в них воды называют трещинно-поровыми (или трещинно-порово-пластовыми).

Трещинные воды располагаются в трещинах плотных пород, таких как плотные песчаники, кварциты, известняки и доломиты, мергели, метаморфические породы и граниты, глинистые сланцы и аргиллиты. Вода заполняет в них трещины тектонического происхождения разного размера и трещины выветривания. В тех случаях, когда в трещиноватых породах имеются каверны, развитые обычно в известковистых породах, содержащиеся в таких смешанных коллекторах воды называют трещинно-каверновыми или трещинно-карстовыми при большом размере каверн.

Изредка встречаются трещинно-жильные воды, заполняющие крупные зияющие трещины и карстовые каналы, часто приуроченные к системам тектонических сбросов и других нарушений.

Водоносные породы объединяются в водоносные горизонты, водоносные комплексы и гидрогеологические этажи.

Водоносный горизонт представляет собой выдержанную по площади и разрезу насыщенную гравитационной водой толщу горных пород с близкими гидродинамическими и гидрохимическими условиями, ограниченную в подошве и кровле водоупорными породами.

Водоносный комплекс включает обычно несколько водоносных горизонтов, гидродинамически связанных друг с другом (на участках ослабленных водоупоров) и имеющих близкие химический состав и минерализацию. Различные водоносные комплексы разделены между собой достаточно мощными и протяженными водоупорными горизонтами (толщами). Однако на отдельных участках водоупоры между водоносными комплексами могут литологически изменяться и образуются гидродинамические “окна перетока” или “окна разгрузки” подземных вод вплоть до земной поверхности.

В большинстве гидрогеологических бассейнов выделяют гидрогеологические этажи, которые объединяют несколько водоносных комплексов. Гидрогеологические этажи, как правило, разделены между собой мощными регионально выдержанными водоупорами, обычно сложенными эвапоритовыми породами или толщами пластичных глинистых образований. Гидрохимические и другие характеристики гидрогеологических этажей существенно различаются.

В нефтегазопромысловой гидрогеологии по отношению к залежи УВ выделяют нижние краевые (контурные), подошвенные, промежуточные, верхние краевые, верхние и нижние воды (рис. 1).

В самих залежах УВ также содержатся подземные воды. Это остаточные, конденсационные воды.

Остаточные воды находятся в порах и трещинах пласта, заполненного нефтью, конденсатом или газом. Иногда в состав остаточной воды включают также связанную (сорбированную) воду и свободную воду, удерживаемую в тонких капиллярах.

Паровая фаза воды наблюдается в газе газовых залежей. Переходя при изменении температуры и давления из газовой фазы в жидкую, она формирует конденсационные воды, накапливающиеся в виде узкой оторочки. Вода, растворенная в нефти, выделяясь при изменении физико-химических условий в свободную фазу, формирует так называемые солюционные воды.

Попутной водой называют воду любого происхождения, добываемую скважиной из продуктивного пласта с нефтью и газом.

В гидрогеологической практике часто используют названия законтурные воды (водоносная часть горизонта за контуром продуктивности) в внутриконтурные воды (то же, что и подошвенные).

ФОРМИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подземные воды по условиям образования разделяются на эндогенные и экзогенные (рис. 2).

Эндогенные воды образуются в результате возникновения молекул воды в горных породах и магматических очагах при химических реакциях и подразделяются на литогенные - образовавшиеся в процессе литогенеза осадочных пород на стадии катагенеза и гипогенные - воды из магмы и мантии.

Экзогенные воды попадают в осадочные породы либо в процессе седиментации, либо извне, когда водоносные породы уже сформировались. Поэтому экзогенные воды подразделяются на две большие группы: седиментогенные и инфильтрогенные. Седиментогенные воды, сформировавшиеся в процессе осадконакопления в морских бассейнах, получили название талассогенных. Инфильтрогенные воды разделяются на три группы: инфильтрационные тропосферные (метеогенные), образующиеся непосредственно за счет атмосферных осадков, инфильтрационные из водоемов и инфильтрационные техногенные.

Особое место занимают возрожденные воды, выделяющиеся при дегидратации минералов. Их можно отнести как к эндогенным, так и к экзогенным водам - в подавляющей части они выделяются из минералов осадочного происхождения.

В водонапорных системах нефтегазоносных бассейнов содержатся экзогенные и эндогенные воды. Седиментогенные воды преобладают во внутренних частях бассейнов, инфильтрогенные - в окраинных районах.

Формирование солевого и газового состава подземных вод происходит в процессе взаимодействия вод с окружающей средой - атмосферой, породами в результате химических реакций между минералами пород и водорастворенными веществами. Поэтому геохимический облик подземных вод первоначально обусловлен их генезисом.

Воды бассейна осадконакопления определяют первоначальные химический состав и соленость седиментационных вод. Однако уже вскоре после перекрытия свежего осадка новыми отложениями химический состав вод постепенно может меняться под воздействием ряда факторов. Среди них можно назвать жизнедеятельность бактерий в новой анаэробной среде, процессы эффузии и диффузии вещества, повышение температуры и преобразование ОВ, ионный обмен между водой и породой, выщелачивание солей и др.

Подземные воды характеризуются сложными условиями формирования газового состава. Спектр газов в подземных водах исключительно широк: углеводородные газа, диоксид углерода, сероводород, азот, кислород, аргон, гелий и другие газы. Условия их образования очень разнообразны: химические реакции, воздействие на горную породу высоких температуры и давления, радиоактивный распад, биохимическое превращение вещества и т.д. Большинство углеводородных газов подземных вод образовалось в результате деструкции захороненного ОВ пород.

В подземных водах пластовых водонапорных систем существуют три источника газов: газы, захваченные из воздуха; газы, генерируемые в осадочных породах (в результате деструкции ОВ пород, процессов литогенеза, радиоактивного распада и т.д.); газы, поступающие в осадочную оболочку из нижних этажей земной коры и мантии.

Первичное обогащение подземных вод газами протекает при контакте с атмосферой. Объемы захваченных воздушных газов (азота, кислорода, аргона, углекислого газа, гелия) определяются температурой и минерализацией седиментогенных и инфильтрогенных вод.

Кислород в пластовые воды попадает преимущественно из воздуха (до 10,3 см³/л), но вследствие химической активности довольно быстро связывается. Поэтому в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов он обычно отсутствует, встречаясь лишь в зонах активного водообмена.

Гелий из воздуха в подземные воды попадает в ничтожном количестве - максимально 47×10^-6 см³/л (температура 0⁰ С, воды инфильтрации), в талассогенных водах его содержание 43×10^-6 см³/л.

Предельная концентрация атмосферного аргона в пластовых водах составляет 0,33-0,43 см³/л (без учета вод лагун).

Азот из воздуха захватывается подземными водами в количестве от 3 до 18,3 см³/л. Фактически его содержание в водах нефтегазоносных бассейнов значительно выше: от 10 до 400 см³/л, реже до
1200 см³/л. Один из источников азота - ОВ пород, в котором при высоком содержании протеина количество азота может достигать 10%. Другим источником является азот, выделившийся в процессе метаморфизма осадочных пород. Содержание азота в осадочных породах (170-1200 г/т) почти на порядок выше, чем в изверженных (5-50 г/т) и метаморфических (18-390 г/т).

Максимальное количество диоксида углерода, которое может быть поглощено водой из воздуха составляет 0,814 см³/л. Пресными инфильтрационными водами при 10⁰ С и морской водой нормальной солености при 5⁰ С захватывается примерно 0,36-0,37 см³/л углекислоты, которая в таком количестве быстро вступает в реакции и удаляется из пластовых вод.

Сероводород преимущественно вулканического происхождения широко распространен в природе, в частности во многих районах развития минеральных вод, в которых он наряду с углекислотой является основным компонентом. В нефтегазовых бассейнах в зоне гипергенеза сероводород образуется при взаимодействии сульфатов с ОВ при участии сульфатвосстанавливающих бактерий. В погруженных частях бассейнов, где температура поднимается выше 70⁰ С, генерация сероводорода происходит путем химического восстановления сульфатов.

Водород в земной коре образуется несколькими путями: при разложении воды под действием радиоактивных элементов, реакции воды с оксидами металлов, разложении воды при высокой температуре на контакте с горными породами, при биохимических процессах.

Несмотря на множество процессов генерации водорода, в пластовых водах он встречается редко и обычно в небольшом количестве, что обусловлено высокой химической активностью молекулярного водорода.

Углеводородные газы - наиболее распространенный компонент в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов. Их основным источником в осадочных толщах является рассеянное и концентрированное ОВ. Интенсивность генерации углеводородных газов и их компонентный состав зависят от стадий литогенеза.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ПО СОЛЕВОМУ И ГАЗОВОМУ СОСТАВУ

По степени минерализации (г/л) принято различать воды пресные (до 1), солоноватые (1-10), соленые (10-50), рассолы (50). М.С.Гуревич и Н.И.Толстихин выделяют рассолы (г/л): слабые (50-100), крепкие (100-270), очень крепкие (270-350) и сверхкрепкие (> 350).

В нефтяной гидрогеологии широко пользуются генетической классификацией В.А.Сулина, позволяющей различать воды не только по химическому составу, но и по условиям генезиса. По классификации В.А.Сулина все воды по соотношению между миллиграм-эквивалентами ионов делятся на четыре генетических типа: хлоридно-кальциевый, хлоридно-магниевый, гидрокарбонатно-натриевый и сульфатно-натриевый (табл. 1). Внутри типов вод по преобладающему аниону выделяются группы вод: гидрокарбонатная, сульфатная и хлоридная, внутри групп по преобладающему катиону выделяются подгруппы: натриевая, магниевая, кальциевая.

Таблица 1

Классификация вод по В.А.Сулину

Тип вод	Диагностические коэффициенты	Характерная обстановка формирования вод
Сульфатно-натриевый	;	Воды земной поверхности и зоны свободного водообмена
Гидрокарбонатно-натриевый	;	Воды земной поверхности, зон свободного и затрудненного водообмена
Хлоридно-магниевый	;	Воды морей и океанов и зоны затрудненного водообмена
Хлоридно-кальциевый	;	Воды зон отсутствия или затрудненного водообмена, особенно при высокой их минерализации

Существуют многочисленные классификации природных газов - по их генезису, химическому составу, формам нахождения и т.д. В растворенных газах пластовых вод преобладают три компонента: углеводороды, азот и углекислота (иногда совместно с сероводородом). Другие компоненты содержатся в крайне незначительном количестве. По составу растворенных газов выделяют четыре класса (класс газов определяет компонент, содержание которого равно или более 50%): углеводородный (метановый), азотный, углекислый и смешанный.

ЗОНАЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Зона свободного водообмена занимает верхние части разреза до глубин около 500 м (она аэрации, грунтовые воды, межпластовые безнапорные и пластовые напорные). В пределах зоны происходит интенсивное движение вод со скоростью от десятков сантиметров до метров в год и более, температура не превышает 20⁰ С. Природа энергетического потенциала гидростатическая. Воды обычно пресные или слабой минерализации, инфильтрационного происхождения, различных генетических типов по В.А.Сулину. В районах развития галогенных отложений минерализация вод может быть повышенной. В подземных водах этой зоны развиты преимущественно атмосферные газы (азот, кислород, диоксид углерода). Геохимическая обстановка в зоне окислительная. На формирование геохимической характеристики вод большое влияние оказывают климатические и другие физико-географические условия.

Зона затрудненного водообмена - промежуточная между зоной свободного водообмена и застойного режима - залегает на глубинах 500-1500 м. Воды пластовые, напорные. В пределах зоны воды движутся от областей инфильтрации к погруженным частям бассейна со скоростью от единиц до десятков сантиметров в год. Природа энергетического потенциала - гидростатическая. В пополнении ресурсов подземных вод зоны наряду с водами инфильтрационного генезиса определенную роль играют и седиментационные (воды захвата). Температура здесь обычно изменяется в диапазоне 20-40⁰ С. Воды хлоридно-кальциевые, иногда хлоридно-магниевые и гидрокарбонатно-натриевые с минерализацией 5-10 г/л. В водах растворены обычно газы смешанного (азотно-углеводородного и углеводородно-азотного) состава. В этой зоне окислительная обстановка сменяется переходной (окислительно-восстановительной). В формировании геохимической обстановки подземных вод этой зоны поверхностные факторы заметной роли не играют.

Зона застойного режима занимает нижние части осадочного чехла и залегает на глубинах 1500-4000 м. Напоры подземных вод в пределах зоны в значительной степени определяется геостатическим давлением (эксфильтрационные водонапорные системы). Движение подземных вод очень замедленное, скорость - от единиц до нескольких десятков миллиметров в год. В нижних частях зоны застойного режима скорость подземных вод нередко сопоставима со скоростью тектонических движений водоносных комплексов. В таких условиях направление подземных вод может неоднократно меняться в течение периода развития бассейна. Температуры вод здесь 40-100⁰ С. Воды обычно высокоминерализированные (десятки - первые сотни граммов на литр, хлоридно-кальциевого типа, главным образом седиментационного генезиса. В верхней части зоны преобладают воды захвата, с глубиной возрастает роль вод отжатия, возрожденных и литогенных вод. Последнее приводит к гидрогеологической инверсии, выражающейся в формировании глубинных вод пониженной минерализации. Газы, растворенные в водах, преимущественно углеводородного состава, в них наряду с метаном отмечается повышенное содержание его гомологов. В нижних частях этой зоны заметную роль в составе водорастворенных газов начинает играть диоксид углерода. Геохимическая обстановка в пределах зоны повсеместно восстановительная.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ

НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ БАССЕЙНОВ

В нефтяной геологии в качестве основных единиц нефтегеологического районирования приняты нефтегазоносный бассейн (И.О.Брод, И.В.Высоцкий, В.Б.Оленин, В.Е.Хаин и др.) и нефтегазоносные провинция, область (А.А.Бакиров, Г.К.Дикенштейн, С.П.Максимов и др.). При выделении нефтегазоносных бассейнов основными являются условия генерации УВ, а при выделении провинций и областей - единство условий нефтегазонакопления.

При всем многообразии геологических форм нахождения подземных вод в литосфере гидрогеологические бассейны по условиям залегания (морфологии скопления вод) в принципе можно разделить на два основных типа: бассейны пластовых вод и гидрогеологические массивы трещинных и жильно-трещинных вод (рис. 8,9).

Бассейны трещинных и жильно-трещинных вод располагаются в пределах кристаллических щитов и горно-складчатых областей. Трещинная водоносность наблюдается и в кристаллическом фундаменте бассейнов пластовых вод, особенно в древней коре выветривания фундамента. В покровных отложениях щитов нередко развиты порово-пластовые воды. Залежи нефти и газа ассоциируются с бассейнами пластовых вод, поэтому на характеристике последних остановимся более подробно. Правда, встречаются залежи УВ и в фундаменте таких бассейнов, в его верхней трещиноватой части, однако генетически они едины с пластовыми залежами.

Под бассейном пластовых вод понимается скопление вод, приуроченное преимущественно к осадочным породам, заполняющим отрицательные тектонические элементы земной коры (синеклизы, впадины, прогибы). Бассейн пластовых вод состоит из проницаемых водоносных пластов, объединяемых в горизонты, комплексы и этажи с напорными водами, разделенных водоупорами. В верхней части разреза бассейн пластовых вод венчается суббасейном безнапорных грунтовых вод. Ложем бассейна служат породы фундамента. Трещинные подземные воды, приуроченные к верхней трещиноватой части фундамента, по генетической природе близки к контрактирующим с ними пластовым водам.

В нефтегазовой гидрогеологии широко используется термин “природная система” (В.Н.Щелкачев, Г.В.Пыхачев, А.А.Карцев, В.Н.Корценштейн и др.). При всех терминологических различиях под природной водонапорной системой подразумевается водоносный пласт или совокупность водоносных (гидрогеоло-гических) горизонтов или комплексов, содержащих напорные воды и приуроченных к определенным геологическим структурам.

Можно выделить две принципиально различные гидродинамические (геогидродинамические) системы: безнапорных (грунтовых) и напорных (преимущественно пластовых) вод (см. рис. 8). По природе энергетического потенциала геогидродинамические системы напорных вод подразделяются на инфильтрационные и эксфильтрационные.

В инфильтрационных водонапорных системах напор создается за счет инфильтрации атмосферных и поверхностных вод. Природа энергетического потенциала гидростатическая, и соответственно системы этого типа также называются гидростатическими. Для таких систем пластовое давление p определяется формулой p=Hgg, где H - пьезометрический напор; g - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.

В эксфильтрационных водонапорных системах напор в водоносных пластах создается за счет фильтрационного удаления жидкости из одних пластов (или их частей) в другие пласты (или их части) без пополнения запасов из внешних областей питания. Эксфильтрационные водонапорные системы подразделяются на элизионные литостатические (геостатические), геодинамические и термогидродинамические (термогидратационные).

В элизионных литостатических водонапорных системах напор создается вследствие выжимания вод из уплотняющихся осадков и пород в коллекторы и частично за счет уплотнения самих коллекторов с выжиманием вод из одних частей в другие. В результате процесса уплотнения образуется избыточное количество жидкости Q_изб.

В элизионных геодинамических водонапорных системах источником гидростатической энергии является геодинамическое давление: тектоническое сжатие приводит преимущественно в областях интенсивной складчатости и повышенной сейсмичности. В складчатых областях и предгорных прогибах пластовое давление часто превышает условное гидростатическое в 1,8-2 раза.

В элизионных термогидродинамических водонапорных системах природа энергетического потенциала обусловлена высвобождением жидкости в процессе термической дегидратации минералов.

Дата добавления: 2014-01-07