Геологические процессы и документы

 

Происхождение и состав подземных вод

Подземные воды по происхождению  подразделяются на следующие типы: инфильтрационные, конденсационные, седиментационные (или реликтовые), магматогенные (ювенильные).

Инфильтрационные  воды. Образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков или вод рек и озер по порам и трещинам горных пород. Общий объем воды, выпадающей на поверхность Земли в течение года, оценивается в 108,4 тыс. км³. Из них более двух третей (71,1 тыс. км³) испаряется, т. е. возвращается в атмосферу, а одна треть (37,3 тыс. км³) формирует поверхностный сток; часть этого стока, расходуемая на увлажнение почв, проникает в пласты-коллекторы, образуя инфильтрационные воды.

Конденсационные воды. Их происхождение объясняют конденсацией атмосферной влаги в порах и трещинах пород в условиях резких суточных колебаний температуры пустынь.

Седиментационные (реликтовые) воды. Образуются за счет захоронения вод древних бассейнов совместно с накопившимися в них осадками. Большая часть осадочных горных пород образовалась из осадков, которые формировались в водной среде. Воды этих древних морских или озерных водоемов могли сохраниться в осадках и в сформировавшихся из них породах или просочиться в окружающие породы. В том и другом случае такие подземные воды относят к седиментационным, или реликтовым. В зависимости от того, остались реликтовые воды на месте или переместились в другие толщи, их подразделяют на две разновидности. К первой относят так называемые сингенетичные подземные  воды,  которые были захоронены одновременно с заключающим их осадком. Они составляют только одну часть захороненных совместно с осадком вод. Другая их часть при уплотнении осадка отжимается в перекрывающие или подстилающие толщи. Эти подземные воды называют эпигенетичными.

Магматогенные (ювенильные) подземные воды. Поступают они из глубинных недр земной коры, их происхождение связано с остыванием расплавленной магмы.

Подземные воды, как правило, содержат растворенные соли. Суммарное  их количество в единице объема называют общей минерализацией вод. Насыщение подземных вод различными солями происходит в процессе сложного взаимодействия подземных вод и горных пород, по которым они движутся. Подземные воды, растворяя легкорастворимые соединения, переносят их на большие расстояния и при определенных условиях могут осаждать в виде минералов в пустотах горных пород или у выходов подземных вод на поверхность.

Подземные воды, как правило, содержат растворенные соли. Суммарное  их количество в единице объема называют общей минерализацией вод. Насыщение подземных вод различными солями происходит в процессе сложного взаимодействия подземных вод и горных пород, по которым они движутся. Подземные воды, растворяя легкорастворимые соединения, переносят их на большие расстояния и при определенных условиях могут осаждать в виде минералов в пустотах горных пород или у выходов подземных вод на поверхность.

Крупнейший советский  геохимик В. И. Вернадский подразделил  все природные воды по степени  их минерализации на пресные, солоноватые, соленые и рассолы. Согласно этой классификации пресные воды содержат меньше 1 г/л растворенных солей; солоноватые — 1—10 г/л; соленые — 10— 50 г/л; рассолы — более 50 г/л.

Помимо количественных показателей при классификации  подземных вод используют данные о химическом составе растворенных в них солей. Подземные воды классифицируют по химическому составу на основании преобладающих анионов и катионов. Наиболее распространенными классами вод, выделенными по преобладающим анионам, являются: гидрокарбонатные (НСО₃¯ >25 %-экв), сульфатные (SO₄^2¯ > 25 %-экв), хлоридные (Сl¯ > 25 %-экв), сложного состава (сульфатные гидрокарбонатные, хлоридные гидрокарбонатные и т. д.).

Если при  классификации вод используют данные о составе солей, то выделяют воды гидрокарбонатные кальциевые, гидрокарбонатные магниевые, сульфатные кальциевые, хлоридные кальциевые и т. д. Таким образом, при полной характеристике подземных вод указывают их класс по степени общей минерализации и тип по составу преобладающих анионов и катионов. Например, характеризуя воды глубокозалегающих водоносных горизонтов европейской части СССР, отмечают, что они представлены рассолами с общей минерализацией 270—350 г/л, хлоридными натриевыми и хлоридными натриево-кальциевыми по составу.

В верхних слоях земной коры в общем случае устанавливается четко выраженная вертикальная гидрохимическая зональность: сверху вниз располагаются зоны гидрокарбонатных, сульфатных и, наконец, хлоридных вод.        

 

Условия залегания подземных вод

 

По условиям залегания обычно выделяют следующие типы подземных вод:

Воды верховодки. Верховодкой называется подземная вода, залегающая на небольшой глубине в зоне аэрации — зоне свободного проникновения воздуха. Обычно верховодка не имеет сплошного распространения, а образует сравнительно небольшие линзы, которые подстилаются водоупорными породами. Мощность таких линз верховодки обычно не превышает 0,5—1 м, реже достигает 2—3 м. Здесь вода находится уже в гравитационной форме и обладает уровнем. Уровень воды верховодки подвержен значительным колебаниям, чем и объясняется ее исчезновение в колодцах в районах с засушливым климатом.

Грунтовые воды. Атмосферные воды, просачиваясь сверху вниз до водоупора, а затем перемещаясь в горизонтальном направлении, постепенно заполняют все пустоты горной породы. Так возникают водоносные горизонты.

Водоносным  горизонтом называется пласт или слой породы, в котором поры, пустоты и трещины заполнены водой. У каждого такого пласта имеются кровля и подошва. Если пласт не полностью заполнен водой, то под водоносным горизонтом понимают лишь его водонасыщенную часть. Первый от земной поверхности постоянный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Грунтовые воды обладают свободной поверхностью — зеркалом, или уровнем грунтовых вод. Этот уровень непостоянен. Обычно он повышается в дождливые и понижается в засушливые периоды. Если уровень грунтовых вод на каком-то участке поднимается до земной поверхности, то здесь образуется болото.

В целом грунтовые  воды характеризуются наличием свободной водной поверхности — уровня, наличием только одного, подстилающего, водоупора и отсутствием напора.

Межпластовые (пластовые) воды. Отличие межпластовых вод состоит прежде всего в том, что они заключены между двумя водоупорами, т. е. ограничены ими и сверху (со стороны кровли) и снизу (со стороны подошвы). Водоносные горизонты, содержащие межпластовые воды, обычно характеризуются обширной областью распространения, часто измеряемой тысячами квадратных километров. При этом они залегают на значительной глубине, выходя на поверхность лишь на периферии.

Подземные воды вместе с  вмещающими их породами образуют гидродинамические системы, которые делятся на безнапорные и напорные.

Безнапорные гидродинамические системы обычно характерны для бассейнов грунтовых вод, не обладающих естественным напором.

В пределах напорных систем атмосферные воды попадают в проницаемый пласт в районах, где он обнажается на поверхности, в так называемой области питания. Постепенно атмосферная влага проникает вглубь и полностью насыщает весь пласт. Перемещаясь по пласту, вода достигает других участков выхода его на поверхность и самоизливается, образуя источники подземных вод. Это область разгрузки, или дренажа пластовых вод. В зависимости от рельефа и высотного положения областей питания и разгрузки в центральной, наиболее прогнутой части бассейна могут существовать условия, благоприятные для создания напора, т.е. самопроизвольного излияния воды под давлением.

Таким образом, в центральной  части бассейна образуется область напора, в пределах которой вода из скважин способна изливаться в виде фонтана. Высота подъема воды зависит от расположения скважин относительно областей питания и дренажа и от гидростатического уровня.

Гидростатическим (пьезометрическим) уровнем называется воображаемая поверхность, проходящая через область питания и разргузки и определяющая высоту подъема воды в данном месте. Пьезометрический уровень обычно выражается в абсолютных отметках по отношению к уровню моря. Выше этого уровня артезианская вода при фонтанировании подняться не может.

Другой характеристикой  области напора является гидростатический (пьезометрический) напор, под которым понимают высоту столба воды от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня. Пьезометрический напор выражается в метрах.

 

Воды нефтяных и газовых местрождений

 

Пластовые воды нефтяных и газовых месторождений, согласно классификации М. А. Жданова  и др. (1966 г.), подразделяются по отношению  к залежи нефти или нефтеносному пласту на несколько разновидностей: нижняя краевая вода располагается в пониженных частях нефтяного пласта, подпирает нефтеносную залежь; подошвенная — в нижней, подошвенной, части нефтяного пласта в пределах всей структуры, включая ее сводовую часть; промежуточная вода приурочена к водоносным пластам или пропласткам в нефтяном пласте, являющимся единым объектом разработки; верхняя — к чисто водоносным пластам, залегающим выше нефтяной залежи; нижняя — к чисто водоносным пластам, залегающим ниже нефтяной залежи.

На нефтяных и газовых  месторождениях нефть и газ залегают совместно с подземными водами. При этом происходит их естественная сепарация по плотности: самое высокое положение занимает газ, ниже залегает нефтенасыщенная часть пласта, а еще ниже — водонасыщенная. Эти участки пласта условно отделяются друг от друга поверхностями газонефтяного (ГНК) и водонефтяного (ВНК) контактов. Указанная способность газа, нефти и воды к естественной сепарации является причиной того, что в естественных условиях нефть и газ обычно находятся в так называемых ловушках. Наиболее распространены ловушки структурного типа — выпуклые изгибы пластов, перекрытые непроницаемыми породами .

Наличие в нефтяных месторождениях изолированных газовых залежей  и многообразие типов подземных  вод обусловливают и различное  положение контактов между газом, нефтью и водой. В частности, для нижних краевых вод положение контакта нефть—вода определяется двумя контурами: внешним и внутренним. Внешний контур проводится по кровле нефтеносного пласта, а внутренний — по подошве. Часть пласта, расположенная между внутренним и внешним контурами нефтеносности, содержит вверху нефть, внизу воду и называется приконтурной зоной.

Геологи-нефтяники  постоянно изучают подземные  воды нефтяных и газовых месторождений, их динамический режим и химический состав. Следует отметить, что подземные воды указанных месторождений, как правило, характеризуются повышенной минерализацией. По составу эти воды обычно относятся к типу хлоридных кальциевых (хлоркальциевых), реже гидрокарбонатных натриевых. Они отличаются повышенным содержанием ионов йода, брома, часто в них присутствует сероводород. К характерным особенностям вод нефтяных месторождений относятся отсутствие или весьма малое содержание сульфатов и наличие солей нафтеновых кислот. Присутствие углерода органического происхождения в подземных водах нефтяных месторождений создает восстановительную химическую обстановку, приводящую к восстановлению сульфатов по схеме

 МеSO₄ + 2C = МеS + 2СО₂,

где Ме — металлы, С  — органический углерод (нефти, битума, газов).

В зависимости от металла  реакция приводит к образованию различных соединений. Так, при восстановлении сульфата натрия

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

образуется растворимая  в воде сода Na₂СО₃, повышающая щелочность пластовых вод. При восстановлении сульфата кальция

СаSO₄ + 2С + Н₂O = СаСО₃+ Н2S + СО₂

образуется нерастворимый  в воде кальцит СаСО₃, выпадающий в осадок и ухудшающий коллекторские свойства пород в приконтурной зоне. Однако в любом случае выделяется сероводород, который впоследствии реагирует с различными оксидами, образуя пирит, халькопирит и другие минералы группы сульфидов.

Процессу восстановления сульфатов — десульфатизации способствуют микроорганизмы — особые бактерии-десульфатизаторы, живущие в нефти. Среди них наиболее распространены Vibrio desulfuricas и Vibrio thermodesulfuricas.

Для установления общей  минерализации пластовых вод  определяют количество солей, растворенных в 1 л, т. е. массу сухого остатка, которая  выражается в процентах по отношению  к массе 1 л воды. Многочисленные анализы вод нефтяных и газовых месторождений показали, что их общая минерализация колеблется в довольно больших пределах. Например, в Грозненском районе она составляет 6,3 %, в районе Баку достигает 17 % и т. д.

В процессе разработки нефтяных месторождений положение контура  нефть—вода меняется. Одной из задач разработки является обеспечение равномерного его продвижения. Дело в том, что пластовые воды с их напором играют роль источника энергии для вытеснения нефти из коллектора. Поэтому на начальной стадии эксплуатации месторождения скважины, вскрывшие нефтяную часть пласта, фонтанируют. По мере интенсивного отбора нефти давление в пласте постепенно падает, а контур нефть — вода перемещается к своду залежи. Для поддержания высокого давления в нефтяном пласте и продления наиболее экономичного фонтанного периода эксплуатации по периферии залежи (за контуром нефть — вода) бурят нагнетательные скважины, по которым в пласт закачивают воду, восстанавливая тем самым давление в пласте.

Изучение подземных  вод нефтяных и газовых месторождений  имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Результаты этого изучения используются для правильной, оценки перспектив нефтегазоносности территорий. Благоприятными гидрохимическими показателями при этом служат низкое содержание в водах сульфатов и повышенное карбонатов, а также повышенная концентрация йода, брома, сероводорода в водах хлоркальциевого типа и т.д. Если подземные воды исследуемого района характеризуются указанными особенностями, это позволяет предполагать наличие здесь нефтяных, газовых или газоконденсатных месторождений.

 

Карстовые процессы  

Геологическая деятельность, совершаемая подземными водами, заключается  прежде всего в растворении минералов  или горных пород, по которым они  движутся. Растворяющая способность  подземных вод значительно усиливается с повышением давления и температуры, а также при наличии растворенных в них газов. В частности, химически чистая вода оказывает на известняки незначительное растворяющее действие, но в присутствии углекислого газа агрессивность воды резко повышается.

Наиболее легко растворяются такие минералы, как галит, сильвин, кальцит, доломит, гипс и др. В районах  распространения пород, сложенных  этими минералами, вода, проникая по трещинам и порам, растворяет (выщелачивает) отдельные зерна минералов и после установления сквозного стока уносит их в растворенном виде. Таким образом, подземное выщелачивание приводит к образованию вторичных коллекторов из пород, которые формировались как водоупоры. По коллекторским свойствам вторичные коллекторы не только не уступают первичным, но часто и превосходят их.