книги / Нефтегазовая гидрогеология

зующих лечебные свойства воды. Обычно этот тип анализа отли­ чается наибольшей полнотой.

Технические анализы проводятся для оценки пригодности ис­ пользования вод в парокотельных установках, при закачке в эксп­ луатируемые, нефтяные пласты, для определения «агрессивных» и коррозионных свойств и т д.

Отдельные специфические элементы вод определяются при поисках рудных и других полезных ископаемых.

Анализы вод осуществляются как в стационарных, так и в по­ левых гидрохимических лабораториях. Отличие заключается в ме­ тодике проведения анализа. Так, в стационарных условиях суль­ фат-ион определяют по массе, кальций и магний — по массе или по объему, хлор- и гидрокарбонат-ион — по объему, в полевых условиях анализ вод проводится преимущественно объемными, ко­ лориметрическими и нефелометрическими методами. В качестве полевой лаборатории широко известна лаборатория А. А. Резни­ кова.

При проведении анализа ионно-солевого состава вод наиболее надежным является определение хлоридов. Содержание сульфатов предпочтительнее оценивать по массе. Однако из-за трудоемкости такого определения в лабораториях используют объемные методы. Из них трилонометрический метод дает хорошие результаты толь­ ко при анализе гидрокарбонатно-натриевых и сульфатно-натрие­ вых вод с небольшим содержанием кальция и магния. Иодометрический метод с использованием хромата бария пригоден только для вод, не содержащих восстановителей, а нефелометрический — для вод, не содержащих нафтеновых кислот, преимущественно для хлоридно-кальциевых вод.

Определение общей щелочности титрованием проб кислотой является надежным методом, но ее подразделение на отдельные компоненты точностью не отличаются.Содержание кальция и маг­ ния наиболее просто и точно находится трилонометрическим методовм, однако следует помнить, что точность определения каль­ ция в 2 раза превышает точность определения магния и ошибки в определении кальция автоматически усиливают ошибки в опреде­ лении магния: в случае завышенных значений содержания каль­ ция содержание магния занижается и наоборот.

Приведенных определений достаточно для расчета шестиком­ понентного анализа пластовых вод.

Особое место занимает методика определения водорастворен­ ных ОВ. Сложность заключается в том, что приходится иметь дело с чрезвычайно малыми количествами вещества ( 1 0 - 1 0 ' 5 мг/л) при одновременно высокой общей минерализации вод.

Определение органического углерода нелетучих соединений производится сухим сожжением в сухой трубке, органического уг­ лерода летучих нейтральных соединений — методом каталитичес­ кого сожжения в парах воды, углерода органического общего — мокрым сожжением, а азота органического общего — восстанови­ тельным разрушением. Содержание азота аминного органическо­ го находится по методу Кьельдаля, органических и летучих жир­ ных кислот — титрованием, летучих жирных кислот С, — С7 (по­ компонентно) — на газохроматографах, нафтеновых кислот — турбодиметрическим методом. Бензол определяется колориметричес­ ким методом, ароматические УВ С6 — С8 (покомпонентно) — на газохроматографах. Фенолы летучие могут быть определены коло­ риметрически, пиридин — фотометрически.

Перечисленные методы дают возможность получить общую ха­ рактеристику распределения ОВ в природных водах. Однако из-за сложности состава определяемых компонентов и несовершенства самих методик химический состав этих компонентов нередко по­ лучается недостаточно точным.

§ 7. ФОРМЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОД

Химический состав природных вод принято изображать в ион­ ной, эквивалентной и процент-эквивалентной формах.

Ионная форма представляет собой выражение состава воды в массовых количествах отдельных ионов. Содержание ионов выра­ жается в миллиграммах или в граммах на единицу объема или мас­ сы (обычно 1 0 0 см3, 1 0 0 0 см3, 1 0 0 г, 1 кг).

Отнесение содержания ионов к объемным или массовым еди­ ницам для пресных вод практической разницы не представляет. Для рассолов эти величины уже разнятся и при переходе от выра­ жения состава воды, отнесенного к единице объема, к составу воды, отнесенному к единице массы, содержание отдельных ионов при­ ходится делить на плотность воды.

Для выражения содержания растворенных газов и некоторых веществ, находящихся в коллоидном состоянии, ионная форма не употребляется.

Концентрация раствора может быть выражена в молярной фор­ ме. Например, молярная концентрация С раствора, полученного растворением 5,85 г NaCl в 1 л воды,

C(NaCl) = 5,85 г/58,5 (г/моль)/л = 0,1 моль/л.

его миллиграмм-эквивалентов на эквивалентную массу (50,5 х 23 = 1161,5).

Для краткого компактного изображения химического состава вод используется формула Курдова, представляющая собой лож­ ную дробь, в числителе которой указано содержание анионов, в знаменателе — содержание катионов в процент-эквивалентной форме. Ионы записываются по убывающим величинам. Ионы, содержащиеся в количестве менее одного (иногда пяти) процен­ тов-эквивалентов, не указываются. Перед дробью приводятся ос­ новные компоненты состава растворенных газов и величина ми­ нерализации в граммах на литр. За дробью проставляется темпе­ ратура.

Формула Курлова для пробы воды, приведенной в табл. 4:

N a27C al6M g6

Для оценки нефтяных вод используют характеристики Пальмера, представляющие собой группы солей, образованных из ионов по правилу Фрезениуса, утверждающему, что ионы соединяются между собой в порядке уменьшения химической активности. Пос­ ледовательность степени активности основных ионов такова: ани­ оны Cl', SO]', Н С 03'; катионы Na+, Mg2+, Ca2+. Ионы Br, I' распо­ лагаются за ионом Cl', ионы Н+, Fe3+, А13+ - после иона Са2+, ион HS' — после иона Н С 03', иона К+ — перед ионом Na+, ион NHJ после иона Na+.

В соответствии с правилом Фрезениуса С1* соединяется с Na+; при избытке С1' его остаток соединяется с Mg2+, а в случае преоб­ ладания и над Mg2+ соединяется с Са2+. При избытке иона натрия его остаток соединяется с сульфат-ионом, в случае преобладания натрия и над сульфатом он соединяется с гидрокарбонатом:

Пальмером выделено шесть солевых характеристик, из которых основное значение имеют: первая соленость S,, вторая соленость S2, первая щелочность А,, вторая щелочность А2.

Первая соленость обусловлена солями оснований и сильных кислот, в природных водах это хлориды натрия и сульфаты на­ трия. Вторая соленость определяется солями щелочноземельных

металлов и сильных кислот, т.е. хлоридами и сульфатами кальция и магния. В принципе вторая соленость есть не что иное, как по­ стоянная жесткость воды.

Первая щелочность обусловливается солями щелочных метал­ лов и слабых кислот, в природных водах это N aH C 03. При нали­ чии соды вода имеет щелочную реакцию. Согласно правилу Фре­ зениуса наличие первой щелочности исключает возможность вто­ рой солености той же воды. При наличии S2 воду относят к жест­ ким, при А, — к щелочным.

Вторая щелочность — наличие солей щелочноземельных ме­ таллов и слабых кислот (гидрокарбонаты кальция и магния), т.е. устранимая жесткость.

Помимо этих основных характеристик, по Пальмеру выделя­ ются еще третья соленость S3 и третья щелочность А3, однако соли, их представляющие, редко встречаются в природных во­ дах. Третья соленость получается при комбинировании сильных кислот с ионами трехвалентных металлов. Она обусловливается хлоридами и сульфатами железа, алюминия, свободными соля­ ной и серной кислотами. Наличие третьей солености определя­ ет кислотные свойства воды. Под третьей щелочностью пони­ мают соединения слабых кислот с трехвалентными катионами.

Характеристики Пальмера вычисляются в процент-эквивален- тной форме.

При (rCl- + r S 0 24 ) > rNa+:

S, = 2rNa+; A, = 0; S2 = 2[(rCl- + r SO *') - rNa+];

A, = 2[(rNa+ + rCa2+ + rMg2+) - (/Cl* - rS O 2; ) ) = 2 rH C 0 3

При (/Cl* + rSOj* ) < Na+:

Изображение состава вод при помощи характеристик Пальмера базировалось на признании молекулярной формы существования солей в природных водах. Поскольку в пресных и маломинерали­ зованных водах соли находятся в виде диссоциированных ионов, применение характеристик Пальмера для них неправомочно. Кро­ ме того, эти характеристики не отражают геохимические различия между хлоридами и сульфатами, объединенными в группу «силь­ ных кислот». Однако возможность с помощью характеристик Паль­ мера отражать такие свойства вод, как щелочность, жесткость, кис­

лотность, позволяет пользоваться ими наряду с другими видами изображения состава вод.

Характеристики Пальмера легко вычисляются с помощью гра­ фических изображений (график Роджерса). Следует отметить, что графические методы изображения состава вод широко применя­ ются для наглядного сравнения составов различных вод и для представления их на картах и разрезах.

График Роджерса (рис. 1 1 ) состоит из трех прямоугольников. В крайних прямоугольниках распо­ ложены в порядке убывания хи­ мической активности соответ­ ственно анионы и катионы. Пол­ ная высота каждого из этих пря­ моугольников отвечает 50 %-экв. В среднем прямоугольнике пока­

Любая гидрохимическая карта по сути представляет собой гра­ фическое изображение химического состава вод.

§ 8. ХИМИЧЕСКИЕКЛАССИФИКАЦИИПРИРОДНЫХ ВОД

Классификации природных вод весьма многочисленны и раз­ нообразны. Рассмотрим те из них, которые представляют истори­ ческий интерес и помогают понять принципы современных клас­ сификаций, а также те, которые распространены в нефтегазовой гидрогеологии.

За основу классификаций принимались различные признаки — происхождение вод, характер их залегания, свойства вмещающих пород, гидравлические свойства пород-коллекторов, химический состав вод (как ионно-солевой, так и газовый), физические свой­ ства вод, возраст водоносных пород и т.д.

Среди химических классификаций можно выделить классифи­ кации по содержанию и составу минеральных растворимых ве­ ществ (Ч. Кларк, С. А. Щукарев, В. А. Сулин), по составу газов, спонтанно выделяющихся из вод (А. М. Овчинников), по составу газов, растворенных в природных водах (В. И. Вернадский), по наличию в водах бальнеологически ценных элементов и соедине­ ний, по совокупности различных признаков, по составу минераль­ ных растворимых веществ и наличию в водах характерных хими­ ческих компонентов, специфичных для основных природных об­ становок существования вод.

Классификации Ч. Кларка, В. А. Александрова, С. А. Щукарева, Н. И. Толстихина построены по признаку преобладания в водах анионов и катионов. Ч. Пальмер не принимал во внимание

количественное преобладание, а исходил из характерных соотно­ шений между ионами и группами ионов. Смешанными класси­ фикациями, учитывающими как количественное преобладание ионов, так и характерные соотношения между ними, является и классификация В. А. Сулина, в которой основное значение при­ дается характерным соотношениям, и классификация О. А. Але­ хина, в которой предпочтение отдается количественному преоб­ ладанию.

Воснову ряда классификаций положено количественное пре­ обладание главных ионных компонентов. К их достоинствам от­ носится простота: выделяются три класса вод — гидрокарбонат­ ный, сульфатный и хлоридный, в каждом из которых обособляют­ ся по три подкласса — кальциевый, магниевый и натриевый. Не­ достатком такого подразделения является отсутствие классов и под­ классов смешанного характера, так как зачастую наблюдаются воды,

вкоторых преобладающие ионы содержатся в примерно равных количествах.

Вклассификации, предложенной С. А. Щукаревым, применен принцип преобладания одного или нескольких из трех главных анионов и одного или нескольких из трех главных катионов, со­ держащихся в количестве более 12,5 %-экв (суммы анионов и ка­ тионов принимаются по 50 %-экв). Воды по преобладающим ани­ онам получают названия хлоридных, гидрокарбонатно-хлоридных, хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатных и т.д., по преобладающим катионам — натриевые, натриево-кальциевые, натриево-магние­ во-кальциевые и т.д.

Вклассификации О. А. Алекина (рис. 14) воды делятся на три класса по преобладающему аниону: гидрокарбонатные, сульфат­ ные и хлоридные. Внутри каждого класса выделяются группы по преобладающему катиону — кальциевые, магниевые, натриевые. Каждая группа, в свою очередь, подразделяется на три типа по характерным соотношениям между ионами. Всего выделяется че­ тыре типа. Первый тип вод характеризуется соотношением гНССК > (/Са2+ + /Mg2+), второй — гН С О , < (rCa2+ + rMg2+)> (гНСОз +

rSOj"), третий — (гН С О з+ rS O f ) < (/Са2+ + rMg2+). Четвертый тип определяется отсутствием Н С 03. Воды этого типа кислые и наблюдаются лишь в кальциевых и магниевых группах сульфатно­ го и хлоридного классов, где отсутствуют воды первого типа.

Наиболее представительная классификация вод по ионному со­ ставу предложена Л. С. Балашовым. Она учитывает наряду с основ­ ными шестью ионами и другие ионы, занимающие иногда преобла­ дающее положение. Такое подразделение вод имеет значение при оценке промышленных минеральных вод и поисках рудных место-

Рис. 14. Схема классификации природных вод О. А. Алехина

рождений. Типы вод определяются по анионам, подтипы по катио­ нам; по второстепенным (для определяемой воды) ионам выделя­ ются классы. При содержании главенствующего аниона выше 95 % выделяются типы, когда это условие не выдержано, — выделяются подтипы. Число типов, подтипов и классов неограниченное, так как Л. С. Балашов полагает, что могут быть обнаружены еще неиз­ вестные воды. До 1970 г., когда была предложена данная классифи­ кация, было установлено восемь чистых типов, а именно: хлоридный, сульфатный, гидрокарбонатный, карбонатный, бисульфатный, фторидный, нитратный, гидросиликатный

В нефтегазовой гидрогеологии широко распространена класси­ фикация В. А. Сулина, использующая и элементы классификации Ч. Пальмера.

Первой классификацией «буровых» вод была именно класси­ фикация Ч. Пальмера (табл. 5), в которой воды подразделяются на пять классов по соотношению ионов и солевым характеристикам. Поскольку 2-й и 4-й классы в природе практически не встречают­ ся, все воды подразделяются только на три класса. Недостатками этой классификации являются формальный подход к выделению классов, слишком общее выделение только трех классов, отсут­ ствие количественного содержания различных ионов, некоторая условность при комбинировании ионов в различные солевые ха­ рактеристики.

В классификации Сулина (табл. 6 ) природные воды подразде­ ляются на четыре типа по характерным соотношениям между глав­ ными ионами. Каждый тип, в свою очередь, подразделяется на