Каналин В.Г., Вагин С.Б. Нефтегазопромысловая геология

Подождите немного. Документ загружается.

По характеру выходов на поверхность земли источники

подразделяются на:

а) нисходящие;

б) восходящие.

Нисходящие источники образуются при разгрузке грунтовых вод.

Восходящие представляют собой естественные выходы напорных

вод. Обычно источники характеризуются по дебиту, режиму и

температуре. Дебит, т.е. объем воды, поступающий из источника в

единицу времени, свидетельствует об интенсивности' разгрузки вод.

По дебиту источники вод подразделяются на: малодебитные, дебит

которых менее 1 литра в секунду (л/с), среднедебитные - 1-10 л/с,

высокодебитные -более 10 л/с.

Большое количество источников обычно характерно для

горноскладчатых районов (Кавказ, Карпаты, Альпы и др.), где чаще

всего встречаются высокодебитные источники, приуроченные к

трещиноватым и закарстованным породам. Примером

высокодебитного источника, приуроченного к трещиноватым

карбонатным породам, может служить источник Воклюз. Во Франции в

Альпах есть Воклюз-плато, сложенное трещиноватыми известняками,

доломитами и мраморами. Вода источника Воклюз выходит из грота и

дает начало р. Сорг. Среднегодовой дебит источника составляет 30

м3/с, а максимальный дебит достигает 150 м3/с. Еще больший дебит

источника в Югославии - 170 м3/с, а также источника Мчишта в

Абхазии - 200 м3/с. Этот перечень можно было бы продолжить и

отметить значительное количество высокодебитных источников в

горных районах, но все же высокодебитные источники представляют

собой сравнительно редкое явление. Подавляющую массу

составляют среднедебитные и малодебитные источники. И все же в

сумме они приводят к разгрузке огромных объемов вод, а это ведет в

свою очередь, к интенсивному водообмену в массивах горных пород.

По режиму функционирования источники разделяются на:

а) постоянно действующие;

б) сезонно действующие;

в) ритмически действующие.

По температурной характеристике источники могут подразделяться

(по классификации К.Ф. Богородицкого) на следующие группы и

подгруппы (табл. 9).

186

. Таблица 9 Классификация природных

вод по температуре

Группа вод

Подгруппа вод

Температура

Холодные

Переохлажден

ные Очень

<0 0-10 10-20

Низкотермальн

ые

Теплые

Горячие

20-37 37-50

Высокотермаль

ные

Очень горячие

Перегретые

50-100 >100

Источники подземных вод в ряде случае связаны с нефтегазовыми

месторождениями, так как принадлежат к единой водонапорной

системе. В результате разработки залежей углеводородов (УВ),

когда из пласта отбирается большое количество нефти и воды и

образуется обширная воронка депрессии, происходит падение

дебитов источников, • а нередко и их исчезновение. Подобное

явление отмечено Г.М. Сухаревым (1956) в Терско-Сунженской

нефтегазонос-ной области, где в результате эксплуатации нефтяных

месторождений иссякли Мамакай-Юртовские, Горячеводские и другие

источники.

8.2. Основы гидрогеохимии

Гидрогеохимия - раздел гидрогеологии, в котором изучаются:

ионно-солевой и газовый составы природных вод, органические

вещества и коллоиды.

Многие химические свойства и особенности воды обусловлены

строением ее молекулы. По современным представлениям в мо-

лекуле воды атомы кислорода и водорода как бы приурочены к

вершинам равнобедренного треугольника. При этом атом кислорода

связан с двумя значительно меньшими атомами водорода. Это

приводит к ее поляризации. Из десяти имеющихся электронов два

расположены непосредственно у кислорода, восемь образуют четыре

вытянутые электронные орбитали. Оси двух из этих орбита-лей

направлены вдоль связи 0-Н, а двух других лежат приблизительно в

плоскости, идущей через ядро кислорода перпендикулярно к

плоскости Н-О-Н. Электроны движутся в пределах орби-талей

попарно. С протонами водорода, находящимися внутри двух

орбиталей, связаны два полюса положительных электрических за-

187

рядов воды. Электроны, располагающиеся на двух других орбитах,

представляющих неподеленные пары, создают два полюса отри-

цательных зарядов той же молекулы. Существование неподеленных

электронных пар приводит к образованию двух водородных связей.

Две другие водородные связи возникают за счет двух водородных

атомов. Поэтому каждая молекула воды в состоянии образовать

четыре водородные связи (рис. 40).

Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода,

связанный с каким-то ионом другого элемента, способен

электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой

молекулы. В силу этого молекулу воды можно уподобить тетраэдру,

два угла которого заряжены положительно, а два отрицательно.

Таким образом, молекула воды представляет собой электрический

диполь. Угол связи в молекуле воды, образованный двумя атомами

водорода (Н-О-Н), равен 104,5°.

Разноименные полюса диполей притягиваются друг к другу, чем

обусловливается образование более сложных агрегатов, таких как

дигидроль (НзО);?, тригидроль (Н20)з и т.д. С ростом температуры и

переходом воды в парообразное состояние сложные агрегаты

распадаются на более простые, а те в свою очередь на одиночные

молекулы. Жидкая вода состоит из более или менее упорядоченных

молекул, приближающихся по своему строению к кристаллической

решетке. Для льда наиболее устойчивой структурой является

тетраэдры, построенные из гидролей. Эти тетраэдры объединены в

гексагональную решетку (рис.41), рыхлую и ажурную, поэтому

плотность льда меньше плотности жидкой воды.

В силу особенностей строения молекул воды и наличия водородных

связей вода обладает целым рядом аномальных свойств:

высокой диэлектрической постоянной (87,74 при 0°С), расширением

при замерзании, сильными растворяющими свойствами, высокой

скрытой теплотой испарения и плавления и т.д. На структуру воды

влияет также магнитное поле, меняя ее свойства. "Омагниченная"

вода используется для снижения накипи в котлах, для закачивания в

пласты при разработке нефтяных месторождений. При ее закачке в

пласт снижается солеобразование в трубах, улучшаются

нефтевымывающие свойства вод и т.д. После-прекращения действия

магнитного поля некоторое время эти свойства сохраняются. Это

объясняется особенностями внутренней структуры воды.

Молекулы воды состоят из водорода, представленного тремя

изотопами (протий +

]-!; дейтерий SH, или Д; тритий SH, или Т), и

кислорода, имеющего семь изотопов (^О-^О). Преобладают в

- 188 -

Рис.40. Модель молекулы воды:

а - схема тетраэдрического характера водородной связи в воде; б -

угол связи в молекуле воды; в - образование диполями воды

ассоциированных молекул (дигидроля, тригидроля)

Рис.41. Гексагональная структура льда

воде ^Н и ЧбО. Дейтерий и тритий содержатся в обычной воде в

незначительных количествах. Подавляющее количество изотопов

кислорода представлено изотопами ^О, меньше изотопов ^О и

ничтожно мало изотопов ^О. Кроме тяжелой воды ДзО известна и

сверхтяжелая вода Т^О.

- 189 -

Вода - хороший растворитель различных солей, газов и коллоидов.

В настоящее время в подземных водах обнаружено более 86

элементов периодической системы. Такое разнообразие химического

состава подземных вод обусловлено их геологической историей и

постоянным взаимодействием с веществом земли. В физико-

химическом отношении природные воды - это растворы солей, газов и

коллоидов. Соли как правило, являясь электролитами, при

растворении в воде распадаются на ионы: отрицательно заряженные

- анионы, положительно заряженные - катионы. Растворы солей -

электролиты проводят электрический ток. Вещества - неэлектролиты

при растворении в воде распадаются на нейтральные молекулы,

давая истинные растворы, или на агрегаты молекул, образуя

коллоидные растворы. В природных водах содержание коллоидов

невелико по сравнению с содержанием растворенного ионно-солевого

комплекса.

В наибольших количествах в подземных водах встречаются шесть

главных ионов: анионы Cl-, S04

', НСОз" и катионы Na"

Са

"*", Mg

". Эти вещества, определяющие химический тип воды,

относятся к макрокомпонентам, или макроэлементам.

В значительно меньших концентрациях распространены СОз

-, К."

", Fe

", и Fe

". Элементы, встреченные в незначительных

количествах, называются микроэлементами, или микро-

компонентами. Из их числа наибольший практический интерес

представляют ионы и I-, Br , Li

", Sr

"*" и др.

Суммарное содержание в воде растворенных ионов, солей и

коллоидов характеризует степень минерализации воды.

Минерализация обычно выражается в граммах на 1 кг раствора или на

1 л раствора.

По ГОСТу воды с минерализацией до 1 г/кг относятся к пресным, от

1 до 25 г/кг к солоноватым, от 25 до 50 г/кг к соленым и при

минерализации более 50 г/кг к рассолам. Минерализация природных

вод колеблется в широких пределах - от долей грамма на 1 кг до

сотен граммов на 1 кг.

Растворенные газы находятся во всех подземных водах. Наиболее

распространены такие газы, как азот N2, диоксид углерода

(углекислый газ) СОз, метан СН4. Кроме этих основных газов в

подземных водах растворены такие газы, как кислород 0^,

сероводород H^S, аргон Аг, гелий Не, этан С^Н^, пропан СзН@, бутан

С4Ню. Этан, пропан, бутан, т.е. углеводородные газы, обычно связаны

с нефтегазоносными отложениями. Газы находятся в водах в виде

молекулярных растворов. Такие газы,

- 190

как диоксид углерода СОз и сероводород HzS, образуют с ионно-

солевыми компонентами равновесные системы.

Объем газа (измеренный в нормальных условиях - при давлении

760 мм рт. ст. и температуре 20°С), растворенного в единицах объема

воды, называют газонасыщенностью воды. Она представляет собой

сумму объемов всех растворенных газов и выражается в смЗ/л,

смЗ/см

или м3/м

Давлением насыщения (упругостью) растворенного газа

называется то давление, при котором весь газ находится в

растворенном состоянии. Упругость растворенного газа равна объему

растворенного газа, деленному на коэффициент его растворимости.

Эта зависимость, отвечающая закону Генри, имеет применение лишь

при упругости менее 5 МПа, так как растворимость газов с ростом

давления увеличивается не прямо пропорционально. При сложном

составе растворенных газов и высоких давлениях насыщения

существует более сложная зависимость.

Коэффициент растворимости газа зависит от минерализации воды

в соответствии с уравнением Сеченова:

снижается по мере увеличения минерализации. При росте температур

примерно до 100°С растворимость газов уменьшается, при более

высоких температурах увеличивается.

Схем классификаций растворенных в подземных водах газов много.

Они предложены разными исследователями. (И.С. Старобинцем,

В.И. Ермаковым, В.И. Старосельским и др.). Л.М. Зорькин (1973) в

классификации растворенных в пластовых водах газов по их составу

выделяет четыре класса:

1) углеводородный (метановый), в случае, если С„Н„, >50 %;

2) азотный, когда азота > 50 %;

3) углекислый, когда СОз + Из

4) углекисло-азотно-метановый.

В каждом классе выделяется тип газа по содержанию компонентов.

В природных водах литосферы встречаются разнообразные

органические вещества. Они находятся в растворе в ионной,

молекулярной, коллоидной формах, а также в виде

микроэмульсии. Из органических соединений в водах земной коры

встречаются: жирные кислоты, нафтеновые кислоты, фенолы, бензол,

толуол, азотосодержащие и фосфорсодержащие вещества,

аминокислоты и некоторые другие. Для нефтегазовой гидрогеологии

наибольший интерес представляют углеводороды (УВ) и жирные

кислоты. Из жидких УВ наиболее распространены ароматические -

бензол и его гомологи (толуол, ксилолы),

- 191 -

имеющие поисковое значение. Общее содержание органических

веществ может быть охарактеризовано величиной Сорг. По данным

В.М. Швеца (1982), среднее

содержание Сдрг (мг/л): в грунтовых водах - 25, в пластовых водах

продуктивных горизонтов нефтяных месторождений - 110, в

приконтурных водах нефтяных месторождений - 370, в приконтурных

водах газоконденсатных месторождений - 800.

Из химических свойств воды к наиболее значимым относятся

щелочно-кислотные свойства и жесткость.

Щелочно-кислотные свойства воды определяются содержанием в

воде водородных (Н*) и гидроксильных (ОН-) ионов. Кислотные

свойства водного раствора определяются действием водородных

ионов, а щелочные - гидроксильных. Поэтому количественно степень

кислотности водной среды может быть охарактеризована

концентрацией или активностью иона Н\ а степень его щелочности -

концентрацией или активностью ионов ОН". Общие кислотно-

щелочные состояния водного раствора условно характеризуются

концентрацией или активностью водородных ионов, выраженной

величиной рН, которая равна -lg(H"

"). При рН = 7 реакция

нейтральная. В кислотной среде рН < 7, в щелочной рН > 7. рН

подземных вод изменяется в пределах от 6 до 8,5.

Жесткость воды зависит от содержания растворенных солей

кальция и магния. Выделяют общую, устранимую и постоянную

жесткость. Общая жесткость определяется суммарным

содержанием хлоридов, сульфатов и гидрокарбонатов Са

* и Mg

"*".

Устранимая жесткость соответствует содержанию Са(НСОз)2 и

Mg(HC03)2 , которые при кипячении выделяют осадок (СаСОз и

MgC03). Постоянная жесткость представляет собой содержание

хлоридов и сульфатов кальция и магния.

В настоящее время жесткость определяют и выражают по

содержанию в воде кальция и магния в ммоль/г или мг-экв/г.

Из физических свойств природных вод основными являются

плотность, вязкость, сжимаемость, электропроводность,

радиоактивность, температура.

Плотность - отношение массы вещества к его объему. Плотность

химически чистой воды при температуре 4°С равна 0,999973 г/см

. Но

обычно ее принимают равной 1 г/см

Под относительной плотностью(р4

) понимается отношение

плотности вещества при температуре 20°С к плотности

-192

дистиллированной воды при температуре 4°С. Плотность природных

вод возрастает с увеличением степени минерализации. Обычно

плотность природных вод колеблется в пределах 1-1,4 г/см

Плотность воды зависит от температуры. Эта зависимость

определяется коэффициентом объемного теплового расширения а ,

показывающим, какую часть первоначального объема тела при 0°С

составляет изменение объема при изменении температуры на 1°С .

При увеличении температуры от 0 до 4°С вода уменьшается в

объеме, а при дальнейшем ее росте неравномерно увеличивается.

Коэффициент объемного расширения воды составляет, 1/град: в

интервале 4-10 °С - 6,5-Ю-

, в интервале 10-20°С - 15-Ю-

, в

интервале 65-70°С - 58-10-5. Кроме того, с повышением давления

вода несколько сжимается.

Вязкость - свойство природных вод, обусловливающее при

движении возникновение силы трения. Вязкость воды зависит от

температуры и минерализации: она возрастает с ростом

минерализации и уменьшается с повышением температуры..

Сжимаемость вод определяется как изменение ее объема под

действием давления. Коэффициент сжимаемости /?

показывает, насколько уменьшается объем воды при увеличении

давления на одну единицу. Коэффициент сжимаемости зависит от

температуры, содержания водорастворенных газов и химического

состава воды.

Сжимаемость воды с растворенным газом приближенно

вычисляется по формуле:

/^-/? (1+0,05(7),

где G - газонасыщенность.

В недрах под действием давления объем жидкостей уменьшается.

Для оценки суммарного воздействия этих факторов используется

объемный коэффициент пластовой воды b -отношение удельного

объема жидкости Рдл

пластовых условиях к удельному объему V^

той же жидкости при давлении 100 кПа и температуре 20°С : b =

V^IV^. Природные воды характеризуются

объемными коэффициентами порядка 1-1,2.

Электропроводность подземных вод имеет важное значения для

геофизических исследований. Электропроводность и электрическое

сопротивление зависят от химического состава подземных вод и

минерализации. О величине электропроводности

Каналин

- 193

можно судить по удельному электрическому сопротивлению, т.е.

сопротивлению в омах такого проводника электрического тока, длина

в сечение которого равны единице. При геофизических исследованиях

за единицу удельного сопротивления берут 1 Ом-м. Подземные воды

характеризуются величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1

Ом-м. С увеличением температуры и минерализации удельное

сопротивление уменьшается.

Радиоактивность природных вод определяется наличием в них

радиоактивных элементов - радия, радона, урана. К радиоактивным

относятся воды, содержащие радия более 1- Ю-

г/л, урана более 3-

10-5 г/л, радона более 1,5 10-20 БК. В водах нефтеносных пластов

нередки случаи повышенной радиоактивности.

Для изучения ионно-солевого состава подземных вод используются

различные виды химических анализов.

Общий анализ позволяет судить о химизме воды. Он включает

определение шести основных ионов: Cl-, S04

-, НСОз', Ca

Mg2-*-, Na"

". Натрий обычно определяется по разности в содержании

трех анионов и двух катионов: кальция и магния. Анализ, включающий

определение этих шести ионов, плотности и рН воды, называют

стандартным анализом.

В нефтегазовой гидрогеологии к стандартному комплексу

добавляется определение йода, брома, аммония, бария, стронция,

железа, алюминия, органических кислот и их солей и некоторых

других.

Из специальных анализов подземных вод следует отметить:

санитарный, бактериологический, бальнеологический, различные

технические анализы. Санитарный анализ производится для оценки

пригодности воды для питьевых целей, технические анализы - для

определения пригодности воды, например, для закачки ее в пласт при

заводнении, для использования воды в различных парокотельных

установках, бактериологический - для установления видов бактерий и

их количества. Наиболее полным является бальнеологический

анализ, предназначенный для оценки лечебных свойств воды. К

комплексу стандартного анализа в нем добавляется изучение газовых

и радиоактивных компонентов, микрокомпонентов и т.д.

Анализы вод производятся как в полевых, так и в стационарных

условиях в гидрохимических лабораториях. Результаты анализа вод

принято изображать в трех формах: масс-ионной, ионно-

эквивалентной и процент-эквивалентной.

Масс-ионная форма - выражение состава воды в единицах массы

отдельных ионов. Масс-ионную форму пересчитывают в

194