книги / Нефтегазовая гидрогеология
..pdfенты на какое-то время могут достигать величин порядка десятых долей против наблюдаемых в статическом состоянии величин по рядка тысячных и десятитысячных долей.
Это явление важно учитывать при характеристике форм массопереноса. Величины гидравлических градиентов, наблюдаемые в статических условиях, по некоторым данным нередко ниже значе ний, необходимых для достижения начальных градиентов, что пре пятствует фильтрации и тем самым резко снижает возможные ско рости массопереноса. В геодинамических же системах дело может обстоять иначе. Там фильтрация растворов, по-видимому, может, обеспечивать относительно значительные скорости и объемы мас сопереноса.
Глава V
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
БАССЕЙНЫ И ГЕОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
При изучении нефтегазоносности недр наряду с геологическим важное значение приобретает и гидрогеологическое районирова ние. Среди основных факторов, определяющих особенности гид рогеологического районирования, необходимо выделить: физикогеографический, учитывающий рельеф, климат, гидрографию; гео логический, отражающий тектоническое строение района, возраст водовмещающих пород, их состав, наличие или отсутствие разло мов, проявления вулканической деятельности и т.д.; геоморфоло гический, отмечающий связь тектонических структур с рельефом; гидрогеологический, учитывающий особенности залегания вод, водонасыщенность пород, условия питания и разгрузки, движения, химический и газовый составы вод, их температуру, закономерно сти изменения гидрогеологических параметров по площади и раз резу и т.д., наконец, народнохозяйственный, отражающий роль природных вод в водоснабжении населенных пунктов и промыш ленности, в использовании для бурения нефтяных и газовых сква жин, закачки в целях поддержания пластового давления, ис пользовании водоносных горизонтов для магазинирования УВ и промстоков и т.д.
При гидрогеологическом районировании необходим учет всех перечисленных факторов, при этом следует исходить из единства и взаимосвязи всех вод в пределах литосферы и далее вне ее (по верхностных, грунтовых, напорных и т.п.).
В истории развития гидрогеологических знаний наметились два подхода к гидрогеологическому районированию. Ряд исследовате лей, например В. С. Ильин, Б. Л. Дичков, О. К. Ланге, А. Н. Семихатов и др., придерживались необходимости раздельного райо нирования грунтовых и напорных (артезианских) вод, считая при этом, что в распространении грунтовых вод ведущим фактором является физико-географический, а артезианских - геолого-струк турный.
Идею совместного районирования этих вод пропагандировали в своих работах И. К. Зайцев, Г. Н. Каменский, А. И. Силин-
Бекчурин, А. М. Овчинников и др. Их представления основаны на положениях о единстве вод земной коры и о ведущей роли в их распределении структурно-геологического принципа. И. К. Зай цев и Н. И. Толстихин (1963) под основной единицей — гидроге ологическим районом первого порядка — понимают природный резервуар, заполненный водой, в пределах которого происходят питание, накопление и разгрузка подземных вод. Эти исследова тели выделили два типа гидрогеологических районов первого по рядка — артезианский бассейн и гидрогеологический массив, ко торые состоят из гидрогеологических районов второго и третьего порядков. К надпорядковым единицам гидрогеологического райо нирования Н. И. Толстихин (1971) отнес глобальные пояса арте зианских бассейнов, выделяя в пределах земного шара арктичес кий, бореальный, средиземноморский, экваториальный, южный, приантарктических котловин, антарктический и тихоокеанский пояса артезианских бассейнов, сосредоточенных вокруг Тихого океана.
В последнее время все большее число исследователей считают основной единицей гидрогеологического районирования бассейн подземных вод. Так, Б. Е. Антыпко и Л. А. Островский (1987) в качестве бассейна подземных вод рассматривают регионально об водненную гидрогеологическую структуру с преобладанием того или иного типа скоплений подземных вод или с определенным сочетанием типов скопления подземных вод. В зависимости от характеристики коллектора ими выделяются типы скоплений под земных вод: пластовый, блоково-пластовый, пластово-блоковый, блоковый, коровый, покрово-потоковый. В качестве гидрогеоло гической структуры рассматривается геологическая структура (по ложительная или отрицательная), часть ее или совокупность гео логических структур, объединенных общностью условий распрос транения и формирования подземных вод. В соответствии с таким подходом выделяется ряд гидрогеологических структур: бассейн пластовых вод, бассейн блоково-пластовых вод, бассейн пластово блоковых вод, бассейн блоковых вод, бассейн покрово-потоковых вод.
Таким образом, подходы к гидрогеологическому райониро ванию могут иметь различия в зависимости от целей и задач, стоящих перед исследователями. Сейчас общепризнанным явля ется тот факт, что важнейшим элементом гидрогеологического рай онирования является гидрогеологическая структура, характеризу ющая пространственное распределение вод в земной коре и их взаимоотношение с вмещающими породами. К этим структурам относятся бассейны вод или гидрогеологические бассейны.
Из приведенной на рис. 24 схемы видно, что гидрогеологичес кие бассейны подразделяются на бассейны суши и бассейны мо рей и океанов.
Среди гидрогеологических бассейнов суши выделяются: бассейны пластовых вод (часто называемые артезианскими) и бассейны тре щинных и жильно-трещинных вод (по терминологии ряда авторов
— гидрогеологические массивы трещинных и жильно-трещинных вод).
Рис. 24. Схема классификации гидрогеологических бассейнов
Под бассейном пластовых вод (рис. 25) понимается крупная впадина (прогиб, синеклиза), выполненная преимущественно оса дочными породами, залегающими на породах фундамента (ложе бассейна), в пределах которой имеются водоносные пласты (гори зонты, комплексы с напорными водами) и водоупорные толщи. При наличии мощных региональных водоупоров, ограничиваю щих сверху и снизу водоносные комплексы, в разрезе бассейна пластовых вод могут быть выделены гидрогеологические этажи. В верхней части бассейна пластовых вод чаще всего расположен суббасейн грунтовых вод со свободной поверхностью (безнапорной), основную же часть занимают напорные воды. Бассейны пластовых вод характерны преимущественно для равнинно-платформенных условий, а также для предгорных и межгорных впадин.
Бассейны трещинных и жильно-трещинных вод приурочены обычно к складчатым областям и кристаллическим щитам, где рас-
Рис. 25. Схема гидрогеологического бассейна.
Породы: 1 - коллект оры; 2 - водоупоры; 3 - магматические; 4 - мета морфические; 5 - система трещин в магматических породах; 6 - тектоничес кие нарушения; 7 - направление движения пластовых вод; 8, 9 - области соот ветственно питания и разгрузки вод. А - бассейн трещинных и жильно-тре- щииных вод; Б - суббассейн грунтовых вод; В - бассейн трещинных и жильно трещинных вод; природные водонапорные системы: а - инфильтрациониые; б - элизионные
пространены изверженные, метаморфические и метаморфизованные уплотненные и часто смятые в складки породы. Скопления вод связаны с трещинными зонами, где распространены трещин но-жильные воды. Бассейны трещинных вод часто находятся и в фундаменте — ложе бассейнов пластовых вод.
В. А. Кирюхин и Н. И. Толстихин (1987 г.) выделяют особую группу — вулканогенные бассейны, характеризующиеся сложным и разнообразным строением. Верхне-, внутри- и межлавовые воды в них циркулируют в эффузивных образованиях в пределах распро странения лавовых покровов, конусов вулканов, в трещиноватых и кавернозных толщах застывших лав. Вулканогенные бассейны суши известны в СССР (на Камчатке, Курильских островах, в Ар мении, Грузии, Закарпатье), в Западной Европе, Центральной и Южной Америке, на Африканском континенте и др. Промежуточ ное положение занимают вулканогенные бассейны островных дуг,
образующие цепи вулканических островов, расположенных вдоль глубинных разломов земной коры и верхней мантии, и протягива ющиеся на тысячи километров (Идзу-Марианская, Австралазийская системы островных дуг и др.); вулканогенные бассейны здесь находятся частью на суше, а частью (иногда большей) на дне мо
рей и океанов. Выделяются и собственно субмаринные вулканоген ные бассейны, приуроченные к дну Мирового океана, еще очень мало изученные.
Крупные гидрогеологические бассейны суши, которые занима ют огромные территории и имеют сложное строение, следует име новать гидрогеологическими мегабассейнами, К их числу можно отнести Прикаспийский (свыше 500 тыс. км2), Западно-Сибирский (около 3 млн. км2), Восточно-Сибирский (свыше 10 млн. км2), вклю чающий Ангаро-Ленский, Тунгусский, Лено-Енисейский и Якутс кий гидрогеологические бассейны, характеризующиеся общими осо бенностями строения и сложной взаимосвязью друг с другом.
Условия движения вод в гидрогеологических бассейнах могут быть весьма различными и обусловлены типом геогидродинамических (водонапорных) систем (рис. 26). Под геогидродинамической системой понимают систему литосферных вод вместе с вмещаю щими их пластами и трещинными зонами, характеризующуюся общими (сходными) условиями возникновения движения вод. Среди геогидродинамических систем выделяют системы грунто вых (безнапорных) и напорных вод. Геогидродинамические систе мы напорных вод (водонапорные системы) подразделяют на инфильтрационные и эксфильтрационные.
Развитие представлений о природных водонапорных систе мах при некотором различии в терминологии отражено в рабо тах В. Н. Щелкачева, Г. Б. Пыхачева, В. Н. Корценштейна, А. М. Овчинникова, А. А. Карцева, С. Б. Вагина и др.
Рис. 26. Схема классификации геогидродинамических систем
В природной инфилътрационной водонапорной системе напор создается в результате инфильтрации атмосферных
|
и поверхностных вод в кол |
|
лекторы и действия образуе |
|
мой этими водами нагрузки |
|
(гидростатической). Поэтому |
|
водонапорные системы этого |
|
типа могут быть названы так |
|
же гидростатическими. В во |
|
доносных пластах, входящих |
|
в этот тип водонапорных си |
Рис. 27. Схема инфильтрационной водо |
стем, пластовые давления со |
напорной системы. |
ответствуют гидростатичес |
Породы: 1 - коллекторы; 2 - водоупоры; |
ким (рис. 27). |
3 - направление движения вод; 4 - пьезо |
Инфильтрационные водо |
метрический уровень. |
|
Области: I - питания; II - напора и сто |
напорные системы являются |
ка; III - разгрузки. |
открытыми, системами. Ос |
|
новная форма энергии — по |
тенциальная энергия жидкости в поле силы тяжести. Для инфильтрационных водонапорных систем пластовое давление определя ется формулой
P = H p g , |
(V.1) |
где Я —пьезометрический напор; р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Природные эксфипътрационные водонапорные системы харак теризуются созданием напоров в водоносных (нефтегазоводонос ных) пластах (горизонтах, комплексах) вследствие перетока жид кости из одних пластов (или их частей) в другие пласты (или их части) без пополнения жидкостью извне. К эксфильтрационным относятся элизионная геостатическая (литостатическая), элизионная геодинамическая и термодегидратационная водонапорные системы.
В элизионной геостатической водонапорной системе напор создается при выжимании вод из уплотняющихся осадков и по род в коллекторы и частично при уплотнении самих коллекторов с выжиманием вод из одних их частей в другие (рис. 28). Элизионные геостатические водонапорные системы приурочены к про гибающимся участкам земной коры, выполненным достаточно мощным комплексом осадочных образований. Они представля-
ют собой закрытые или по |
|
|
лураскрытые системы. Сооб |
|
|
щения с земной поверхнос |
|
|
тью или совсем нет, или оно |
|
|
осуществляется только в зо |
|
|
нах разгрузки. Основная |
|
|
форма энергии — потенци |
|
|
альная энергия упругой де |
|
|
формации жидкости, накап |
|
|
ливающейся в коллекторах в |
|
|
результате уплотнения отло |
|
|
жений и выжимания из них |
|
|
вод. |
2 P ^ ]j prq4 |
|
Вследствие процессов уп |
|
|
лотнения осадков и пород в |
|
|
коллекторах образуется из |
|
|
быточное количество жидко |
Рис. 28. Схема элизионной геостатической |
|
сти Q ^. Приращение давле |
водонапорной системы. |
|
ния происходит в соответ |
1 - породы-коллекторы; 2 - уплотняющие |
|
ствии с законом |
глины и глинистые породы; 3 - направление |
|
движения пластовых вод; 4 - пьезометри |
||
|
||
|
ческий уровень. |
|
АP = Q v /P 'V *. (V.2) |
Области: I - питания и напора; II и II' - |
|
|
соответственно открытой и скрытой раз |
|
где Др — приращение дав |
грузки |
|
|
||
ления; р* — коэффициент |
|
сжимаемости жидкости; УоЫ — общий объем жидкости в водона порной системе.
В элизионной литостатической водонапорной системе пласто
вое давление |
|
рм = (Яр + Ap)g |
(V.3) |
Наиболее интенсивный процесс уплотнения отмечается обыч но в самых погруженных частях впадин. В водонапорных системах этого типа пластовое давление может быть выше гидростатическо го - и истинного, и условного. При этом под условным гидроста тическим давлением понимают давление столба воды (плотностью 1 г/см3 ) от плоскости замера до земной поверхности над точкой замера. Если пластовое давление выше условного гидростатического {pJpyS>1) называют аномально высоким пластовым давлени ем (АВПД). На самом деле это давление нормальное, присущее развивающимся элизионным водонапорным системам, и должно быть названо супергидростатическим.
Вэлизионных геодинамических водонапорных системах, встре чающихся преимущественно в областях интенсивной складчатос ти и повышенной сейсмичности, напор вод создается в результате геодинамического давления. Тектонические сжатия приводят к возникновению высоких пластовых давлений. В складчатых обла стях и в предгорных прогибах отношение пластового давления к условному гидростатическому нередко составляет 1,8-2. Подобные явления отмечены в Западно-Таджикской депрессии (А. А. Карце вым, С. Б. Вагиным, И. В. Яворчук), в Предкарпатском прогибе (А. А. Орловым) и в других районах.
Впределах некоторых водонапорных систем могут создаваться
изоны с пластовым давлением ниже условного гидростатическо го. Такое явление, в частности, может иметь место в областях раз вития тектонических растяжений — как в зоне интенсивной склад чатости, так и на платформе. Ю. И. Яковлевым и Р. Г. Семашевым на материалах по Восточной Сибири выделены природные водо напорные системы, названные ими системами депрессионного типа. Механизм образования таких водонапорных систем заключается в частичном поглощении (засасывании), вод из осадочного чехла в раздробленные породы разломных зон верхней части фундамента. Тектонические движения приводят к появлению трещинной по ристости. Отток вод в породы фундамента в свою очередь приво дит к возникновению в осадочных отложениях депрессионных зон или пьезоминимумов, где пластовые давления ниже условных гид ростатических. Для водонапорных систем подобного типа аномаль но низкие пластовые давления (АНПД), т.е. давления ниже услов ных гидростатических, естественны и поэтому их следует имено вать субгидростатическими.
Втермодегидратационных водонапорных системах напоры вод создаются вследствие появления избыточного количества жидко сти при термической дегидратации минералов, т.е. контролируют ся геотемпературным полем. Термодегидратация минералов сопро вождается выделением химически связанных вод в свободную фазу. Это приводит к опреснению подземных вод в глубокопогруженных частях гидрогеологического бассейна. Одним из признаков элизионных термодегидратационных водонапорных систем мож но считать проявление на глубинах вод относительно пониженной минерализации (см. табл. 7).
Геогидродинамические системы развиваются во времени и про странстве. Их эволюция определяется гидрогеологической исто рией бассейна пластовых вод. Одни и те же водоносные комплек сы на протяжении времени своего существования могут попере менно входить в состав эксфильтрационных и инфильтрационных
природных водонапорных систем. Тип водонапорной системы свя зан с характером текущего этапа гидрогеологической истории кон кретного водоносного комплекса.
Если какой-либо водоносный комплекс перекрывается более молодыми осадками и для него начинается второй гидрогеоло гический цикл, то в нем происходит перераспределение давле ния вследствие возобновляющейся компрессии глинистых по род и поступления выжимаемых вод в коллектор. Таким обра зом совершается постепенный переход инфильтрационной во донапорной системы в элизионную. На инфильтрационном этапе второго гидрогеологического цикла вновь происходит перерас пределение давления и т.д. Схема гидродинамического разви тия природных водонапорных систем при переходе от одного гидрогеологического цикла к другому была разработана В. А. Кудряковым (рис. 29). Она дает представление о том, как происходит перераспределение давления в коллекторах, с помо щью кривых, отражающих изменение пьезометрических уров ней. В дополнение к этой схеме следует добавить, что погруже ние водоносных комплексов на большие глубины может приве сти к переходу элизионной геостатической водонапорной сис темы в термодегидратационную. Это произойдет в том случае, если водоносные комплексы окажутся в зоне достаточно высо ких температуры и давления. Поскольку процесс перераспреде ления давления в водонапорных комплексах идет продолжитель ное время и нередко неравномерно, в морфологически едином бассейне возможно наличие генетически разнородных водона порных систем. Это могло быть и в геологическом прошлом бас сейна пластовых вод, может быть и в современных гидрогеоло гических бассейнах.
На рис. 30 показано распространение в гидрогеологических бас сейнах природных водонапорных систем гомогенных (однородных) и гетерогенных (разнородных). В простейшем случае в гидрогео логических бассейнах могут быть распространены только инфильтрационные или только эксфильтрационные системы. В пос леднее время все больше выявляется случаев сложного соче тания генетически разнородных природных водонапорных систем в морфологически единых бассейнах, особенно в бассейнах с мощ ным осадочным чехлом.
Примерами гидрогеологических бассейнов с гетерогенными водонапорными системами могут служить Азово-Кубанский, Ка ракумский, Прикаспийский. Так, в Каракумском гидрогеологи ческом бассейне элизионная геостатическая водонапорная сис тема выявлена в центральной части Мургабской впадины и ха-