книги / Нефтегазовая гидрогеология
..pdfВ последние годы в криолитозоне открыты и разрабатываются многочисленные месторождения нефти и газа. Особенности мерз лой толщи сказываются на физико-химических свойствах УВ. По нижение температуры приводит к переходу свободной воды в свя занное гидратное состояние и при наличии метана образуются газогидраты. Сформировавшиеся газовые залежи при снижении тем ператур вследствие охлаждения отдельных участков земной коры, по М. К. Калинко, могут переходить в залежи газогидратов. Влия ние криолитозоны необходимо учитывать при бурении скважин, освоении продуктивных горизонтов, разработке залежей УВ, а также при транспортировке нефти или газа по трубопроводам.
Воды в многолетнемерзлых породах подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные, внутримерзлотные, подмерзлотные и воды сквозных таликовых зон (рис. 5). Надмерзлотными называ ются воды, распространенные над поверхностью толщи мерзлых пород. Они соответствуют грунтовым водам, водоупорным ложем которых служат мерзлые породы. Эти воды сезонные и характер ны для так называемого деятельного слоя, в котором ежегодно происходят оттаивание и промерзание пород. Основным источни ком питания вод деятельного слоя служат атмосферные осадки и воды поверхностного стока. В некоторых участках оттаивание про исходит на значительную глубину и образуются несквозные тали ки. Таликом называется участок протаявшей или никогда не за мерзающей породы с гравитационной водой, расположенный сре ди многолетнемерзлых пород. Несквозные талики образуются в поймах и на террасах речных долин (подрусловые талики), под озерами и озерными террасами (подозерные талики), в конусах выноса у подножия горных склонов (склонные талики). В зимнее время воды деятельного слоя могут промерзать на всю мощность или частично. Надмерзлотные воды, ограниченные снизу мерзлой толщей, а сверху промерзшим слоем, при дальнейшем охлажде нии увеличиваются в объеме, что приводит к росту давления и образованию бугров пучения, подземных и наземных наледей с проявлением термокарста и т.п.
К межмерзлотным относятся жидкие воды в слоях, ограни ченных сверху и снизу толщами многолетнемерзлых пород. Они могут быть связаны со сквозными таликами. Внутримерзлотные воды располагаются в мерзлой толще в виде линз и прослоев и распространены спорадически. Отрицательно температурные меж мерзлотные и внутримерзлотные воды (криопэги, по Н. И. Толстихину) распространены в областях сплошного развития мерз лых толщ. Эти воды находятся в жидком состоянии вследствие снижения температуры замерзания, обусловленного их повышен-
Рис. 5. Схема соотношения подземных вод и мерзлых толщ (по Б. И . Писарскому и H . Н. Романовскому):
1 - пески; 2 - гравийно-галечные отложения; 3 - суглинки; 4 - щебень и дресва;
5 |
- |
известняки; 6 - песчаники; 7 - сланцы; 8 - граница многолетнемерзлых пород; |
9 |
- |
тектонические нарушения. Воды: А - надмерзлотные деятельного слоя; Б - не |
сквозного подозерного талика; В - сквозного питающего тектонического талика; Г - сквозного подруслового талика; Д - межмерзлотные; Е - внутримерзлотные; Ж - подмерзлотные контактирующие, напорные; 3 - неконтактирующие напорные.
ной минерализацией (от 35 до 300 г/л и более). Криопэги выяв лены, например, на южном склоне Анабарского щита, на побе режье Берингова и Охотского морей, на островах Северного Ле довитого океана.
К подмерзлотным относятся жидкие воды, залегающие ниже подошвы многолетнемерзлых толщ. Они могут иметь как отри цательную, так и положительную температуру. По мере ослаб ления охлаждающего влияния мерзлых пород возрастает и тем пература подмерзлотных вод, превращающихся в положительно температурные. Воды сквозных таликов обычно относят к са мостоятельной категории подземных вод геокриозоны . Это объясняется тем, что сквозные талики играют важную роль в формировании гидрогеологического разреза мерзлой зоны: мо гут связывать надмерзлотные воды с межмерзлотными, надмер злотные с подмерзлотными и т.д. Различают, по Б. И. Писарс кому (1980), метеогенные сквозные талики, образование кото рых связано с проникновением в мерзлую толщу поверхност
ных положительнотемпературных вод, тектоногенные сквозные талики, приуроченные к разломам, и термогенные сквозные та лики, возникшие в результате проникновения в мерзлую толщу термальных вод, например в областях современного вулканиз ма.
Мерзлые породы могут влиять на гидрогеологию глубокопогруженных водоносных горизонтов осадочного бассейна. Так, при промерзании пород в области питания и в зоне разгрузки в водо носных горизонтах нарушается водообмен. Если при этом име ются очаги разгрузки и во внутренней части гидрогеологического бассейна (например, по сквозным тектоногенным таликам), то, по данным Н. А. Ведьминой (1970 г.), возможно снижение напо ров вод и образование зон с аномально низким пластовым давле нием.
В районах современного вулканизма подземные воды образу ют водоносные системы со специфическими гидрогеологически ми условиями. К ним относятся горячие воды (термальные), па ровые струи пароводные смеси (парогидротермы). Они распрос транены в активных складчатых зонах и известны на Камчатке и Курильских островах, в Исландии, Италии, США, Японии, Но вой Зеландии. Одной из форм проявления гидротермальной дея тельности является образование гейзеров, т.е. горячих источни ков, периодически выбрасывающих воду и пар. Гейзерный про цесс проявляется при смешении в проводящем канале эндоген ного пара и инфильтрационной воды. В результате выделения энергии перегрева воды происходят взрыв и выброс. Свое назва ние гейзеры получили от района Гейзер в Исландии. В нашей стране широко известна Долина Гейзеров на Камчатке, где на считывается 12 крупных гейзеров, в том числе Великан, высота столба воды которого достигает 40 м, а столба пара — нескольких сот метров. В Йеллоустонском парке в США насчитывается бо лее 200 гейзеров, наиболее крупные из них Старый Служака, Ве ликан, Великанша. В Новой Зеландии наиболее значительным был гейзер Вайманг, выбросы воды которого достигали несколь ких сот метров.
Другим проявлением гидротермальной деятельности являются фумаролы — выходы горячего вулканического газа и пара в виде струй или спокойно парящих масс, поступающих из трещин и ка налов на поверхности вулкана или из застывших лавовых покро вов. Обычно в фумаролах водяной пар преобладает над другими газами. Примером широкого развития фумарол является Долина 10 тысяч дымов на Аляске. В районах современного вулканизма широко распространены термальные источники, известные на
Курильских островах, в Новой Зеландии, в Японии, с температу рой воды от 20°С до температуры кипения.
Условия залегания вод под морями и океанами изучены пока еще слабо. Исследование водоносных систем субмаринной зоны сей час осуществляется сотрудниками океанологических экспедиций, использующих морские суда и самоходные подводные аппараты. Большой объем информации поступает в результате бурения сква жин при поисках и разведке нефтяных и газовых месторождений на шельфах, при изучении минеральных ресурсов дна морей и океа нов, субмаринных гидротермальных источников и т д.
Условия залегания вод в пределах прибрежно-шельфовых об ластей и дна внутренних морей практически не отличаются от та ковых в пределах суши, так как водоносные породы, погруженные под дно моря, в большинстве случаев гидравлически связаны с субаэральной частью. Это отмечается в таких морских бассейнах, как Каспийский, Балтийский, Черноморский и др. В субаквальной части морского бассейна распространены пластовые (П, — П4), трещинно-карстовые (П5) и карстово-жильные (Т8) воды. Раз грузка их осуществляется в виде субмаринных источников при дре нировании пластовых водоносных горизонтов, а также при дрени ровании карбонатных закарстованных пород (рис. 6). В первом случае субмаринные источники малодебитные, во втором их деби ты могут быть очень большими. Так, суммарный дебит группы субмаринных карстовых источников в Ливане, расположенных в 2 км от берега, достигает в зимний период 50 м3/с. Большое количе ство субмаринных источников, связанных с закарстованными по-
Рис. 6. Схема образования субмаринных источников.
Природные водонапорные системы: а - элизиониая; б - инфильтрационная. Условные обозначения см. на рис. 3
родами, находится у берегов Адриатики, имеются они у Черно морского побережья Кавказа в районах Гагры и Гантиади.
Условия залегания вод в глубоких океанических котловинах, прогибах и рифтах определяются их строением и составом слагаю щих пород. В разрезе дна океанов выделяются три слоя. Верхний слой состоит из чередующихся рыхлых глинистых, кремнистых, карбонатных осадков общей мощностью до 1 км. Ниже может рас полагаться слой, представленный прослоями базальтовых лав и кон солидированных глинистых, кремнистых, карбонатных или песча ных отложений. Мощность этого слоя тоже может достигать 1 км. Фундаментом служит базальтовый слой. В верхней части разреза распространены иловые воды. По В. А. Кирюхину, Н. И. Толстихину (1987 г.), в среднем слое распространены порово-трещин- ные, трещинно-поровые воды, в нижнем — трещинно-жильные и трещинные.
С глубоководными океаническими желобами и срединно-океа ническими рифтами связаны процессы вулканической и гидро термальной деятельности, которые сопровождаются субмаринным выходом гидротерм.
Глава I I
ОСНОВЫ ГИДРОХИМИИ
Химическое изучение природных вод имеет большое теорети ческое и практическое значение. В частности, изучение химичес кого состава вод, полученных при бурении и эксплуатации сква жин, помогает нефтяникам определить источники поступления этих вод, принадлежность их к тем или иным пластам. В про мысловых условиях знание химического состава вод необходимо при закачке последних в пласт с целью поддержания и восста новления пластового давления. Знакомство с химическим соста вом вод данного района позволяет с большей степенью обосно ванности давать оценку перспектив нефтегазоносности. Изуче ние подземных вод помогает также решать важные вопросы ре жима залежей.
Кроме специфических вопросов нефтяникам необходимо знать состав природных вод и для решения проблем водоснабжения про мыслов, строительства, попутного использования лечебных и про мышленных минеральных вод.
Наряду с изучением ионно-солевого состава вод большой ин терес представляет и изучение растворенных газов.
§1. СТРУКТУРА МОЛЕКУЛВОДЫ И ЕЕ ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ
По определению В. И. Вернадского, природная вода представ ляет собой природную равновесную систему: вода — газ — соли, органика.
Природные воды следует рассматривать не только как раство ры, содержащие соли, газы, коллоиды, ионы, но и как составную часть всех тканей животных и растений, как среду, в которой идут физико-химические процессы, определяемые жизнедеятельностью всего живого.
Следует отметить, что и по сей день свойства воды полностью не изучены. Можно констатировать, что многие из них объясня ются строением ее молекулы.
По представлениям О. Я. Самойлова, структура воды определя ется заполнением пустот льдоподобного каркаса свободными мо лекулами воды. Кстати сказать, при изучении структуры воды сле дует учитывать, что она может находиться в трех агрегатных состо яниях. Твердая фаза (лед) характеризуется гексагональной струк
свою очередь, на одиночные молекулы. В парообразном состоя нии вода почти нацело состоит из одиночных молекул — гидролей.
Химическая активность воды объясняется высокой активнос тью кислорода и водорода, из которых она состоит. Так как атомы водорода обладают только одним электроном, то с другими атома ми они соединяются с помощью как электронов (валентные свя зи), так и водородных связей.
Жидкая вода состоит из более менее упорядоченных молекул, приближающихся по строению к кристаллической решетке. Вода, как в жидком, так и в твердом состоянии, характеризуется гекса гональной структурой (координационное число 4). Если в воде в твердом агрегатном состоянии структурные особенности согласу ются с геометрическим размещением молекул, с действием меж молекулярных сил, то в жидком агрегатном состоянии постоянно происходят изменения структуры, обусловленные составом раство ренных солевых компонентов и температурой.
Повышение температуры меняет строение молекул воды. Гек сагональное циклическое строение превращается в четырехсторон нее, характеризующееся более плотной упаковкой молекул.
Вода в парообразном состоянии характеризуется ослаблением влияния межмолекулярных сил вследствие увеличения расстоя ния между молекулами. Молекулы воды состоят из водорода, пред ставленного тремя изотопами (протий 'Н, дейтерий 2Н или D, три тий 3Н или Т), и кислорода, имеющего семь изотопов (,30 — 20О). Преобладают в воде протий 'Н и |60 . Дейтерий и тритий содер жатся в обычной воде в незначительных количествах. Подавляю щее количество изотопов кислорода представлено изотопами )60, гораздо меньше изотопов 180 и ничтожно мало ,70 . В настоящее время известны также изотопы 130 , иО, 150 , |90 , 20О, живущие нс более нескольких минут. Кроме тяжелой воды известна сверхтя желая вода Т20. Известна и тяжелая в кислородном отношении вода с изотопами 130 и 180 .
И. В. Петрянов-Соколов, исходя из различных комбинаций изотопов водорода и кислорода, насчитал 48 разновидностей мо лекул воды. Устойчивы из них только 9. Известно, что присут ствие молекул тяжелой воды (D20) повышает вязкость и скрытую теплоту парообразования и плавления. Для тяжелой воды харак терны пониженные значения диэлектрической постоянной, элек тропроводности, растворимости солей, подвижности ионов, дав ления паров. В частности, именно поэтому молекулы воды, содер жащие дейтерий, концентрируются в жидкой фазе при испарении воды, на чем и основано фракционное разделение изотопов.
В поверхностных слоях экваториальных морей вследствие ак тивного испарения возрастает содержание дейтерия. Для атмос ферных вод характерно выпадение с дождями таких изотопов, как 2H(D) и ,80 . Во льду северных морей дейтерия на 2 % больше, чем в морской воде, из которой лед образовался.
Для описания свойств ж идкой воды Ю. Я. Еф им ов и
Ю.И. Наберухин предлагают все модели разделить на два типа
—смешанные и непрерывные: «модели первого типа постули руют, что вода является смесью дискретных молекулярных об разований двух или нескольких типов. В непрерывных моделях, напротив, основой структуры жидкой воды считается единая тет раэдрическая сетка водородных связей, а различия в состоянии молекул возникают из-за флуктуации локального окружения, порождаемых случайными искажениями геометрии водородных связей».
Следует указать на умозрительность предлагаемых моделей структуры воды. Наиболее образным является определение струк туры воды, предложенное О. Я. Самойловым, который рассматри вал ее как вариант размытой тепловым движением структуры льда с частично заполненными пустотами.