Формирование вод нефтяных и газовых месторождений. Генетические типы вод. Литогенез и гидрогеологические процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Формирование вод нефтяных и газовых месторождений. Генетические типы вод. Литогенез и гидрогеологические процессы

Формирование подземных вод - сложный природный процесс, изучение которого имеет важное теоретическое и практическое значение для нефтегазовой гидрогеологии, так как подземные воды оказывают большое влияние на всю историю существования углеводородов в недрах. При этом важное значение приобретает выяснение генезиса воды как растворителя и происхождения состава растворенных веществ (ионов, солей, газов), накапливающихся в подземных водах нефтегазоносных бассейнов.

Рассматривая пути появления вод в литосфере, следует отметить два источника возникновения молекул воды - экзогенный и эндогенный. Подземные воды, образующиеся в результате поступления вод в горные породы из внешних геосфер - гидросферы и атмосферы, - экзогенные, а за счет возникновения молекул воды в недрах земли - эндогенные. Эндогенные воды формируются в горных породах и магматических очагах в результате различных химических реакций.

В генетической классификации, разработанной А.А.Карцевым (рис.23), экзогенные воды подразделяются на две группы: седиментогенные и инфильтрогенные.

Рис. 23 - Схема генетической классификации вод (по А.А.Карцеву)

Седиментогенные воды - это воды, захваченные осадками с момента их образования. В бассейне осадконакопления (море, лагуна) первоначально образуются илы, обычно содержащие до 80-90% воды. По мере погружения и накопления покрывающих осадков илы уплотняются, превращаясь в породу.

В начале этого процесса часть вод из уплотняющихся 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% 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 одновозрастные 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. Для определения показателя интенсивности элизионного водообмена (ПИЭВ) используется формула:

где Vг - первоначальный объем глин данного водоносного комплекса (произведение площади распространения глинистой толщи на ее толщину);

?mг - величина изменения пористости глин в течение данного этапа;

Vп - объем песчаных коллекторов данного водоносного комплекса;

mп - пористость песчаников (с учетом изменения во времени).

Поскольку осадконакопление с захоронением вод происходит главным образом в морских бассейнах, почти все седиментогенные воды по происхождению относятся к талассогенным. В нефтегазоносных бассейнах основная масса подземных вод представлена седиментогенными (талассогенными) водными растворами.

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 иплит 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 также 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 водами иного происхождения. При наземной 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 просачивается 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 в напорные воды. Постепенно они вытесняют (частично или полностью) воды, находящиеся в пласте и таким образом происходит инфильтрационный водообмен. Для определения показателя интенсивности инфильтрационного водообмена (ПИИВ) используется формула:

где F - поперечное сечение древнего потока подземных вод;

V - скорость этого потока;

фi - длительность инфильтрационного этапа (по данным абсолютной геохронологии).

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 вглубь бассейна замедляется, на ее состав начинают влиять физико-химические процессы, а также смешение с седиментогенными 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+3Н2=Н2О+СН4

4СО+2Н2=2Н2О+3С+СО (между 900 и 10000С)

СО2+3Н2=СО+Н2О+2Н2 (при красном калении)

Химические реакции, при которых образуются молекулы воды, могут происходить в литосфере и при небольших температурах и давлении, например, при разрушении гидрокарбонатов и органических соединений:

подземная вода десульфирование

Са(НСО3)2=СаСО3+СО2+Н20

Мg(НСО3)2=МgСО3+СО2+Н2О

2С6Н10О5=С11Н10О3+СО2+5Н2О

Эти воды могут быть отнесены к литосферным. Они примыкают к возрожденным водам.

К эндогенным следует отнести и конденсатогенные воды, образование которых связано с конденсацией паров воды в процессе формирования (или переформирования) залежей нефти или газа.

Магматогенные воды образуются при конденсации водяных паров, выбрасываемых вулканами, из гидротерм и газовожидких 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.

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.

На стадии формирования осадков (диагенеза) 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) + Са2+ (в породе) = Са2+ (в растворе) + 2Na+ (в породе) или Mg2+ (в растворе) + Са2+ (в породе) = Mg2+ (в породе) + Са2+ (в растворе), т.е. Са2+ 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 dcsulfurkuns и Vibrio thermodesulfarikan). 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:

Na2SO4+2C+H2O=Na2CO3+H2S+CO2

В этом случае в воде появляется сода, вода приобретает щелочность. При участии сульфата кальция реакция может протекать по схеме:

СaSO4+2C+H2O=Сa2CO3+H2S+CO2

Образовавшийся труднорастворимый карбонат кальция выпадает в осадок. Реакция восстановления сульфатов в общем виде имеет следующее выражение:

MeSO4+2C=MeS+2CO2

где С - органические вещества, в том числе углеводороды;

Ме - металлы.

Основное значение процесса десульфирования заключается в обеднении вод кислородом, окислении органических веществ и в общем восстановлении вод.

При дальнейшем пригибании дна бассейна, повышении геостатической 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 образуется супергидростатическое давление, повышается температура до 50-700С. При взаимодействии твердой фазы в водных растворах идет процесс доломитизации по схеме:

MgCl2+2CaCO3>CaMg(CO3)2+CaCl2

раствор порода порода раствор

Таким образом, в подземных водах происходит дальнейшее повышение содержания хлоридов кальция, продолжаются процесс преобразования органического вещества и генерации 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 1800С. 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:

Са(НСО3)2>СаСО3v+СО2+Н20

По Н.Б.Вассоевичу (1969, 1974) основная масса нефти генерируется в главную фазу нефтегазообразования в интервале глубин 2-4 км при температурах 70-1500С. 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 стадии катагенеза - в апокатагенезе - в условиях, когда температура превышает 2000С, 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 2500 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:

2NaНСO3+CаСl2=CaCO3v+2NaCl+ H2O+CO2

Na2SO4+CaCl2+2H2O=2NaCl+ CaSO4•2H2Ov

Таким образом, в процессе формирования подземных вод нефтегазоносных бассейнов существенное значение имеют как периоды накопления осадков и процессы, их сопровождающие, так и перерывы в осадконакоплении, когда происходят регрессии моря, выход пород на земную поверхность и внедрение в уже сформировавшиеся породы инфильтрационных маломинерализованных вод.

Такие периоды в гидрогеологической истории нефтегазоносного 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 гидрогеологической истории водоносных комплексов могли происходить один или несколько гидрогеологических циклов. Соответственно менялись и процессы формирования подземных вод.

Контрольные вопросы

Какие генетические типы вод характерны для НГБ?

Какую роль возрожденные воды играют в миграции УВ?

В чем заключается процесс десульфирования?

На каких этапах происходит элизионный водообмен?

Как рассчитать ПИИВ?

Какие процессы идут на инфильтрационных этапах гидрогеологического цикла?

Как элизионные процессы влияют на условия нефтегазонакопления?

Размещено на Allbest.ru