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

Подождите немного. Документ загружается.

ионно-эквивалентную путем деления величин содержания ионов,

выраженных в граммах или миллиграммах, на величину эквивалента

иона. Эквивалентом иона называется частное от деления ионной

массы на валентность.

Ниже приведены величины эквивалентов основных ионов:

Наличие перед химическим символом буквы г означает, что

содержание данного элемента выражено в ионно-эквивалентной

форме. Если анионы и катионы даны в ионно-эквивалентной форме,

то по принципу электронейтральности 2/к = Z^a Используя это

равенство и имея данные о содержании в воде пяти ионов, можно

найти содержание шестого иона. Так определяется содержание

натрия:

г Na = 2>а - (

' +rMg

)

Процент-эквивалентная форма показывает относительную долю

каждого иона в общей сумме растворенных ионов. Общая сумма всех

ионов, взятых в эквивалентной форме, приравнивается к 100 %, а

сумма катионов, равная сумме анионов, составляет 50 %.

Процент-эквивалентная форма позволяет применять различные

способы изображения химического состава воды. К числу таких

способов принадлежит формула, предложенная гидрогеологом М.Г.

Курловым. Она представляет собой псевдодробь, в числителе

которой указывают содержание в процент-эквивалентах анионов, а в

знаменателе - катионов. Ионы записывают по убывающим величинам.

Ионы, содержащиеся в количестве менее 1 %,не указывают. Перед

Ионы

сг

so^~

НСОз

COJ"

Na'

Mg-2+

Эквивале

нт 35,476

(35,5)

48,03 (48)

61,00

30,00

22,997

(23)

20,035

(20)

12,16(12)

дробью перечисляют основные компоненты состава растворенных

газов и величину

13* - 195 -

Рис.42. Способы изображения результатов химического и газового

состава вод:

а - формула Курлова; б - график-круг Толстихина; в - график-круг

газового состава вод

минерализации в граммах на литр, за дробью проставляют

температуру, содержание микрокомпонентов в мг/л и т.д. (рис. 42, а).

Из графиков, характеризующих ионно-солевой и газовый составы

вод, наибольшим распространением пользуются круговые

диаграммы. Примером может служить график - круг Толстихина (рис.

42, б). Минерализация воды обычно соответствует радиусу круга,

взятому в определенном масштабе.

Принимая эквивалентное содержание суммы анионов и катионов

соответственно за 100 %, можно найти процентное содержание

каждого иона. Такие графики удобны для нанесения анализов вод на

карты и профильные разрезы. При помощи графиков-кругов можно

изображать и газовый состав вод (рис. 42, в). Радиус круга в

определенном масштабе будет изображать общую газонасыщенность,

а секторы - процентное содержание каждого газа.

Большое разнообразие химического состава природных вод

вызвало необходимость систематизации многочисленных данных и

создания химической классификации. За основу классификации

исследователи принимали различные признаки и показатели состава

вод, поэтому универсальной классификации пока не существует.

Среди наиболее известных - классификации Ч. Пальмера, Ч. Кларка,

В.И. Вернадского, С.А. Щукарева, О.А. Алекина, В.А. Сулина, Н.И.

Толстихина, Л.С. Балашова, М.Г. Валяшко и др.

196

В нефтегазовой гидрогеологии широко распространена

классификация В.А. Сулина. В ней все природные воды

подразделяются на четыре типа по характерным соотношениям

между главнейшими ионами и затем на группы и подгруппы по

признаку преобладания различных анионов и катионов. Характерные

отношения между ионами, положенные в основу классификации,

выражаются тремя коэффициентами, названные генетическими:

Таб-лица 10

Классификация вод по В.А. Сулину

Тип вод rN^ yNa

гС\~

rCl' - г^

fC\~ rS04

" rMg~

Гидрокарбонатно-

натриевый

Сульфатно-

>1 >1

<1 <1

>1 <1 <1 >1

Каждый тип делится на три группы по преобладающему аниону

(хлоридную, сульфатную или гидрокарбонатную). По преоблада-

ющему катиону группы делятся на подгруппы: натриевую, магниевую и

кальциевую; однако подгруппа выделяется только в том случае, если

преобладающий катион дает основную солевую массу с

преобладающим же анионом.

Типы вод называют генетическими, потому что они приблизительно

отвечают определенным обстановкам существования природных вод.

Так, сульфатно-натриевый и гидрокарбонатно-натриевый типы

отвечают континентальной обстановке формирования вод, хлоридно-

магниевый - морской, хлоридно-кальциеьый тип - глубинной.

Такое соответствие справедливо лишь в самых общих чертах.

197

rNa

?С1

rNa - rCl rCl - rNa

С помощью этих

коэффициентов генетических

типа вод (Табл. В.А. Сулину

соответствует определенная

вания вод.

rMg

выделяются

четыре 10),

которым по

обстановка

формиро-

8.3. Основы гидрогеомеханики

Подземные воды - наиболее .динамичная часть литосферы. Все

процессы, происходящие в земной коре, так или иначе влияют на

перемещение подземных вод. В свою очередь, движение вод в

породах влияет на геологические и физико-химические процессы,

происходящие в недрах, поэтому горные породы с заключенными в

них водами представляют собой единую систему, элементы которой

тесно связаны между собой. Различные виды движения подземных

вод можно выделять по нескольким признакам. Так, движение

капельножидкой воды в породах происходит главным образом в

форме фильтрации, представляющей собой механический процесс

течения свободной жидкости в пористо-трещинной среде.

Рассмотрение такого процесса является предметом изучения

механики подземных вод, т.е. гидрогеомеханики. С учетом того, что

все подземные воды представляют собой растворы, разные по

химическому составу и плотности, движение жидкости может

осуществляться и за счет естественной конвекции, обусловленной

наличием градиента их плотности внутри жидкости и за счет

молекулярной диффузии, происходящей в результате влияния

градиента концентрации веществ внутри раствора.

Вопросы, связанные с влиянием физико-химических факторов на

движение жидкостей, рассматриваются физико-химической

гидродинамикой.

С позиции гидрогеомеханики различают турбулентное и

ламинарное движение. Турбулентное движение характерно в

основном для карстовых вод. Ему свойственны беспорядочность

движения струй, пульсация, активное гидравлическое

перемешивание, возникающее при больших скоростях потоков. Такой

тип движения присущ подземным потокам в карстовых полостях

карбонатных пород в горных массивах, например, таких, как Альпы,

Пиренеи, Кордильеры и др.

Основной вид движения свободных подземных вод -ламинарная

фильтрация, подчиняющаяся закону Дарси. А. Дарси - французский

ученый, перед которым в пятидесятых годах прошлого столетия

поставили задачу обеспечения города Дижона подземной водой. Так

как вода быстрой реки Роны сильно взмучена и для ее очистки

требовались большие затраты в связи с сооружением фильтров и

отстойников, возникла мысль воспользоваться для водоснабжения

города подрусловыми водами из аллювиальных отложений. Но, чтобы

- 198 -

обеспечить строительство водопровода, необходимо было подсчитать

количество воды, протекающее в единицу времени через сечение

подрусловой части реки, т.е. расход воды. Для этого А. Дарси

проводил опыты на трубках, набитых песком, через которые

пропускал воду при различных перепадах давления. На основании

проведенных экспериментов им была выведена зависимость,

получившая название закона Дарси:

где Q - расход потока; А-д, - коэффициент фильтрации; F - площадь

поперечного сечения фильтрующей среды; А Н - перепад напоров; A L

- длина участка фильтрационного потока.

Поток воды в опытах А. Дарси проходил в довольно однородной

среде, т.е. в трубах, набитых • хорошо отсортированным песком.

В реальных условиях трещинно-поро-вое пространство горных пород

характеризуется сложным строением. Его геометрия меняется в

водоносных пластах и по площади, и по разрезу, поэтому изучение

фильтрационного потока представляет большие трудности. В этой

связи под фильтрационным потоком принято считать условный поток

жидкости через пористую среду (породу).

Хотя реальный поток идет только по открытым

(сообщающимся) порам и трещинам, условно допускается, что

фильтрационный поток идет через всю породу. К элементам

фильтрационного потока относятся пьезометрический напор,

напорный градиент, линии напоров, линии тока, скорость фильтрации

и расход потока.

Пьезометрический напор подземных вод:

Н= +Z,

Р8

где р - гидростатическое давление в данной точке потока;

р- плотность воды; Z - высота данной точки потока над выбранной

плоскостью сравнения; g - ускорение свободного падения.

Отношение у , или hp , называется пьезометрической

высотой. Это высота, на которую должна подняться вода над данной

точкой потока под влиянием гидростатического давления р

- 199

7, Рис.43. Графическое

изображение пьезометри-

в данной точке (рис.43). В случае грунтового потока /;„ равна

глубине погружения данной точки от зеркала грунтовых вод.

Почти все пласты в земных недрах залегают с определенным

наклоном. Поэтому, чтобы производить расчеты по формуле Дарси,

необходимо напоры вод, отражающие гидростатические давления в

пласте, привести к условно выбранной плоскости сравнения.

Таким образом, напор будет равен сумме пьезометрической (hp) и

геометрической (Z) высот над условно выбранной

плоскостью сравнения.

Гидравлический уклон (напорный градиент) - величина падения

напора на единицу длины по направлению фильтрации:

;•= АН/ • /AL •

Подставляя это обозначение, формулу Дарси можно записать таким

образом:

Q=k^H.

Напоры в пределах потока распределены в соответствии с

положением пьезометрической поверхности. Поверхности,

обладающие во всех точках равными напорами, называются

поверхностями равных напоров. Следы сечения этих

поверхностей горизонтальными плоскостями - линии равных напоров.

Проекция этих последних на горизонтальную плоскость -

гидроизопьезы(для грунтовых вод - гидроизогипсы). Линии токов

направлены по отношению к гидроизопьезам под прямым углом.

-200

Скорость, фильтрации можно получить, разделив величину расхода

потока на площадь поперечного сечения фильтрующей среды:

г=^фг.

Следовательно, скорость фильтрации равна произведению

коэффициента фильтрации на гидравлический уклон. Как видно из

формулы, закон Дарси указывает на линейную зависимость расхода

фильтрационного потока от гидравлического градиента. Параметром

этой линейной зависимости является коэффициент фильтрации (&:ф),

который зависит как от свойств горной породы,

так и от свойств фильтрующейся жидкости. Свойства фильтрующей

среды учитываются с помощью коэффициента проницаемости ^пр и

вязкости ^. Физически коэффициент

фильтрации отражает работу сил трения при движении в пористой

среде. Коэффициент фильтрации прямо пропорционален

проницаемости фильтрующей среды и обратно пропорционален

вязкости фильтрующейся жидкости:

k^V. Ф //л

Закон Дарси можно выразить следующим образом:

^'np/

V = —•—I.

Среди вод земной коры есть как пресные, так и минерализованные

и рассолы. И пресные, и минерализованные воды, и рассолы могут

находиться в пределах одного водоносного пласта, одного

фильтрационного потока. Таким образом, фильтрующаяся жидкость в

пределах одного фильтрационного потока может быть неоднородной

по составу и свойствам. Из формулы Дарси следует, что скорость

фильтрации обратно пропорциональна вязкости жидкости. Известно,

что вязкость природных вод и рассолов прямо пропорциональна их

минерализации. Поэтому скорость фильтрации минерализованных

вод и рассолов при прочих равных условиях меньше скорости

фильтрации пресных вод. Неоднородность свойств жидкости в

пределах фильтрационного потока необходимо учитывать и при

расчете пьезометрического напора и напорного градиента.

Если иметь дело только с пресными водами, имеющими плотность,

равную единице, то можно принимать пьезометри-

-201

Плоскость сравнения

Рта? ГПг F^q.?

Рис.44. Схема расчета приведенных давлений:

1 - водоносный пласт; 2 - инфильтрация; 3 - направление движения

вод; 4 - залежь нефти

ческие высоты равными числено гидростатическим давлениям и

непосредственно по статическим уровням в скважинах строить карты

гидроизопьез и рассчитывать скорость фильтрации. Но для

минерализованных вод и рассолов с плотностью выше единицы, и к

тому же различной в разных точках пласта, такой подход приведет к

ошибкам в расчетах. Для исключения влияния неоднородностей

жидкости определяют приведенный напор или приведенное давление.

Существуют несколько методов расчета приведенных давлений

(методы А. И. Силина-Бекчурина, В.В. Ягодина, И.К. Зерчанинова и

др.).

Наиболее распространен метод А. И. Силина-Бекчурина. Им

предложена следующая формула:

/I, -.- Л +Ph ^ . Рпр =(^Р1 + ~Y~

!),?'

где hi - статический уровень в скважине; р\ - плотность воды в

скважине; pf, - плотность воды на выбранной плоскости сравнения; Z\

- высота забоя скважины над плоскостью

сравнения; g - ускорение свободно падающего тела.

Эта формула выведена для условия прямолинейного изменения

плотности воды с глубиной.

На рис. 44 показана схема расчета приведенных давлений. В

первой скважине Дщ] = (}\ р\ +

р\

—

- Z; )g, во второй скважине

-202