Бычинский В.А., Коновалова Н.Г. Гидрогеология нефти и газа. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Гидрогеология нефти и газа

приводить к выделению летучих веществ, но вода, углекислый

газ, «кислые дымы» и другие активные вещества должны были

поглощаться раздробленными породами, поэтому первичная ат-

мосфера на этом этапе состояла, по-видимому, лишь из неболь-

ших количеств азота, аммиака и инертных газов.

Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидро-

сферы связаны с выплавками базальтов

, водяного пара и газов из

верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в

первые 0,5–1 млрд лет существования Земли в результате разогрева-

ния ее недр при гравитационном сжатии (включая формирование и

рост уплотненного ядра) и за счет распада радиоактивных изотопов.

Совместный анализ изотопных и петрологогеохимических

данных дал возможность заключить (Летников и

др., 1977), что

ранние этапы развития Земли характеризовались интенсивным

выносом флюидов, в составе которых преобладали инертные газы

и соединения углерода. Выделение воды в это время, судя по ее

содержанию в атмосфере, было небольшим. По мнению Ф. А. Лет-

никова (1985), лишь на рубеже архея и протерозоя началось более

интенсивное выделение воды, связанное с

окислением мантийно-

го флюида при его взаимодействии с горными породами, продол-

жающееся до настоящего времени.

По мнению А. А. Маракушева и Л. Л. Перчука (1979), мигра-

ция мантийного флюида, представленного в основном восстанов-

ленными газами (Н

, СО, СН

), к поверхности Земли сопровождается

их окислением, что в конечном итоге приводит к синтезу воды.

По-видимому, на раннем этапе развития Земли вода еще в

пределах земной коры расходовалась в основном на гидратацию

породообразующих минералов, пронизывая земную кору более

или менее равномерно. В дальнейшем восходящие потоки ман-

тийных флюидов все более

локализовывались в ослабленных зо-

нах – магматических телах и заложенных в протерозое глубинных

разломах. На современном этапе развития Земли они, по-видимому,

сосредоточены в основном в глобальной системе рифтов.

Оставшаяся после процессов гидратации в свободном со-

стоянии вода поступала в атмосферу и, начиная с момента, когда

температура земной поверхности понизилась до значений

, мень-

ших 100 ºС, концентрировалась в палеоводоемах на поверхности

Земли. Появление обособленных масс воды на поверхности пла-

В. А. Бычинский, Н. Г. Коновалова

неты послужило толчком для возникновения ее поверхностного, а

затем и подземного круговоротов, а также к началу образования

осадочных пород (Геологическая эволюция …, т. 1, с. 161).

1.3. Гидрогеологические структуры

Подземные воды различаются по условиям происхождения,

залегания и движения. Часто эти три фактора взаимосвязаны ме-

жду собой, или, наоборот, не зависят друг от друга. Гидрогеоло-

гические структуры нефтегазоносных бассейнов подразделяют по

тектоническим признакам, по условиям генерации углеводородов

(УВ), по условиям нефтегазонакопления, по размерам, по морфо-

логии скопления вод (форме их

нахождения в литосфере), по ус-

ловиям движения подземных вод, по генетическим признакам.

Гидрогеологический бассейн – это скопление подземных вод,

приуроченное к крупным тектоническим элементам земной коры

(рис. 1.3.1). Бассейны подразделяются на два класса (Зайцев,

1974): артезианские структуры и гидрогеологические массивы.

Рис. 1.3.1. Схема гидрогеологического бассейна (по Брагину Ю. И. и др., 2004):

А – бассейн пластовых вод; Б – суббассейн грунтовых вод; В – бассейн напорных

вод; Г – бассейн трещинных и жильно-трещинных вод; природные водонапорные

системы: а – инфильтрационные, б – элизионные; в – ложе бассейна; 1 – магмати-

ческие породы; 2 – породы-коллекторы; 3 – водоупоры; 4 – система трещин в маг-

матических породах; 5 – метаморфические породы; 6 – тектонические нарушения;

7 – направление движения подземных вод; 8 – области

соответственно питания и

разгрузки

Гидрогеология нефти и газа

Артезианские структуры подразделяют на:

1) артезианские бассейны (различные впадины),

2) артезианские своды (антеклизы и своды),

3) адартезианские бассейны (близки к артезианским, но отли-

чаются от них широким распространением пластово-трещинных и

трещинно-жильных вод),

4) вулканогенные суббассейны (скопление преимущественно

покрово-порово-трещинных вод).

Гидрогеологические массивы подразделяются на:

1) адмассивы, сложенные метаморфизованными

осадочными

и вулканогенными породами,

2) вулканогенные супермассивы, образованные мощными

толщами лав и их туфов, наложенных на другие гидрогеологиче-

ские структуры (покрово-трещинно-поровые воды).

Недостатком этой классификации является отнесение к арте-

зианским бассейнам всех бассейнов осадочных отложений.

В нефтяной геологии в качестве основных единиц райониро-

вания приняты нефтегазоносный бассейн, провинция,

область.

При выделении нефтегазоносного бассейна основными являются

условия генерации углеводородов, а при выделении провинций и

областей – единство условий нефтегазонакопления. Однако веду-

щим фактором является тектоническое районирование. Выделе-

ние нефтегазоносных бассейнов и нефтегазоносных провинций –

это два различных, но не исключающих друг друга принципов

районирования. При гидрогеологической систематизации «бас-

сейновый» принцип предпочтителен, так

как бассейны пластовых

вод и нефтегазоносные бассейны приурочены к одним и тем же

структурам (Воды …, 1989).

М. И. Суббота, А. Ф. Романюк, Я. И. Ходжакулиев выделили

четыре типа гидрогеологических бассейнов:

1) осадочно-породные депрессионные (бассейны артезиан-

ские и нефтегазоносные),

2) осадочно-породные горноскладчатые,

3) глыбово-массивные (гидрогеологические структуры щитов),

4) океанические.

Гидрогеологические бассейны имеют разную площадь: от

нескольких тысяч до нескольких миллионов квадратных километ-

ров. По площади бассейны подразделяются на следующие группы

(млн км

В. А. Бычинский, Н. Г. Коновалова

1 – гигантские (> 1),

2 – крупные (0,3–1),

3 – средние (0,05–0,3),

4 – мелкие (< 0,05).

По условиям залегания подземных вод гидрогеологические бас-

сейны подразделяют на бассейны пластовых вод и бассейны тре-

щинных и жильно-трещинных вод (Воды нефтяных …, 1989, с. 38).

Бассейны трещинных и жильно-трещинных вод располага-

ются в пределах кристаллических щитов и горно-складчатых об-

ластей. Трещинная водоносность

наблюдается и в кристалличе-

ском фундаменте бассейнов пластовых вод, особенно в коре вы-

ветривания фундамента. В покровных отложениях щитов часто

развиты порово-пластовые воды.

Под бассейном пластовых вод понимается скопление вод,

приуроченное преимущественно к осадочным породам, запол-

няющим отрицательные тектонические элементы земной коры

(синеклизы, впадины, прогибы). Бассейн пластовых вод состоит

из проницаемых водоносных пластов, объединяемых в горизон-

ты, комплексы и этажи с напорными водами, разделенных водо-

упорами. В верхней части разреза бассейн пластовых вод сменя-

ется суббассейном безнапорных грунтовых вод. Ложем бассейна

служат породы фундамента.

В нефтегазовой гидрогеологии широко используется термин

природная водонапорная система. Под этим термином подразу-

мевается водоносный

пласт или совокупность водоносных (гидро-

геологических) горизонтов или комплексов, содержащих напор-

ные воды и приуроченных к определенным гидрогеологическим

структурам.

Природная водонапорная система может быть содержанием

отдельного бассейна пластовых вод или системы бассейнов круп-

ного сегмента земной коры, например, водонапорная система

Прикаспийской впадины или водонапорная система Восточно-

Европейской платформы. В данном случае

подразумеваются со-

вокупности напорных горизонтов или комплексов подземных вод

определенных тектонических элементов земной коры.

Водонапорная система может характеризовать и стратигра-

фический интервал разреза, например, водонапорная система ме-

зозойско-кайнозойских отложений Прикаспийской впадины.

Гидрогеология нефти и газа

Таким образом, природная водонапорная система может

иметь разный объем – от пласта до серии пластов, а по площади –

от гидрогеологического района до бассейна или группы сопря-

женных бассейнов. Поэтому при использовании термина необхо-

дима конкретизация объекта.

По условиям формирования гидродинамического потенциала

выделяют гидродинамические системы: безнапорных (грунтовых)

вод и напорных вод.

По природе

энергетического потенциала гидродинамические

системы напорных вод подразделяются на инфильтрационные и

эксфильтрационные.

В инфильтрационных водонапорных системах напор созда-

ется за счет инфильтрации атмосферных и поверхностных вод.

Природа энергетического потенциала – гидростатическая, поэто-

му системы этого типа называются гидростатическими. Для таких

систем пластовое давление определяется формулой p = H

g, где

H – пъезометрический напор,

– плотность жидкости, g – уско-

рение силы тяжести.

В эксфильтрационных системах напор в водоносных пластах

создается за счет фильтрационного удаления жидкости из одних

пластов (или их частей) в другие пласты (или их части) без по-

полнения запасов из внешних областей питания. Эксфильтраци-

онные водонапорные системы подразделяются на элизионные ли-

тостатические (

геостатические), геодинамические и термогидро-

динамические (термогидратационные).

1.4. Гидрогеологическая стадийность развития

нефтегазоносных бассейнов

Бассейн пластовых вод с эксфильтрационной водонапорной

системой сначала начинает развиваться в пределах бассейна се-

диментации. На этом этапе границы водонапорной системы и

нефтегазоносного бассейна (НГБ) совпадают.

В эпохи перерывов в осадконакоплении в краевых частях и

верхних горизонтах начинает формироваться инфильтрационная

водонапорная система. В небольших по площади и маломощных

осадочно-породных бассейнах

инфильтрационный режим распро-

В. А. Бычинский, Н. Г. Коновалова

страняется достаточно быстро, в крупных бассейнах эксфильтра-

ционный режим сохраняется длительное время.

Глубина и скорость проникновения инфильтрационных вод

определяются фациальными особенностями пластов-коллекторов,

гипсометрическим положением областей инфильтрационного пи-

тания, степенью тектонической нарушенности слагающих бассейн

пород и другими геологическими условиями. Во внутренних час-

тях нефтегазоносных бассейнов установлены древние седименто-

генные воды с

той или иной долей литогенных вод, а сами водона-

порные системы находятся на эксфильтрационных этапах развития.

Направленность развития гидрогеологических структур осадочных

бассейнов от эксфильтрационных систем к инфильтрационным

системам неизбежна. Различна лишь интенсивность процесса.

В направлении развития водонапорной системы выделяют

три этапа.

I. Первый этап – зарождение гидрогеологической структуры.

II. Второй этап – дифференциация

твердой и жидкой фаз, ми-

грация флюидов и формирование залежей углеводородов (УВ).

III. Третий этап – инфильтрационное развитие гидрогеологи-

ческой структуры, переформирование и разрушение залежей УВ.

На первом этапе, на стадии седиментогенеза, закладывается

огромное геохимическое разнообразие глубинных подземных вод,

дальнейший их облик определяется особенностями литогенеза

пород. Например, воды, захороняемые вместе с осадками

пресно-

водных бассейнов характеризуются невысокой минерализацией.

Для солеродных бассейнов характерны высокоминерализованные

растворы. На стадии седиментогенеза начинается преобразование

седиментационных вод, илов, органических веществ и эмиграция

продуктов их преобразования.

На втором этапе происходит дифференциация твердой и

жидкой фаз, миграция флюидов и формирование залежей УВ. Ес-

ли в илах содержание воды достигает 90 %, то в

метаморфических

сланцах оно снижается до 1 %. Следовательно, процессы литоге-

неза связаны преимущественно с удалением флюидной фазы – во-

ды, нефти и газа. В процессе дифференциации твердой и жидкой

фаз, фазы постоянно изменяются, воздействуя друг на друга.

Второй этап распадается на три подэтапа.

Гидрогеология нефти и газа

1. На первом подэтапе происходит эмиграция седиментаци-

онных вод (на стадии диагенеза в интервале глубин до 600–800 м

осадок теряет до 75 % воды) и генерация биогенных газов.

Формируются месторождения природных биогенных газов.

Первый подэтап соответствует стадии диагенеза, раннего и сред-

него протокатагенеза.

2. На втором подэтапе происходит «рождение» литогенных,

органогенных, возрожденных вод и вод

отжатия, генерируются

жирные газы и нефти.

Формируются преимущественно нефтяные и газоконденсат-

ные месторождения. Второй подэтап приурочен к глубинам 1–6 км

и температурному интервалу 85–125 ºС. В этих условиях из глин

высвобождается 14–15 % воды от общего объема породы. Проис-

ходит изменение химического состава вод и инверсия в гидрохи-

мическом разрезе подземной гидросферы. Стадия позднего

про-

токатагенеза и мезокатагенеза.

3. На третьем подэтапе формируются преимущественно ли-

тогенные и возрожденные воды, но объем вновь образующихся

вод незначителен. Из УВ генерируется преимущественно метан,

и формируются метановые месторождения нижней газовой зоны.

Стадия позднего мезокатагенеза и апокатагенеза.

Третий этап – инфильтрационное развитие гидрогеологиче-

ской структуры, переформирование и разрушение залежей УВ.

1.5. Формы существования подземных вод

и условия их распределения

В подземной гидросфере вода находится в постоянном взаи-

модействии с твердой фазой. В соответствии с фазовым состояни-

ем и структурой подземных вод в зависимости от термодинамиче-

ских условий в пределах земной коры выделяют пять гидрофизи-

ческих зон (Макаренко и др., 1970).

I. Гидрофизическая зона твердой воды ограничивается геоизо-

термой, соответствующей температуре фазового

перехода лед–

вода, при существующих в земной коре давлении и минерализации

подземных вод. Ее мощность меняется от 0 до 1450 м, что обуслов-

лено величиной инсоляции и геологической историей района.

В. А. Бычинский, Н. Г. Коновалова

II. Гидрофизическая зона «жидких структурированных вод»

ограничена геоизотермами, отвечающими условиям фазовых пе-

реходов вода – лед и вода – пар. Минимальная мощность зоны

отмечается в районах островных дуг; в эвгеосинклинальных и

миогеосинклинальных зонах кайнозойской тектонической актив-

ности ее мощность составляет 10–15 км; в областях палеозойской

и мезозойской складчатости, а также в кайнозойских краевых

про-

гибах и внутренних впадинах – 25 км. В областях докембрийской

складчатости она достигает 80 км. Вторая гидрофизическая зона –

та единственная зона, в верхней части которой и осуществляется

миграция подземных вод.

III. Гидрофизическая зона «уплотненного флюида» с сибо-

таксической структурой

ограничена геоизотермами 450–700 ºС.

IV. Зона «мономерных молекул воды» (вода находится в газо-

образном состоянии) существует при температуре 700–1100 ºС и

давлениях 50–100 тыс. атм. (5–10 МПа).

V. Зона «диссоциированной воды» ограничивается изотерма-

ми 1100–3700 ºС, давление колеблется от 100 до 1200 тыс. атм.

(10–100 МПа).

Воды в надкритическом состоянии залегают на больших глу-

бинах (5–10 км) и существуют при

температуре выше критиче-

ской точки воды (374 ºС, 22,5 МПа) или водных растворов (400 ºС

и более) и при большом давлении (n · 100 МПа). У такой воды

усиливается электролитическая (Н

О = Н

+ ОН

) и термическая

(2Н

О = 2Н

2(г)

+ О

2(г)

) диссоциация, ее вязкость уменьшается, по-

верхностное натяжение исчезает, уменьшается рН «чистой» воды

(нейтральная среда кислотно-основных свойств водных раство-

ров), увеличивается электропроводность, и вода приобретает

свойства активного растворителя и химического реагента.

Глубинная вода в надкритическом состоянии получила на-

звание флюида и представляет собой газово-жидкий раствор.

По форме нахождения в

породах воды подразделяются на

свободные и связанные (Карцев, 1992).

Свободная гравитационная вода (рис. 1.5.1) находится в ка-

пельножидком состоянии в проницаемых породах (коллекторах) в

сверхкапиллярных

порах, передает гидростатическое давление,

движение происходит под действием гравитационной силы.

Сиботаксическая структура – разупорядоченная рыхлая структура надкритиче-

ского флюида с островками кристаллоподобных ассоциатов.

Капиллярами в обычных условиях считаются трубки радиусом меньше 1 мм.

Гидрогеология нефти и газа

Капиллярная вода (тоже свободная и слабосвязанная) нахо-

дится в капиллярных порах и при сплошном их заполнении может

передавать гидростатическое давление; при частичном заполне-

нии пор она подчиняется менисковым силам.

Связанные воды. Сорбционно-замкнутая вода представляет

собой капельно-жидкую воду, изолированную от основной массы

воды, насыщающей породу,

слоями связанной и стыковой воды.

Удерживаются на поверхности минеральных частиц породы

силами молекулярного сцепления и водородными связями, обра-

зуя слой, толщина которого может достигать нескольких десятков

или даже сотен диаметров молекулы воды. Внешняя, большая,

часть этого слоя представлена слабосвязанной водой (лиосорбиро-

ванная). Связанные воды целиком заполняют некоторые субка-

пиллярные поры

и находятся также у стенок поровых каналов

большого диаметра. В местах сближения минеральных частиц по-

роды при утолщении слоев связанных и капиллярных вод нахо-

дится стыковая (пендулярная) вода.

Рис. 1.5.1. Классификация подземных вод

по форме их нахождения в горных поро-

дах (по Карцеву А. А., 1992)

1 – минеральные частицы пород;

2 – включения воды;

вода:

3 – прочносвязанная,

4 – рыхлосвязанная,

5 – капиллярная,

6 – стыковая,

7 – сорбционно-замкнутая,

8 – гравитационная (свободная);

9 – парообразование в свободной воде

В. А. Бычинский, Н. Г. Коновалова

Адсорбированная (прочносвязанная) вода образует на по-

верхности минеральных частиц слой толщиной в одну или не-

сколько молекул.

Химически связанные воды входят в состав минералов и

подразделяются на цеолитные, кристаллизационные и конститу-

ционные.

Цеолитная вода содержится в минералах в непостоянных коли-

чествах (например, в опале SiO

·nH

O). К цеолитным водам относят

воду, находящуюся в межслоевых промежутках глинистых минера-

лов (монтмориллонита (Na,Ca)

0,33

(Al, Mg)

(OH)

·nH

O и др.).

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической

решетки минералов в постоянном количестве, но при ее удалении

полного разрушения минерала не происходит (например, гипс

CaSO

·2H

O → CaSO

(ангидрит)).

Конституционная вода выделяется при полном разложении

минералов (например, при разрушении слюд).

Для выделения связанных вод из пород и минералов требу-

ются повышенные давления и температуры, которые должны

быть тем больше, чем прочнее связь воды с твердым веществом.

Характеристика связанных вод излагается более подробно в моно-

графии (Крайнов и др., 2004).

Ниже приведена классификация

форм связанной воды в породах (Злочевская, 1985).

I. Вода, связанная в кристаллической структуре минералов

(химическая связь 84–840 кДж/моль; напряженность поверхност-

ного силового поля, оцениваемая «всасывающим давлением» вла-

ги, Р

≥ 10

МПа). Определяется с помощью термического анализа

(удаляется при нагреве выше 200 ºС). Существует в следующих

формах: 1) конституционная (немолекулярная форма – ОН);

2) кристаллизационная (в виде кристаллогидратов и аквакомплек-

сов); 3) координационно-связанная атомами или ионами решетки.

II. Вода, адсорбционно-связанная с поверхностью минера-

лов (физико-химическая и физическая связь 0,42–84 кДж/моль;

= 1–10

МПа; толщина пленки h

= 0,001–0,002 мкм); опреде-

ляется по изотерме адсорбции (Р

= 10–10

МПа); 2) полимолеку-

лярной адсорбции (Р

= 1–10

МПа).

III. Вода переходного состояния (от связанной к свободной).

Характеристики: энергия связи (теплота смачивания) близка к ну-

лю, удерживание в порах осуществляется за счет физико-