книги / Нефтегазовая гидрогеология

три группы, а каждая группа включает три подгруппы по признаку преобладания того или иного соответственно аниона и катиона. В основу классификации положены три основных коэффициента, выраженных в процент-эквивалентной форме:

rNa+//Cl- (rNa+ - iC l-)/rS O j', (fCl - rNa+)/rM g2+.

В. A. Сулин назвал выделенные типы вод «генетическими», потому что по составу они приблизительно отвечают основ­ ным природным обстановкам формирования и нахождения вод в недрах.

Графическое изображение классификации (рис. 15) представ­ ляет собой два сопряженных квадрата, по сторонам которых от­ кладываются величины числителей и знаменателей «генетических» коэффициентов. Каждый тип на графике занимает треугольник, получающийся в результате деления квадрата диагональю, и вклю­ чает три группы по преобладающему аниону. Таким образом, вы­ деляются хлоридные, сульфатные и гидрокарбонатные группы.

Практика пользования классификацией Сулина показала, что при небольших отклонениях величин коэффициентов от едини­ цы, т.е. в зонах перехода от одного типа к другому, воды следует относить к переходным типам. По преобладающему катиону груп­ пы делятся на подгруппы: натриевую, магниевую и кальциевую. Однако подгруппа выделяется только в том случае, если преобла­ дающий катион дает основную солевую массу с преобладающим же анионом.

В основу описывае­ мой классификации В. А. Сулиным была поло­ жена идея о возможнос­ ти определения проис­ хождения и обстановки существования воды по ее химическому составу. Он полагал, что хими­ ческий состав вод опре­ деляется условиями их формирования в опреде­ ленной природной об­ становке, которых на Земле можно выделить

Достоинством этой классификации является ее деятельность; кроме того пользуясь ею, можно с определенной степенью досто­ верности определять обстановку формирования вод. К недостат­ кам следует отнести условность в названиях типов, образованных от названий солей, предположительно характерных для данного типа.

Наряду с классификациями природных вод по ионно-солевому составу предлагались и классификации по составу растворенных газов (например, классификация В. И. Вернадского). Однако чи­ сто газовые классификации не получили распространения.

А. М. Овчинников в 1954 г. предложил классификацию, пост­ роенную на сочетании принципов выделения природных обста­ новок существования природных вод по составу газов и подразде­ ления вод внутри данной обстановки по преобладающим зонам. Ее можно представить схемой-графиком, состоящим из трех вер­ тикально расположенных квадратов (рис. 16). Верхний квадрат характеризует воды с газами окислительной обстановки (азот, кис­

вания вод поверхностных водоемов и неглубокозалегающих под­ земных вод. Восстановительная обстановка, определяемая нали­ чием метана, сероводорода, углекислоты и биогенного азота, ти­ пична для глубинных, в частности нефтяных вод. Метаморфичес­ кая обстановка, характеризующаяся преобладанием углекислоты, типична для вод зон молодой вулканической деятельности.

Глава III

ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОГЕОМЕХАНИКИ

Впоследнее время вопросы движения вод и водных растворов

вземной коре объединяют в дисциплину под названием «гидро­ геомеханика» (или «флюидогеодинамика»). Частица «гео» озна­ чает, что речь идет о движении вод в толще пород, твердые части которых оказывают на него определенное влияние.

§1. ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ВОД И РАССОЛОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Подразделение различных видов движения вод и рассолов в ли­ тосфере можно проводить по нескольким признакам. Так, с точки зрения гидромеханики в первую очередь следует различать турбу­ лентное и ламинарное движения.

Турбулентное движение наблюдается сравнительно редко, оно характерно лишь для карстовых вод. При турбулентном движении отмечаются наибольшие скорости подземных вод. В случаях на­ стоящих подземных рек (в карстовых зонах) характер и скорости движения их вод практически не отличаются от характера и ско­ рости движения поверхностных (речных) вод. Но это относитель­ но редкое явление.

Основным видом движения свободных вод в осадочной тол­ ще является ламинарная фильтрация, подчиняющаяся закону Дарси.

Поскольку свободные воды всегда представляют собой раство­ ры, неоднородные по составу, рассматривая их движение в об­ щем виде, необходимо иметь в виду движение физически и хи­ мически неоднородных жидкостей и растворенных в них веществ. Вопросы, связанные с влиянием физико-химических факторов на движение жидкостей, изучаются физико-химической гидроди­ намикой.

С точки зрения физико-химической гидродинамики выделяют­ ся следующие главнейшие виды движения подземных растворов:

1 ) вынужденная конвекция (фильтрация), происходящая под действием градиента давлений, внешнего по отношению к жидко­ сти;

2 ) естественная конвекция (фильтрация), идущая под влияни­ ем различия (градиента) плотности внутри жидкости;

3) молекулярная диффузия растворенных веществ под влияни­ ем градиента их концентраций внутри раствора.

Отмеченные формы движения могут происходить и совместно, например в виде конвективной диффузии и т п. Процесс вынуж­ денной конвекции (фильтрации) представляет наибольший инте­ рес для гидрогеологии и изучен полнее.

§ 2. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОТОКА

Фильтрационным потоком называется условный поток жидко­ сти через пористую или пористо-трещинную среду (породу). Хотя реальный поток идет только по открытым (сообщающимся) порам

итрещинам, условно допускается, что он идет через всю породу.

Кэлементам фильтрационного потока относятся пьезометри­ ческий (гидростатический) напор, напорный градиент, линии рав­ ных напоров, линии тока, скорость фильтрации и расход потока.

Для простейших условий линейный закон фильтрации (закон Дарси) имеет вид

где Q — расход потока; кф— коэффициент фильтрации, вели­ чина которого зависит от свойств фильтрующей среды (породы) и фильтрующейся жидкости; F — площадь поперечного сечения филь­ трующей среды; ДН — перепад напоров; А/ — длина участка филь­ трационного потока.

Напор (пьезометрический напор) Я подземных вод определяет­ ся следующим образом:

где р — гидростатическое давление в данной точке потока; р — плотность воды; g — ускорение свободного падения; z — высота данной точки потока над выбранной плоскостью сравнения («вы­ сота положения»).

Отношение р/р, или Лр, называется пьезометрической высотой («высотой давления») — это высота, на которую должна подняться вода над данной точкой потока под влиянием гидростатического давления р в данной точке. В случае грунтового потока величина р/р равна глубине погружения данной точки относительно зеркала грунтовых вод, а в случае напорных вод — относительно пьезомет­ рической поверхности (рис. 17).

Гидравлический уклон (напорный градиент) — величина падения на­ пора на единицу длины по направ­ лению фильтрации. В формуле Дар­ си гидравлический уклон представ­ лен выражением АН/Al.

Обозначая i — АН/Al, формулу Дарси можно записать в виде

Q = kJFr (III.3)

Напоры в пределах потока рас­ пределены в соответствии с поло­ жением пьезометрической поверх­

ности. Поверхности, обладающие во всех точках равными напора­ ми, называются поверхностями равных напоров. Следы сечения этих поверхностей кровлей водоносного пласта — линии равных напоров. Проекции этих последних на горизонтальную плоскость

— гидроизопьезы (для грунтовых вод — гидроизогипсы).

Линии токов пересекают поверхности равных напоров под пря­ мым углом. Система линий равных напоров и перпендикулярных к ним линий тока образует гидродинамическую сетку.

Скорость фильтрации можно получить, разделив величину по­ тока на площадь поперечного сечения фильтрующей среды, т.е.

v= fy'. (И!-4)

Следовательно, скорость фильтрации равна произведению ко­ эффициента фильтрации на гидравлический уклон.

Коэффициент фильтрации прямо пропорционален проницае­ мости фильтрующей среды и обратно пропорционален вязкости фильтрующейся жидкости. Обозначая проницаемость через у , а вязкость через р, закон Дарси можно выразить следующим обра­ зом:

Для гидрогеологии (особенно нефтегазовой) значительный ин­ терес представляет вопрос о нижнем пределе применимости за­ кона Дарси, т.е. о минимальных величинах проницаемости сре­ ды, гидравлического уклона и скорости фильтрации (а также о максимальных величинах вязкости жидкости), при которых дви­ жение жидкости подчиняется закону Дарси в его первоначаль­

ном виде. В последнее время исследователи приходят к выводу, что в общем виде закон фильтрации можно записывать в скоро­ стной форме:

V= k / i - i j при / > /н, (III.6 )

где /и — начальный градиент фильтрации.

Смысл такой записи в том, что движение жидкости может на­ чаться только в том случае, когда фактический гидравлический градиент превышает некоторую величину (которая по имеющимся данным имеет порядок 1 0 '3).

§ 3. ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ МИНЕРАЛИЗО­ ВАННЫХВОД И РАССОЛОВ. ПРИВЕДЕННЫЕДАВЛЕ­ НИЯ

В земной коре встречаются как пресные воды, так и минера­ лизованные воды и рассолы. И пресные, и минерализованные воды, и рассолы могут находиться в пределах одного водоносно­ го пласта, одного фильтрационного потока. Таким образом, филь­ трующаяся жидкость в пределах одного фильтрационного потока может быть неоднородной по составу и свойствам. Величинами, характеризующими фильтрующуюся жидкость, в линейном зако­ не фильтрации служат плотность и вязкость. Скорость фильтра­ ции обратно пропорциональна вязкости жидкости. Между тем известно, что вязкость природных вод и рассолов прямо пропор­ циональна их минерализации. Следовательно, скорость фильтра­ ции минерализованных вод и рассолов при прочих равных усло­ виях меньше скорости фильтрации пресных вод. Например, по данным А. И. Силина-Бекчурина скорость пресных вод при тем­ пературе 20°С больше скорости фильтрации палеозойских рассо­ лов Волго-Уральского нефтегазоносного бассейна в 1,58 раза. При более высоких температурах эта разница будет уменьшаться, при температуре 100 —150°С соотношения должны быть уже совер­ шенно другими.

Неоднородность свойств жидкости в пределах фильтрационно­ го потока необходимо учитывать также при определении напора и напорного градиента. Величины напора и пьезометрической вы­ соты зависят от плотности жидкости.

Если иметь дело только с пресными водами, плотность кото­ рых равна единице, то можно принимать пьезометрические высо­ ты численно равными гидравлическим давлениям, и непосредствен­

но по статическим уровням в скважинах строить карты гидроизо­ пьез, определять гидравлический уклон и т.п.

Для минерализованных вод и рассолов, плотность которых выше единицы и к тому же различная в разных точках пласта, положе­ ние совершенно другое. В таких случаях непосредственно по ста­ тическим уровням, замеряемым в скважинах, нельзя определить гидравлический уклон и направление потока, так как величина этих уровней зависит и от плотности жидкостей.

Для исключения влияния неоднородности жидкостей опреде­ ляют приведенный напор и приведенное давление. Известно несколь­ ко методов расчета приведенных давлений.

По И. Я. Ермилову, минерализованные воды и рассолы пере­ считываются на пресные воды и приводятся к общей плоскости

где рпр — приведенное давление; h — статический уровень воды в скважине; р— плотность воды в скважине; z — высота забоя сква­ жины над выбранной плоскостью сравнения.

Эта простейшая методика пригодна лишь для тех случаев, ког­ да воды незначительно различаются по величинам минерализации и плотности.

По А. И. Силину-Бекчурину минерализованные воды и рассо­ лы пересчитываются на воды условной плотности в зависимости от положения забоя скважины по отношению к выбранной плос­ кости сравнения и от плотности воды на этой плоскости. В основе метода лежит функциональная зависимость плотности вод от глу­ бины залегания. Приведенное давление выражается как функция глубины следующим образом:

(III.8 )

а

здесь р. — известное гидростатическое давление на любой из плоскостей, проведенных вдоль по потоку;

—статическое давление столба жидкости между

аплоскостями а и /.

Эта формула применима лишь в условиях детальной гидро­ химической изученности разреза и практически не использует­ ся.

Для приближенного расчета приведенного давления А. И. Си- линым-Бекчуриным предложена формула

(Ш*9)

где h — статический уровень в скважине; рр р2 — плотность воды соответственно в скважине и на выбранной плоскости сравнения; z — высота забоя скважины над плоскостью срав­ нения.

Эта формула выведена для условия прямолинейного измене­ ния плотности с глубиной. При обычных условиях она дает по­ грешность в несколько процентов.

Важное значение имеет выбор плоскости сравнения. Она должна отвечать следующему условию: во всех точках ее пере­ сечения с водоносным пластом гидростатические давления оди­ наковы. Этому условию удовлетворяют только те плоскости, на которых плотность жидкости в пласте одинакова во всех точках, а в общем случае — лишь те, на которых плотность жидкости максимальна (а3 и а4 на рис. 18).

Как следует из сказанного, пра­ вильный выбор плоскости сравне­ ния представляет значительные трудности. Требуются такие дан­ ные, которых часто еще нет. По­ этому на практике плоскость срав­ нения иногда выбирают на глуби­ не, на которой в данный момент известна максимальная плотность воды в пределах изучаемого плас-

Рис. 18. Схема, иллюстрирующая та. В малоизученных районах такая практика может приводить к

существенным погрешностям, осо­ бенно если напорные градиенты невелики.

Формула (Ш.9) получила значительное распространение и в последнее время служит основной формулой для расчетов приведенных давлений. Там, где гидравли­ ческие уклоны относительно велики (в межгорных и предгорных областях), при правильном выборе плоскости сравнения она дает