книги / Нефтегазовая гидрогеология

Другой способ расчета инфильтрации атмосферных осадков

— использование формулы Q = 1000MaF, где Q — количество инфильтрующейся воды; М — количество атмосферных осад­ ков; а — коэффициент инфильтрации; F — площадь области инфильтрации. Точное определение коэффициента инфильтра­ ции а является весьма трудной задачей. Его величина колеблет­ ся в очень широких пределах. А. М. Овчинников считал воз­ можным ориентировочно принять, что в среднем (для всей суши) он равен 0,1.

В отличие от рассмотренных стадий и подстадии перемещение растворов в рассматриваемом случае идет от зон инфильтрационного питания в глубь литосферы. Происходит взаимодействие вод­ ных растворов и твердой фазы пород при преобладании активной роли первых: растворение (например, карбонатов), гидролиз, окис­ ление (сульфидов, УВ), гидратация различных минералов (окси­ дов, силикатов, алюмосиликатов, сульфатов). Вследствие этих про­ цессов в больших количествах появляются новообразования — оксиды и гидрооксиды железа (лимонит, гидрогетит и т.д.), гипс, опал, каолинит и др. В качестве отрицательных результирующих форм гипергенного взаимодействия жидкой и твердой фаз можно указать на карстовые образования. Для гипергенеза особенно ха­ рактерны также биогидрогеохимические процессы.

Скорость выщелачивания, т.е. скорость перемещения по плас­ ту границы зоны выщелачивания (выщелоченных пород), может быть определена по формуле А. Е. Орадовской а>= 0,15« °'831v, где п — засоленность породы; v — скорость фильтрации.

Состав водных растворов при гипергенезе может меняться в сторону разбавления или концентрирования, десульфатизации (при криптогипергенезе) или, наоборот, обогащения сульфатами при окислении сульфидов (при идиогипергенезе). Может происходить некоторое обогащение водных растворов микроэлементами — ме­ таллами, переходящими из сульфидных минералов.

Важно, что гипергенные изменения различны для растворов разного генезиса. Так, для растворов, сохранившихся от прежних стадий прогрессивного литогенеза, характерны разбавление и окис­ ление, а для новых атмогенных растворов, наоборот, концентри­ рованно и восстановление. Может происходить также смешива­ ние водных растворов различного генезиса, а в зонах такого сме­ шивания — на геохимических барьерах — могут осуществляться окислительно-восстановительные реакции.

Важнейшим гидрогеологическим процессом при магматизме является инфильтрация в осадочные породы (находящиеся на раз­ личных стадиях развития, от диагенеза до гипергенеза) водных

растворов из магм и их дериватов, особенно интенсивная при кис­ лом характере магм. Растворитель — частично галогенный, час­ тично захваченный (ассимилированный) из контактирующих с магматическими расплавами осадочных и метаморфических по­ род. Поэтому другим важным гидрогеологическим процессом здесь должна считаться ассимиляция водных растворов (или только воды) магматическими расплавами. Соотношение этих двух главных про­ цессов сегодня еще не может считаться удовлетворительно изу­ ченным.

При появлении в осадочных породах дополнительных высоко­ температурных и химически активных масс воды главное значе­ ние среди гидрогеохимических процессов приобретают гидролиз многих минералов осадочного происхождения, а также замена ка­ лием других металлов в полевых шпатах. В результате главнейши­ ми и типичными минеральными образованиями этой своеобраз­ ной ветви литогенеза, возникающими при участии водных раство­ ров, можно считать ортоклаз и микроклин. Для состава самих вод­ ных растворов характерно обогащение натрием и кальцием (вы­ тесняемыми из полевых шпатов калием), а также рядом микро­ элементов.

§ 4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ

Зональность как проявление закономерности дифференциации условий залегания и движения, свойств и состава литосферных вод и других признаков в гидрогеологии широко распространена. Впервые закон естественно-исторической зональности в природе был сформулирован в 1898 г. В. В. Докучаевым; на существова­ ние гидрогеологической зональности указывали В. И. Вернадс­ кий, Б. Л. Личков. Впоследствии Н. К. Игнатович явление гидро­ геологической зональности выделил в качестве одного из основ­ ных гидрогеологических законов.

Различают зональность горизонтальную (широтную) и верти­ кальную. Широтная зональность обусловлена физико-географи­ ческими факторами и проявляется в основном в самых верхних частях земной коры, особенно отчетливо в горизонте грунтовых вод. Вертикальная зональность прослеживается в более глубоких горизонтах гидрогеологических (в том числе нефтегазоносных) бассейнов и определяется действием совокупности геологичес­ ких (а также палеогидрогеологических) факторов. Зональность, выявляемая в результате бурения скважин, — это собственно вер­ тикальная зональность. По погружению пластов в глубь бассей­ нов тоже проявляется зональность, называемая пластовой зональ­

ностью. Такое разделение, предложенное М. Е. Альтовским для вертикальной гидрогеологической зональности, справедливо для всех других видов гидрогеологической зональности.

В общем случае действие многочисленных факторов на литос­ ферные воды и на окружающую их среду во времени и в простран­ стве приводит к формированию различных видов гидрогеологи­ ческой зональности: гидрогеодинамической, гидрогеотермической, гидрогеохимической, газовой. Все эти виды зональности находят­ ся в тесной взаимосвязи, но отождествлять их неправомерно, по­ скольку связи их не всегда носят прямой причинно-следственный характер.

Гидрогеологическая зональность во всех ее проявлениях, равно как и имеющие место отклонения от нее (азональные явления), — продукт длительной геологической истории развития земной коры.

Из сказанного выше следует, что генезис, формирование и из­ менения водных растворов в литосфере теснейшим образом взаи­ мосвязаны с литогенетическими процессами, формирующими и изменяющими также твердые компоненты пород, отсюда и гидро­ геологическая зональность таким же образом связана с литологи­ ческой зональностью, и вообще следует выделить в первую оче­ редь литогидрогеологическую зональность.

Ведущим критерием при выделении литогидрогеологических зон должны служить стадии и подстадии литогенеза, которые в каждый отдельный момент времени связаны с определенными зонами (и подзонами) в литосфере. С этими зонами ассоцииру­ ются (а отчасти и определяют их границы) специфические гид­ рогеологические процессы, а потому такие зоны (и подзоны) необходимо рассматривать именно как литогидрогеологические зоны. Они характеризуются гидрогеохимическими и геогидродинамическими чертами, которые (особенно первые) зависят так­ же и от климатического типа литогенеза (гумидный. аридный, «ледовый»). Важное значение имеют историко-геологическое развитие, наличие или отсутствие интенсивного современного (и в недавнее неогенчетвертичное время) преимущественно субаквального осадконакопления: морские отложения составляют основное наполнение бассейна, а гипергенез проявляется толь­ ко при наличии инверсионных этапов в геотектоническом раз­ витии данного участка литосферы. Следовательно, можно выде­ лить два типа литогидрогеологической зональности: для суши и для акваторий.

Таким образом, литогидрогеологические зоны характеризуются происхождением доминирующих водных растворов, типичными гидрогеологическими процессами, важнейшими литогенетическими

процессами, идущими вследствие взаимодействия растворов с твер­ дым веществом осадочных толщ (гидрогенные процессы), харак­ терными изменениями в составе растворов, происходящими в ре­ зультате того же взаимодействия (табл. 7).

Гидрогеохимическая зональность зависит от литогидрогеологи­ ческой (подчиняется ей), но на нее резкий отпечаток накладывает климатический тип литогенеза (седиментогенеза) — гумидный или аридный. Так, в аридных комплексах почти неизбежно появляют­ ся рассолы, создающие основной гидрогеохимический фон бас­ сейна. Если в первом приближении принять обычное разделение водных растворов по минерализации — пресные (менее 1 г/кг), солоноватые (1-10), соленые (10-35) и рассолы (более 35), — то типичные соотношения между литогидрогеологической и гидро­ геохимической зональностями будут в общих чертах выглядеть так, как это показано в табл. 7.

В бассейнах, содержащих отложения аридного типа, пласты солей, важное влияние на гидрогеохимическую зональность ока­

зывает положение этих пород в разрезе. При нахождении соле­ носных отложений в верхней части разреза бассейна почти весь разрез носит отпечаток всеохватывающего влияния аридного седиментогенеза. Влияние солей распространяется в пространстве в результате диффузии и концентрационной конвекции. Если, наоборот, соленосные пласты залегают в низах разреза бассейна, то их влияние на гидрохимию минимальное, и основная часть гидрохимического разреза бассейна может характеризоваться гумидным обликом. Примером первого случая может служить Вол­ го-Уральский бассейн, примером второго - Западно-Сибирский бассейн.

Некоторые своеобразные черты гидрогеохимической (и вооб­ ще гидрогеологической) зональности проявляются также при «ле­ довом» типе литогенеза: там имеются криолитозона и зона гидратообразования (газогидраты). Влияние этих явлений на гидрогео­ логическую зональность сложно и еще далеко не достаточно изу­ чено. Оно охватывает в первую очередь стадии диагенеза (в усло­ виях моря) и гипергенеза (на суше). Следует подчеркнуть значе­ ние криогенеза и газогидратообразования для гидрогеологии неф­ тегазоносных бассейнов, поскольку очень большие объемы после­ дних, как показали А. А. Трофимук, Ю. Ф. Макагон, Н. В. Черс­ кий, охвачены названными процессами.

Если исключить зону гипергенеза (где вниз по разрезу минера­ лизация растет главным образом за счет повышения доли сохра­ нившихся талассогенных вод), то в качестве общей тенденции из­ менения минерализации водных растворов сверху вниз (от зоны диагенеза к зоне апокатагенеза) намечается уменьшение минера­ лизации в нижних зонах (табл. 8). Такие явления установлены в Западно-Сибирском, Прикаспийском, Восточно-Предкавказском, Ферганском, Южно-Каспийском, Калифорнийских и многих дру­ гих нефтегазоносных бассейнах. Эта тенденция сильнее проявля­ ется при преобладании в разрезе гумидных комплексов. Увеличе­ ние минерализации вниз по разрезу, которое обычно до сих пор считают типичным случаем, отвечающим «нормальной» вертикаль­ ной гидрогеохимической зональности, на самом деле характерно лишь для зоны гипергенеза, занимающей, как правило, только верхний этаж разреза сухопутных частей бассейнов.

Существование в истории бассейнов древних эпох развития гипергенеза могло усложнить и деформировать наблюдаемые се­ годня гидрогеохимическую зональность и ее взаимоотношения с литогидрогеологической зональностью. Признаки древних инфильтрогенных вод отмечаются, например, в зонах стратиграфических несогласий в палеозое Волго-Уральского бассейна и др.

Таблица 8

Соотношение литогидрогеологической и гидрохимической зональностей в нефтегазоносных бассейнах

Среди газов в водных растворах нефтегазоносных бассейнов имеются хемогенные (метан и его гомологи, диоксид углерода и сероводород), радиогенные (гелий, аргон), биогенные (метан, диоксид углерода, азот, сероводород, водород), экзогенные, т.е. проникающие в осадочные толщи из других частей литосферы и других геосфер (кислород, азот, аргон, гелий). Такие же газы находятся в залежах и мелких скоплениях («пузыри» и т.п.), в нефтях и, наконец, сорбированы и окклюдированы минераль­ ными и твердыми органическими (углистыми и т.п.) компонен­ тами пород.

Образование и распределение различных по составу, а также по абсолютной концентрации в водных растворах водорастворен­ ных газов в осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов подчи­ нено определенной газогидрогеохимической зональности, тоже тес­ но связанной с литогидрогеологической зональностью (табл. 9).

Помимо указанных в тех же зонах имеются и другие газы экзотического генезиса (азот во всех зонах, кислород в подзоне идиогипергенеза). Содержание гелия и радиогенного аргона, как правило, возрастает с глубиной.

Максимальную газонасыщенность растворов (до 104 см3/л) в нефтегазоносных бассейнах дает метан, поэтому наиболее насы­ щенные газами растворы в бассейнах приурочены к зонам диаге­ неза и катагенеза (прото- и мезокатагенеза), где происходит наи­ большая его генерация (табл. 9).

Говоря о геогидродинамической зональности, в зоне катагенеза следует обратить внимание на явление самостоятельного диффу­ зионного движения растворенных компонентов. При очень малых

Таблица 9

Геохимическая зональность газообразования в осадочной толще

1При наличии аридного седиментационного комплекса.

скоростях фильтрации этот процесс, вероятно, может приобретать существенное значение, особенно влияя на вертикальное (в том числе межпластовое) перемещение вещества. Вертикальное пере­ мещение водных растворов при прорывах может происходить с относительно большой скоростью.

Особенно важное значение вертикальное движение водных ра­ створов вверх, по-видимому, имеет в бассейнах с очень большой мощностью водонасыщенного разреза в областях новейшего ин­ тенсивного прогибания. Развиты дегидратационные воды, а также происходит миграция водных паров вместе с углеводородными газами. Примером может служить Южно-Каспийский бассейн. Более ограниченные по масштабу вертикальные движения раство­ ров возможны и в других случаях, в частности, в бассейнах с мощ­ ными глинистыми толщами, которые в недоуплотненном состоя­ нии, с большим содержанием вод, оказываются на весьма значи­ тельных глубинах (пример — майкопская свита Кавказа).

При наличии соленосных и рассолоносных толщ в верхних ча­ стях разреза возможно значительное нисходящее их перемещение. По ряду данных это явление развивалось, например, на значи­ тельной площади Волго-Уральского бассейна, на Сибирской плат­ форме (А. А. Карцев и др., 1990).

В зону катагенеза входят преобладающие объемы бассейнов, особенно на этапах интенсивного нефтегазонакопления. Харак­

терным для катагенеза явлением следует считать супергидростати­ ческие давления в пластах.

Под супергидростатическим пластовым давлением подразуме­ вается давление в нефтегазоводоносных комплексах (пластах), пре­ вышающее давление, уравновешиваемое столбом водного раство­ ра (с фактической плотностью) от точки замера до наи высшей гипсометрической отметки нахождения водонасыщенной части данного пласта (комплекса). Такое определение не включает те случаи, когда пластовое давление обусловлено гипсометрическим положением зоны инфильтрационного питания пласта значитель­ но выше устья исследуемой скважины. В последнем случае будет гидростатическое, а не супергидростатическое давление. Не отно­ сится к супергидростатическому пластовому давлению и избыточ­ ное давление в газовых залежах, обусловленное резким различием плотностей газа и пластовых жидкостей (вод, водных растворов).

Гидрогеологические условия имеют важнейшее значение в про­ явлении супергидростатического давления (как и вообще в фор­ мировании в распределении пластовых давлений). Гравитацион­ ное уплотнение как основной фактор возникновения и сохране­ ния супергидростатического пластового давления проявляется в областях интенсивного современного прогибания. Так, на приме­ ре Предкавказья В. М. Добрынин и В. А. Серебряков показали, что современные величины супергидростатического давления коррелируются со скоростью осадкообразования в неогенчетвертичное время, получено хорошее совпадение расчетных величин (ба­ зирующихся на элизионной модели) с фактически наблюдаемыми

(рис. 22). На примере Гвинейско­ го залива К. Салле и Ж. Дебизер продемонстрировали широкое площадное развитие зон с супер­ гидростатическим пластовым дав­ лением в областях современного и новейшего прогибания и тяго­ тение этих зон к подобным обла­ стям. Зоны с супергидростатичес­ ким давлением наблюдаются в глубокопогруженных участках, где свиты характеризуются наиболь­ шей мощностью и, следователь­ но, где погружение протекало от­ носительно быстро. Поскольку переход в зону супергидростати­ ческого давления фиксируется по-

явлением (и увеличением мощности) в разрезе глин, это явно сви­ детельствует о литологическом происхождении высоких давлений (рис. 23).

Широкое площадное рас­ пространение супергидростати­ ческого пластового давления в молодых (мезозойско-кайно­ зойских) толщах, а также при­ уроченность его к зонам повы­ шенной глинистости разреза свидетельствуют о элизионнолитостатическом генезисе явле­ ния. Однако не так легко выя­ вить случаи, когда начинаетдей­ ствовать термодегидратационный фактор. О значительной роли этого фактора в генезисе супергидростатического давле­ ния говорят наблюдения, сум­ мированные в работах В. Н. Хо­ лодова. Опираясь главным об­ разом на установленные им за­ кономерные связи зон песчано­ го диапиризма с переходом монтмориллонитовых компонентов глин в гидрослюдистые, этот ис­ следователь показал, как при катагенных преобразованиях гли­ нистых минералов возрожден­

ная вода создает супергидростатическое пластовое давление. Термическое расширение воды как фактор превышения плас­

тового давления над гидростатическим тоже, по-видимому, играет некоторую роль в формировании супергидростатического давле­ ния, но резко подчиненную; по данным К. Магары, вклад этого фактора не превышает 25 %.

Участие геодинамического фактора в генезисе супергидроста­ тического давления представляется в свете ряда новейших иссле­ дований достаточно распространенным случаем. Некоторые кри­ терии для оценки доли участия геодинамического фактора в гене­ зисе пластового давления разработаны А. А. Орловым. Как пока­ затель возможности отнесения системы к типу с существенным влиянием геодинамического фактора может рассматриваться так­ же высокая сейсмичность зоны.

Сейсмогеологические исследования имеют очень большое зна­ чение для изучения гидрогеологии в целом, особенно для изуче­ ния гидрогеологии глубоких горизонтов осадочной толщи (зона катагенеза). В зоне катагенеза перепады энергетических уровней, если не учитывать сейсмические колебания, весьма малы, что ухуд­ шает там условия массопереноса по сравнению, например, с зо­ ной гипергенеза. Сейсмические же колебания резко усиливают перепады энергетических уровней, что очень сильно повышает под­ вижность вещества в литосфере. Возникают флюидогеодинамические системы, охватывающие большие объемы водонасыщен­ ных пород (и коллекторских, и глинистых). Это стимулирует про­ цессы массопереноса (массообмена), в первую очередь, переме­ щение вод и водных растворов.

Возрастание, даже относительно кратковременное, давления в водах, насыщающих толщи преимущественно глинистых пород, происходящее в результате тектонических напряжений, до вели­ чин, превышающих литостатическое давление, обеспечивает есте­ ственный гидроразрыв, растрескивание этих пород. Наличие воды в порах и трещинах глинистых пород может (через эффект Ребин­ дера) усиливать процесс растрескивания. Растрескивание глинис­ тых пород нарушает замкнутость их пор, создавая и расширяя ка­ налы как внутри таких пород, так и в зонах их контакта с коллек­ торскими пластами. Геодинамическое давление в глинистых по­ родах должно быть больше, чем в преимущественно песчаных. В результате создается и (или) увеличивается барический гради­ ент, направленный от глинистых пород к коллекторам. Градиент растет в случае (наиболее распространенном) дегидратационных процессов в глинистых толщах, идущих под влиянием геотерми­ ческого и других факторов, и создается в случае, когда дегидратационные процессы незначительны (при малом изначальном коли­ честве или исчерпании ресурсов вод в глинистых породах), В ито­ ге усиливается элизионный процесс (выжимание), обеспечивается и усиливается эмиграция жидких и газообразных веществ, вод­ ных, углеводородных, углекислых растворов из глинистых пород в коллекторы.

Геодинамические системы охватывают как относительно водо­ упорные, так и коллекторские породы. Функционирование таких систем носит пульсационный характер. По данным Д. Т. Осики, величины гидродинамических эффектов, наблюдаемых при зем­ летрясениях, превышают значения фона иногда на два порядка например при Салатаусском землетрясении в 1974 г. в Дагестане). Имеются и другие подобные данные. Это значит, что между от­ дельными точками водоносного горизонта гидравлические гради-