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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.54. Схема генетической классификации вод (по А.А. Карцеву)

осадков илы уплотняются, превращаясь в породу. В начале этого

процесса часть вод из уплотняющих илов, выжимаясь, поступает

вновь в водоем, часть проникает в проницаемые породы (пески,

песчаники, известняки).

Процесс уплотнения глин происходит в большом диапазоне глубин.

Наиболее активно глины уплотняются на глубине первых сотен

метров, затем процесс уплотнения замедляется, но продолжается до

глубин 5-6 км. В глинистых сланцах, в которые превращаются глины в

процессе уплотнения, содержание воды не превышает 1 %. Таким

образом, на пути развития от илов до сланцев глинистые породы

теряют до 80-90 % процентов воды, а это значит, что масса этих вод

в осадочных бассейнах огромна.

Песчаники уплотняются вдвое меньше чем глины. То же

характерно и для известняков. Когда воды одновозрастны с

вмещающими породами, их именуют погребенными или

сингенетическими, т.е. образовавшимися одновременно с породами.

Воды, поступающие в коллекторы из уплотняющихся глинистых

толщ, относятся к эпигенетическим водам. В коллекторах они

постепенно вытесняют сингенетические воды, в результате чего

происходит водообмен, т.е. смена вод в пласте. Такой тип

водообмена именуют элизионным. Поскольку осадконакопление с

захоронением вод происходит главным образом в морских

бассейнах, почти все седиментогенные воды по происхождению

относятся к талассогенным (таласс - по-гречески море). В

нефтегазоносных бассейнах основная масса подземных вод

представлена седиментогенными (талассогенными) водными

растворами.

-221

К седиментогенным тесно примыкают возрожденные воды.

Возрожденные воды образуются в результате дегидратации

глинистых минералов. В наибольших количествах эти воды

появляются при перестройке структуры глинистых минералов,

преимущественно при превращении монтмориллонита, содержащего

до 24 % межслоевых вод, в иллит и другие гидрослюды, содержащие

не более 10 % воды. Высвобождающиеся (т.е. возрождающиеся) воды

лишены растворенных веществ и поэтому обладают повышенной

растворяющей способностью. Такое свойство определяется

изменением структуры молекул воды при переходе из химически

связанного состояния в свободное. Возрожденные воды способны

быстро растворять минеральные и органические компоненты

окружающей среды, постепенно сравниваясь в отношении

химического состава с присутствующими там же свободными водами.

Высокая растворяющая активность возрожденных вод играет

большую роль в процессе нефтегазообразования, так как

способствует выносу углеводородов из глинистых толщ и

накоплению их в коллекторах.

Инфильтрогенные воды образуются в результате проникновения

(инфильтрации) вод в уже сформировавшиеся породы, заполненные i

водами иного происхождения. При надземной инфильтрации в породы

проникают дождевые, снеговые, речные воды, т.е. метеогенные. В

зоне развития трещиноватых закарстованных известняков вода может

втекать в трещины и полости в этих породах (инфлюация). Возможно

проникновение паров воды в породы с последующей их конденсацией.

Помимо наземной происходит и подводная инфильтрация, когда вода

всачивается в коренные породы, обнажающиеся ниже уровня водоема

(озера или моря).

Основная масса инфильтрогенных вод формируется за счет

метеогенных. Инфильтрогенные воды, проникнув в породу, под

действием сил гравитации продвигаются вниз по напластованию,

превращаясь в грунтовые, а затем и напорные воды. Постепенно они

вытесняют (частично или полностью) воды, находящиеся в пласте, и

таким образом происходит инфильтрационный водо-обмен.

Инфильтрационная метеогенная вода в самом начале своего

подземного существования маломинерализованная, почти пресная.

По мере продвижения по породам вода обогащается ионами, солями

и газами в результате выщелачивания пород и деятельности

организмов. Важно отметить, что в инфильтрогенных водах

содержатся такие окислители углеводородов, как сульфаты и

кислород. В дальнейшем движение инфильтрогенных вод в глубь

бассейна замедляется, на ее состав начинают влиять физико-

химические процессы, а также смешение с седиментоген-

-222 -

ными водами. Минерализация инфильтрогенных вод постепенно

возрастает, а ионно-солевой и газовый состав их преобразуется.

Эндогенные воды образуются в результате возникновения молекул

воды в горных породах и магматических очагах.

В зоне высоких температур, по В.И.Вернадскому, синтез воды

происходит при следующих реакциях:

СО + ЗУз = НзО + СН4

4СО + 2Н2 = 2Н20 + ЗС + СО (между 900 и 1000°С)

СОз + ЗН2 = СО + НзО +2Н2 (при красном калении)

Химические реакции, при которых образуются молекулы воды,

могут происходить в литосфере и при небольших температурах и

давлениях, например, при разрушении гидрокарбонатов и орга-

нических соединений:

Са(НСОз)2 = СаСОз + CO-i + H-ft

Mg(HC03)2 = MgC03 + С02 + I^O

2СбН1о05=СцН1оОз + С02 + 5Н20

Эти воды могут быть отнесены к литосферным. Они примыкают к

возрожденным водам.

Магматогенные воды образуются при конденсации водяных паров,

выбрасываемых вулканами, из гидротерм и газово-жидких растворов

регионально восходящих потоков, связанных с очагами глубинного

магматизма. Магматогенные воды играют важную роль в истории

развития гидросферы земли, но доля их в массе воды

нефтегазоносных бассейнов сравнительно невелика.

К эндогенным следует отнести и конденсатогенные воды,

образование которых связано с конденсацией паров воды в процессе

формирования (или переформирования) залежей нефти или газа.

Более подробно эти воды рассмотрены ниже.

Формирование солевого и газового состава подземных вод в

нефтегазоносных бассейнах происходит в процессе взаимодействия

вод с породами и за счет химических реакций между минералами

пород и водорастворенными веществами.

А.А. Карцев (1992) тесно связывает гидрогеологические процессы

со стадиями литогенеза. При этом рассматриваются происхождение

доминирующих водных растворов, типичные гидрогеологические

процессы, литогенетические процессы и главнейшие

новообразования минералов. Прослеживая весь комплекс этих

процессов с момента накопления осадков до их погружения на

большую глубину в зону с высокими температурами и давлениями,

можно составить представление об общих закономерностях

формирования подземных вод. Рассмотрим условия формирования

вод с этих позиций.

-223 -

На стадии формирования осадков (диагенез) в бассейне

происходит накопление седиментогенных (преимущественно

талассогенных) вод. Уплотнение илов и превращение их в породу

сопровождается элизионным водообменом. В составе газов

преобладают газы атмосферного происхождения: азот, кислород,

диоксид углерода, гелий, аргон. Но уже идет генерация

биохимического метана.

Водообмен активизирует различные физико-химические

процессы. В результате взаимодействия твердой фазы осадков с

пропитывающими их водными растворами образуются различные

гидроалюмосиликаты, монтмориллонит, идет обмен катионами,

например, 2Na"

" (в растворе) + Са

* (в породе) = Ca

" (в растворе) +

2Na"

" (в породе) или Mg

"'" (в растворе) + Са

" (в породе) = Mg

" (в

породе) + Са

* (в растворе), т.е. Са

* из поглощенного комплекса

переходит в водный раствор, а натрий или магний - в поглощенный

комплекс. В результате обогащения вод кальцием при наличии ионов

хлора начинают формироваться хлоридно-кальциевые воды.

Увеличивается соленость вод.

Отличительной особенностью этой стадии является процесс

десульфирования, обусловленный наличием органических

веществ, окислителей в виде сульфатов и десульфирующих бактерий

(Vibrio desulfuricans и Vibrio thermodesulfurican), Десульфирующие

бактерии относятся к числу анаэробных организмов. С их

жизнедеятельностью связаны процессы восстановления сульфатов и

окисления органических веществ. Изменения в составе вод при

восстановлении сульфатов зависят от количественных соотношений

между растворенными ионами. При избытке сульфата натрия ход

реакции следующий:

Na2SC>4 + 2С + НзО = МазСОз + ti^S +СО^.

В этом случае в воде появляется сода, вода приобретает

щелочность. При участии сульфата кальция реакция может

протекать по схеме:

CaSC>4 + 2С +НзО = СаСОз + H-^S + СОз .

Образовавшийся труднорастворимый карбонат кальция выпадает

в осадок. Реакция восстановления сульфатов в общем виде имеет

следующее выражение: MeS04 + 2С = MeS + 2СОз, где С -

органические вещества, в том числе углеводороды, Me- металлы.

Основное значение процесса десульфирования заключается в

обеднении вод кислородом, окислении органических веществ и в

общем восстановлении вод.

224

При дальнейшем прогибании дна бассейна, повышении геоста-

тической нагрузки за счет накопления покрывающих осадков породы

и насыщающие их воды попадают в зону катагенеза ("ката" -вниз).

Н.Б.Вассоевич в катагенезе выделяет три стадии: прото-, мезо-и

апокатагенез. На стадии протокатагенеза главным

гидрогеологическим процессом является продолжающееся

уплотнение осадков. В элизионной водонапорной системе

геостатического типа образуются супергидростатические

давления, повышается температура до 50-70°С. При

взаимодействии твердой фазы и водных растворов идет процесс

доломитизации по схеме:

MgCl2 + 2СаСОз -> CaMg(CC>3)2 + CaCl2 р-р

порода порода р-р

Таким образом, в подземных водах происходит дальнейшее

повышение содержания хлоридов кальция, продолжаются .процесс

преобразования органического вещества и генерация

углеводородных газов, метана и его гомологов (этана, пропана,

бутана, пентана).

На стадии мезокатагенеза породы погружаются на глубину в

диапазоне от 1,5 до 5,0 км, что сопровождается ростом температуры

с 70 до 180°С. Основным типом водообмена остается элизионный.

Большую роль играет термическая дегидратация глинистых

минералов, приводящая к появлению возрожденных вод и участию

их в водообмене. Эти воды активно растворяют вещество из

окружающей среды и способствуют обогащению водных растворов

металлами (никель, кобальт, молибден, свинец и др.). Наряду с

талассогенными и возрожденными существенную роль начинают

играть и литосферные воды. Это сопровождается образованием

цементов, особенно карбонатных:

СаСОз + СОз + НзО

~г~

По Н.Б.Вассоевичу (1969, 1974), основная масса нефти

генерируется в главную фазу нефтегазообразования в интервале

глубин 2 - 4 км при температурах 70-150°С. Элизионные

водонапорные системы геостатического типа в конце

мезокатагенеза превращаются в термодегидратационные. Воды

циркулируют по трещинам как в коллекторах, так и в покрывающих их

породах. Интенсивно идет генерация метана. На последней

Каналин

-225

стадии катагенеза - в апокатагенезе в условиях, когда температура

превышает 200°С, продолжается термическая дегидратация

глинистых минералов, появляются новые порции возрожденных вод.

Среди минералообразующих процессов следует отметить

серпентинизацию гидрослюд и выпадение преимущественно

кремнистых цементов до полного исчезновения первичной

пористости. Гидротермальные растворы циркулируют по трещинам

и разломам. При дальнейшем погружении осадков (более 7-8 км) и

росте температур (более 250°С) начинается стадия метаморфизма.

При перерыве в осадконакоплении, выходе пород на земную

поверхность (гипергенез) в них происходит инфильтрация

метеогенных вод. Внедрение инфильтрогенных вод приводит к

растворению карбонатов, образованию карста, сульфатредукции.

Вследствие взаимодействия водных растворов и твердой фазы

появляются новообразования - оксиды и гидрооксиды железа

(лимонит, гидрогетит), гипс, опал, каолинит и др. Формируется

инфильтрационная водонапорная система, начинается

инфильтрационный водообмен, ускоряющий выщелачивание пород (и

другие процессы), из пород вытесняются воды иного генезиса

(талассогенные, возрожденные, литосферные). В водоносных пластах

при смешении инфильтрогенных вод, содержащих сульфаты натрия

или гидрокарбонаты натрия, с хлоридно-кальциевыми водами

(седиментогенными) возможно образование цементов в результате

следующих реакций:

2МаНСОз + СаС1з = СаСОз + 2NaCl + Н^О + СОз осадок

Na2S04 + СаС1з + 2Н-г,° = 2NaCl + CaS04 • 2НзО

осадок

Таким образом, в процессе формирования подземных вод неф-

тегазоносных бассейнов существенное значение имеют как периоды

накопления осадков и процессы их сопровождающие, так и перерывы

в осадконакоплении, когда происходят регрессия моря, выход пород

на земную поверхность и внедрение в уже сформировавшиеся

породы инфильтрационных маломинерализованных вод.

Такие периоды в гидрогеологической истории нефтегазонос-ного

бассейна относятся в первом случае к элизионному и во втором - к

инфильтрационному этапам. Элизионный и инфильтрационный этапы

составляют гидрогеологический цикл. В зависимости от условий

тектонического развития региона в

-226

Минерализаци

я, г/л

200 зоа чаа

soo

Рис.55. Изменение минерализации подземных вод в вертикальном

разрезе нефтегазоносных бассейнов (по Ю.П. Гаттенбергеру):

1 - Западная Сибирь (запад); 2 - Западная Сибирь (центр и восток); 3 -

Вилюйский бассейн; 4 - Азербайджан; 5 - Западное Предкавказье; 6 -

Восточное Предкавказье; 7 - Южный Мангышлак; 8 - Днепровско-

Донецкий бассейн (центр); 9 - Днепровско-Донецкий бассейн (юго-

восток); 10 - Волго-Уральский бассейн (фон); 11 - Волго-Уральский

бассейн (районы развития соленосных пермских отложений); 12 -

Припятская впадина; 13 - Ангаро-Ленский бассейн (масштаб по

горизонтали сокращен в 2 раза, т.е. 300 г/л на шкале соответствуют

600 г/л и т.д.)

гидрогеологической истории водоносных комплексов могли иметь

место один или несколько гидрогеологических циклов, что и

определяло направленность процессов формирования подземных вод

нефтегазоносных бассейнов.

Выше рассмотрена лишь общая схема формирования химического

и газового состава водных растворов, которая усложняется геолого-

климатической обстановкой и прежде всего наличием в разрезе

осадочных бассейнов соленосных отложений. В нефтегазоносных

бассейнах, в разрезе которых имеются соленосные толщи,

распространены рассолы, преимущественно в его нижней части

(Иркутский, Прикаспийский и др.). Если соленосных толщ в разрезе

бассейна нет, минерализация подземных вод значительно ниже

(рис.55).

15* -227

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (к главе 8)

1. Какие виды вод относятся к остаточным ?

2. Какие минералы содержат максимальное количество воды ?

3. Каков механизм дренирования водоносных горизонтов ?

4. Каково строение молекул воды ?

5. Как изображается химический состав воды ?

6. Зачем определяют приведенные давления в водоносных

пластах ?

7. Каковы причины изменения геотермических градиентов в земной

коре?

8. Какова роль подземных вод в формировании теплового режима

Земли?

9. Знание каких факторов дает основание для экстраполяции

температур на заданную глубину?

10. Каковы особенности инфильтрационных и эксфильтрационных

природных водонапорных систем ?

11. Какие генетические типы вод характерны для

нефтегазоносных бассейнов ?

Глава '7

Нефтегазопоисковая гидрогеология

9.1. Гидрогеологические условия формирования, сохранения и

разрушения залежей нефти и газа

Водные растворы играют ведущую роль в формировании,

сохранении и разрушении залежей нефти и газа, так как все эти

процессы происходят в подземной гидросфере. Этой проблеме

посвящена огромная литература. Особенно большое внимание

уделяется вопросам первичной миграции и аккумуляции

углеводородов (Г.И.Адамс, И.М.Губкин, И.О.Брод, Н.Б.Вассоевич,

А.А.Карцев, Л.Н.Капченко, С.Г.Неручев и многие другие).

Под первичной миграцией обычно понимают перемещение нефти и

газа из нефтегазогенерирующих толщ, сложенных

слабопроницаемыми, преимущественно глинистыми осадками, в

-228

пласт-коллектор • (песчаники, известняки). Первичная миграция

происходит в эксфильтрационных геогидродинамических системах

при компрессии глинистых толщ и перетоке элизионных вод и

растворенных в них углеводородов в пласты-коллекторы. Чем больше

элизионных вод поступает в коллектор и чем интенсивнее элизионный

водообмен, тем большее количество углеводородов накапливается в

водоносных пластах. Этот процесс происходит в интервале глубин 1-6

км, но наиболее активно - на глубинах 2-4 км на стадии

мезокатагенеза в главной зоне нефтегазообразования. Особую роль

при этом играют возрожденные воды, образующиеся при

дегидратации глинистых минералов. Возрожденные воды обладают

аномально высокой растворяющей способностью и поэтому активно

влияют на вынос (эмиграцию) главным образом нефтяных

углеводородов из нефтегазопроизводящих толщ в коллекторы.

Под вторичной миграцией понимается перемещение нефти и газа

по коллекторским пластам с последующим образованием их залежей.

Роль подземных вод при миграции нефти и газа уже в коллекторах

значительна. Вторичной миграции способствуют различные факторы

и в том числе возможность переноса нефти в виде микроэмульсий, в

составе двух и трехфазных потоков и т.д.

Активизации всплывания углеводородов в водонасыщенной среде

коллекторов способствуют также сейсмические колебания,

увеличивающие скорость и масштабы миграции и аккумуляции нефти

и газа.

Как уже отмечалось, залежи нефти и газа формируются в

эксфильтрационных водонапорных системах, где на фоне прогнутых

участков с более высокими геостатическими давлениями

(пьезомаксимумы) имеются поднятия, характеризующиеся

меньшими величинами геостатической нагрузки (пьезоминимумы).

Пьезомаксимумы рассматриваются как зоны

нефтегазообразования, а пьезоминимумы, характеризующиеся

отставанием в накоплении пород, меньшей мощностью осадочных

отложений, в сторону которых направлена миграция флюидов,

относятся к зонам нефтегазонакопления. В локальных структурах, к

которым двигаются потоки седиментогенных вод, происходит

медленная скрытая разгрузка через водоупорную кровлю.

Создающийся дефицит давления способствует подтоку новых порций

воды, из которой выделяются нефтяные углеводороды. Выделению

нефти из водных растворов и образованию залежей способствуют

такие факторы, как изменение каналов при переходе микропор в

макропоры, молекулярное просеивание (ситовой эффект) и т.п.

-229