книги / Нефтегазовая гидрогеология

В последние годы в криолитозоне открыты и разрабатываются многочисленные месторождения нефти и газа. Особенности мерз­ лой толщи сказываются на физико-химических свойствах УВ. По­ нижение температуры приводит к переходу свободной воды в свя­ занное гидратное состояние и при наличии метана образуются газогидраты. Сформировавшиеся газовые залежи при снижении тем­ ператур вследствие охлаждения отдельных участков земной коры, по М. К. Калинко, могут переходить в залежи газогидратов. Влия­ ние криолитозоны необходимо учитывать при бурении скважин, освоении продуктивных горизонтов, разработке залежей УВ, а также при транспортировке нефти или газа по трубопроводам.

Воды в многолетнемерзлых породах подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные, внутримерзлотные, подмерзлотные и воды сквозных таликовых зон (рис. 5). Надмерзлотными называ­ ются воды, распространенные над поверхностью толщи мерзлых пород. Они соответствуют грунтовым водам, водоупорным ложем которых служат мерзлые породы. Эти воды сезонные и характер­ ны для так называемого деятельного слоя, в котором ежегодно происходят оттаивание и промерзание пород. Основным источни­ ком питания вод деятельного слоя служат атмосферные осадки и воды поверхностного стока. В некоторых участках оттаивание про­ исходит на значительную глубину и образуются несквозные тали­ ки. Таликом называется участок протаявшей или никогда не за­ мерзающей породы с гравитационной водой, расположенный сре­ ди многолетнемерзлых пород. Несквозные талики образуются в поймах и на террасах речных долин (подрусловые талики), под озерами и озерными террасами (подозерные талики), в конусах выноса у подножия горных склонов (склонные талики). В зимнее время воды деятельного слоя могут промерзать на всю мощность или частично. Надмерзлотные воды, ограниченные снизу мерзлой толщей, а сверху промерзшим слоем, при дальнейшем охлажде­ нии увеличиваются в объеме, что приводит к росту давления и образованию бугров пучения, подземных и наземных наледей с проявлением термокарста и т.п.

К межмерзлотным относятся жидкие воды в слоях, ограни­ ченных сверху и снизу толщами многолетнемерзлых пород. Они могут быть связаны со сквозными таликами. Внутримерзлотные воды располагаются в мерзлой толще в виде линз и прослоев и распространены спорадически. Отрицательно температурные меж­ мерзлотные и внутримерзлотные воды (криопэги, по Н. И. Толстихину) распространены в областях сплошного развития мерз­ лых толщ. Эти воды находятся в жидком состоянии вследствие снижения температуры замерзания, обусловленного их повышен-

Рис. 5. Схема соотношения подземных вод и мерзлых толщ (по Б. И . Писарскому и H . Н. Романовскому):

1 - пески; 2 - гравийно-галечные отложения; 3 - суглинки; 4 - щебень и дресва;

сквозного подозерного талика; В - сквозного питающего тектонического талика; Г - сквозного подруслового талика; Д - межмерзлотные; Е - внутримерзлотные; Ж - подмерзлотные контактирующие, напорные; 3 - неконтактирующие напорные.

ной минерализацией (от 35 до 300 г/л и более). Криопэги выяв­ лены, например, на южном склоне Анабарского щита, на побе­ режье Берингова и Охотского морей, на островах Северного Ле­ довитого океана.

К подмерзлотным относятся жидкие воды, залегающие ниже подошвы многолетнемерзлых толщ. Они могут иметь как отри­ цательную, так и положительную температуру. По мере ослаб­ ления охлаждающего влияния мерзлых пород возрастает и тем­ пература подмерзлотных вод, превращающихся в положительно температурные. Воды сквозных таликов обычно относят к са­ мостоятельной категории подземных вод геокриозоны . Это объясняется тем, что сквозные талики играют важную роль в формировании гидрогеологического разреза мерзлой зоны: мо­ гут связывать надмерзлотные воды с межмерзлотными, надмер­ злотные с подмерзлотными и т.д. Различают, по Б. И. Писарс­ кому (1980), метеогенные сквозные талики, образование кото­ рых связано с проникновением в мерзлую толщу поверхност­

ных положительнотемпературных вод, тектоногенные сквозные талики, приуроченные к разломам, и термогенные сквозные та­ лики, возникшие в результате проникновения в мерзлую толщу термальных вод, например в областях современного вулканиз­ ма.

Мерзлые породы могут влиять на гидрогеологию глубокопогруженных водоносных горизонтов осадочного бассейна. Так, при промерзании пород в области питания и в зоне разгрузки в водо­ носных горизонтах нарушается водообмен. Если при этом име­ ются очаги разгрузки и во внутренней части гидрогеологического бассейна (например, по сквозным тектоногенным таликам), то, по данным Н. А. Ведьминой (1970 г.), возможно снижение напо­ ров вод и образование зон с аномально низким пластовым давле­ нием.

В районах современного вулканизма подземные воды образу­ ют водоносные системы со специфическими гидрогеологически­ ми условиями. К ним относятся горячие воды (термальные), па­ ровые струи пароводные смеси (парогидротермы). Они распрос­ транены в активных складчатых зонах и известны на Камчатке и Курильских островах, в Исландии, Италии, США, Японии, Но­ вой Зеландии. Одной из форм проявления гидротермальной дея­ тельности является образование гейзеров, т.е. горячих источни­ ков, периодически выбрасывающих воду и пар. Гейзерный про­ цесс проявляется при смешении в проводящем канале эндоген­ ного пара и инфильтрационной воды. В результате выделения энергии перегрева воды происходят взрыв и выброс. Свое назва­ ние гейзеры получили от района Гейзер в Исландии. В нашей стране широко известна Долина Гейзеров на Камчатке, где на­ считывается 12 крупных гейзеров, в том числе Великан, высота столба воды которого достигает 40 м, а столба пара — нескольких сот метров. В Йеллоустонском парке в США насчитывается бо­ лее 200 гейзеров, наиболее крупные из них Старый Служака, Ве­ ликан, Великанша. В Новой Зеландии наиболее значительным был гейзер Вайманг, выбросы воды которого достигали несколь­ ких сот метров.

Другим проявлением гидротермальной деятельности являются фумаролы — выходы горячего вулканического газа и пара в виде струй или спокойно парящих масс, поступающих из трещин и ка­ налов на поверхности вулкана или из застывших лавовых покро­ вов. Обычно в фумаролах водяной пар преобладает над другими газами. Примером широкого развития фумарол является Долина 10 тысяч дымов на Аляске. В районах современного вулканизма широко распространены термальные источники, известные на

Курильских островах, в Новой Зеландии, в Японии, с температу­ рой воды от 20°С до температуры кипения.

Условия залегания вод под морями и океанами изучены пока еще слабо. Исследование водоносных систем субмаринной зоны сей­ час осуществляется сотрудниками океанологических экспедиций, использующих морские суда и самоходные подводные аппараты. Большой объем информации поступает в результате бурения сква­ жин при поисках и разведке нефтяных и газовых месторождений на шельфах, при изучении минеральных ресурсов дна морей и океа­ нов, субмаринных гидротермальных источников и т д.

Условия залегания вод в пределах прибрежно-шельфовых об­ ластей и дна внутренних морей практически не отличаются от та­ ковых в пределах суши, так как водоносные породы, погруженные под дно моря, в большинстве случаев гидравлически связаны с субаэральной частью. Это отмечается в таких морских бассейнах, как Каспийский, Балтийский, Черноморский и др. В субаквальной части морского бассейна распространены пластовые (П, — П4), трещинно-карстовые (П5) и карстово-жильные (Т8) воды. Раз­ грузка их осуществляется в виде субмаринных источников при дре­ нировании пластовых водоносных горизонтов, а также при дрени­ ровании карбонатных закарстованных пород (рис. 6). В первом случае субмаринные источники малодебитные, во втором их деби­ ты могут быть очень большими. Так, суммарный дебит группы субмаринных карстовых источников в Ливане, расположенных в 2 км от берега, достигает в зимний период 50 м3/с. Большое количе­ ство субмаринных источников, связанных с закарстованными по-

Рис. 6. Схема образования субмаринных источников.

Природные водонапорные системы: а - элизиониая; б - инфильтрационная. Условные обозначения см. на рис. 3

родами, находится у берегов Адриатики, имеются они у Черно­ морского побережья Кавказа в районах Гагры и Гантиади.

Условия залегания вод в глубоких океанических котловинах, прогибах и рифтах определяются их строением и составом слагаю­ щих пород. В разрезе дна океанов выделяются три слоя. Верхний слой состоит из чередующихся рыхлых глинистых, кремнистых, карбонатных осадков общей мощностью до 1 км. Ниже может рас­ полагаться слой, представленный прослоями базальтовых лав и кон­ солидированных глинистых, кремнистых, карбонатных или песча­ ных отложений. Мощность этого слоя тоже может достигать 1 км. Фундаментом служит базальтовый слой. В верхней части разреза распространены иловые воды. По В. А. Кирюхину, Н. И. Толстихину (1987 г.), в среднем слое распространены порово-трещин- ные, трещинно-поровые воды, в нижнем — трещинно-жильные и трещинные.

С глубоководными океаническими желобами и срединно-океа­ ническими рифтами связаны процессы вулканической и гидро­ термальной деятельности, которые сопровождаются субмаринным выходом гидротерм.

Глава I I

ОСНОВЫ ГИДРОХИМИИ

Химическое изучение природных вод имеет большое теорети­ ческое и практическое значение. В частности, изучение химичес­ кого состава вод, полученных при бурении и эксплуатации сква­ жин, помогает нефтяникам определить источники поступления этих вод, принадлежность их к тем или иным пластам. В про­ мысловых условиях знание химического состава вод необходимо при закачке последних в пласт с целью поддержания и восста­ новления пластового давления. Знакомство с химическим соста­ вом вод данного района позволяет с большей степенью обосно­ ванности давать оценку перспектив нефтегазоносности. Изуче­ ние подземных вод помогает также решать важные вопросы ре­ жима залежей.

Кроме специфических вопросов нефтяникам необходимо знать состав природных вод и для решения проблем водоснабжения про­ мыслов, строительства, попутного использования лечебных и про­ мышленных минеральных вод.

Наряду с изучением ионно-солевого состава вод большой ин­ терес представляет и изучение растворенных газов.

§1. СТРУКТУРА МОЛЕКУЛВОДЫ И ЕЕ ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ

По определению В. И. Вернадского, природная вода представ­ ляет собой природную равновесную систему: вода — газ — соли, органика.

Природные воды следует рассматривать не только как раство­ ры, содержащие соли, газы, коллоиды, ионы, но и как составную часть всех тканей животных и растений, как среду, в которой идут физико-химические процессы, определяемые жизнедеятельностью всего живого.

Следует отметить, что и по сей день свойства воды полностью не изучены. Можно констатировать, что многие из них объясня­ ются строением ее молекулы.

По представлениям О. Я. Самойлова, структура воды определя­ ется заполнением пустот льдоподобного каркаса свободными мо­ лекулами воды. Кстати сказать, при изучении структуры воды сле­ дует учитывать, что она может находиться в трех агрегатных состо­ яниях. Твердая фаза (лед) характеризуется гексагональной струк­

свою очередь, на одиночные молекулы. В парообразном состоя­ нии вода почти нацело состоит из одиночных молекул — гидролей.

Химическая активность воды объясняется высокой активнос­ тью кислорода и водорода, из которых она состоит. Так как атомы водорода обладают только одним электроном, то с другими атома­ ми они соединяются с помощью как электронов (валентные свя­ зи), так и водородных связей.

Жидкая вода состоит из более менее упорядоченных молекул, приближающихся по строению к кристаллической решетке. Вода, как в жидком, так и в твердом состоянии, характеризуется гекса­ гональной структурой (координационное число 4). Если в воде в твердом агрегатном состоянии структурные особенности согласу­ ются с геометрическим размещением молекул, с действием меж­ молекулярных сил, то в жидком агрегатном состоянии постоянно происходят изменения структуры, обусловленные составом раство­ ренных солевых компонентов и температурой.

Повышение температуры меняет строение молекул воды. Гек­ сагональное циклическое строение превращается в четырехсторон­ нее, характеризующееся более плотной упаковкой молекул.

Вода в парообразном состоянии характеризуется ослаблением влияния межмолекулярных сил вследствие увеличения расстоя­ ния между молекулами. Молекулы воды состоят из водорода, пред­ ставленного тремя изотопами (протий 'Н, дейтерий 2Н или D, три­ тий 3Н или Т), и кислорода, имеющего семь изотопов (,30 — 20О). Преобладают в воде протий 'Н и |60 . Дейтерий и тритий содер­ жатся в обычной воде в незначительных количествах. Подавляю­ щее количество изотопов кислорода представлено изотопами )60, гораздо меньше изотопов 180 и ничтожно мало ,70 . В настоящее время известны также изотопы 130 , иО, 150 , |90 , 20О, живущие нс более нескольких минут. Кроме тяжелой воды известна сверхтя­ желая вода Т20. Известна и тяжелая в кислородном отношении вода с изотопами 130 и 180 .

И. В. Петрянов-Соколов, исходя из различных комбинаций изотопов водорода и кислорода, насчитал 48 разновидностей мо­ лекул воды. Устойчивы из них только 9. Известно, что присут­ ствие молекул тяжелой воды (D20) повышает вязкость и скрытую теплоту парообразования и плавления. Для тяжелой воды харак­ терны пониженные значения диэлектрической постоянной, элек­ тропроводности, растворимости солей, подвижности ионов, дав­ ления паров. В частности, именно поэтому молекулы воды, содер­ жащие дейтерий, концентрируются в жидкой фазе при испарении воды, на чем и основано фракционное разделение изотопов.

В поверхностных слоях экваториальных морей вследствие ак­ тивного испарения возрастает содержание дейтерия. Для атмос­ ферных вод характерно выпадение с дождями таких изотопов, как 2H(D) и ,80 . Во льду северных морей дейтерия на 2 % больше, чем в морской воде, из которой лед образовался.

Для описания свойств ж идкой воды Ю. Я. Еф им ов и

Ю.И. Наберухин предлагают все модели разделить на два типа

—смешанные и непрерывные: «модели первого типа постули­ руют, что вода является смесью дискретных молекулярных об­ разований двух или нескольких типов. В непрерывных моделях, напротив, основой структуры жидкой воды считается единая тет­ раэдрическая сетка водородных связей, а различия в состоянии молекул возникают из-за флуктуации локального окружения, порождаемых случайными искажениями геометрии водородных связей».

Следует указать на умозрительность предлагаемых моделей структуры воды. Наиболее образным является определение струк­ туры воды, предложенное О. Я. Самойловым, который рассматри­ вал ее как вариант размытой тепловым движением структуры льда с частично заполненными пустотами.