Нефтегазовая геология

 

 

Воды нефтяных месторождений с растворенными в них солями. Метеорные и погребённые воды

 

Вода

 

Воды, ассоциирующие с нефтяными и газовыми залежами, называются водами нефтяных месторождений (oil-field waters) [5]. Скважины, вскрывшие перспективно нефтегазоносные пористые породы и показавшие при испытании только воду или воду с непромышленными количествами нефти и газа (т.е. скважины, которые не обнаружили нефтяную или газовую залежь), называются сухими, водяными или непродуктивными (dry holes, wet wells, clusters, failures). Как уже было отмечено ранее, нижняя поверхность расположенной вниз по падению слоев границы большинства нефтяных и газовых залежей представляет собой водо-нефтяной или газо-водяной контакт. Свободные воды, окружающие залежь и заполняющие поровое пространство пород ниже залежи и вокруг нее, называются подошвенными или краевыми водами в зависимости от их положения относительно залежи.

 

По мере снижения дебитов нефти и газа из большинства скважин начинает поступать все увеличивающееся количество свободной воды. Это поровые, подошвенные или краевые воды. На некоторых залежах вода поступает вместе с нефтью из скважин уже на ранних стадиях эксплуатации, в других же случаях нефть никогда не сопровождается сколько-нибудь заметным количеством воды. Пластовые воды в вышележащих толщах, изолированные от природного резервуара, содержащего нефть или газ, называются верхними водами. Воды из водоносных формаций, залегающих между продуктивными горизонтами, называются промежуточными.

 

Аномальной в этом отношении является залежь Мьюзик-Маунтин в Пенсильвании (см. стр. 286-287: прибрежные бары и 7-17). Здесь было добыто 5 млн. баррелей нефти, и, хотя в настоящее время залежь почти выработана, ни одна из скважин так и не дала свободной воды. Природный резервуар представляет собой песчаное тело рукавообразной формы; никаких данных о содержании поровой воды в песчаниках нет. В Аппалачском регионе встречаются и другие залежи, на которых не было установлено краевых или свободных вод. Это, например, месторождение Кабин-Крик [6], залежь Копли [7], залежи Гриффитсвилл, Гранни-Крик и Робинсон-Синклайн [8] в Западной Виргинии.

 

 

Классификация вод нефтяных месторождений

 

По своему генезису воды нефтяных месторождений могут быть разделены на три группы: метеорные, погребенные и смешанные.

 

Метеорные воды ‑ это воды, которые выпадают в виде дождей и заполняют пористые и проницаемые породы верхних горизонтов разреза или просачиваются сквозь них вдоль поверхностей напластования, по системе трещин и проницаемым прослоям. Воды этого типа содержат связанный кислород, главным образом в виде углекислого газа. Они проникают в породы из вадозной зоны над зеркалом грунтовых вод, где кислород вступает в реакцию с сульфидами, образуя сульфаты, а двуокись углерода входит в состав карбонатов и бикарбонатов. Присутствие карбонатов, бикарбонатов и сульфатов в водах какого-либо нефтяного месторождения указывает на то, что по крайней мере частично эти воды поступили сюда с поверхности. Подобные метеорные воды могут быть генетически связаны с современной поверхностью земли и свидетельствовать о смешении грунтовых вод с водами нефтяных месторождений. Они также могут быть связаны с погребенными поверхностями несогласия, ранее обнажавшимися и подвергавшимися воздействию атмосферных осадков. Характер вод многих нефтяных месторождений в Скалистых горах, например, позволяет предполагать, что они смешаны с метеорными водами [9].

 

Под погребенными водами (connate waters) первоначально понимали морские воды, в которых отлагались осадки; вероятно, они сначала заполняли все поры. Сомнительно, однако, чтобы воды нефтяных месторождений действительно представляли собой автохтонные [унаследованные] морские воды. В настоящее время погребенными водами называют связанные воды (interstitial waters), находившиеся в коллекторах до вскрытия их бурением [10]. Причиной изменения содержания термина явилось то, что большинство вод в подземных коллекторах совершенно отлично по химическому составу от морских; они, без сомнения, циркулировали и перемещались, а первичные седиментационные воды были, вероятно, полностью замещены другими водами. Большинство вод нефтяных месторождений представляет собой растворы солей или рассолы [в СССР рассолами называют воды с содержанием солей более 3,5%], характеризующиеся значительным содержанием хлоридов, особенно хлористого натрия. Концентрация растворенных твердых веществ в них часто во много раз выше, чем в современной морской воде. Из этого следует, что если содержание растворенных мине­ральных веществ в древних морях было приблизительно таким же, как в современных, то в первичные воды, после того как они проникли в породы, должно было дополнительно поступить определенное количество минеральных соединений.

 

[Точный перевод термина «connate waters» вызывает большие трудности. В буквальном смысле слова это сингенетичные, или автохтонные, воды, попавшие в осадок одновременно с его образованием и сохранившиеся в нем после его превращения в породу (реликтовые воды). Нередко эти воды называют погребенными. Все перечисленные русские (собственно русские и иноязычные, но принятые в нашей литературе) термины при их букваль­ном понимании создают впечатление об унаследованности в породе вод, когда-то попавших в исходный для нее осадок из бассейна седиментации. Между тем в геологической действительности такого типа реликтовые, или погребенные, воды (если иметь в виду не просто Н2О, а реальные растворы) относятся к категории редких, так как уже в процессе диагенеза происходят, и иногда весьма существенные, изменения состава сингенетичных (т.е. седиментационных) вод. На поздних этапах диагенеза, а тем более на стадии катагенеза вода выжимается из глинистых осадков в силу их уплотнения. В недрах эта выжатая (элизионная) вода попадает в песчано-алевритовые и другие пористые и проницаемые пласты, являющиеся потенциальными коллекторами, и часто полностью вытесняет содержавшуюся в них «реликтовую» воду.

 

Как показал проф. А.А. Карцев, в ряде случаев объем воды, вновь поступившей в коллекторы из окружающих глинистых пород, превышает объем «своей» воды в несколько раз.

 

Один из современных крупных геохимиков, специалистов в области геохимии осадочных образований, Э.Дегенс (США) под «соnnаte waters» понимает только морскую воду, захваченную осадками при их отложениях; вода аналогичного происхождения, но пресная исключается из объема понятия о «соnnаte waters». Проф. А.А. Карцев для «соnnаte waters» в понимании Э. Дегенса предложил термин «талассогенные воды» (примечание редактора в книге Э. Дегенса «Геохимия осадочных образований», 1967, изд-во «Мир», стр. 171-172).

 

[По смыслу определения «соnnаte waters», даваемому А. Леворсеном в настоящей книге, это связанные воды (interstitial waters» - этот термин иногда переводится как (поровые воды); именно так это трактует и Э. Дегенс). «Cоnnаte waters» - это все воды не являющиеся в полной мере свободными, а в той или иной, хотя бы и очень слабой степени, связанные с породой и. естественно, находящиеся в ее порах. Такие воды, быть может, следовало бы именовать плененнымы, или в переводе с латинского, каптивными].

Смешанные воды оодержат как хлоридные, так и сульфат-карбонат-бикарбонатные соединения. это указывает на их сложную природу, вероятно, метеорные воды смешивались с погребенными водами или частично замещали их в породах. [смешанные воды могут бьтть о6наружены вблизи современной дневной поверхностут или под поверхностями несогласия. Воды нефтяных месторождений могут быть классифицированы также и по условиям залегания на свободные и связанные

 

Свободные воды. Большинство заленжей нефти и газа встречается в водонасьтщенных проницаемых породах. По генезису свободные воды могут быть метеорными, погребенными или смешанными. Вода, заключенная во взаимосвязаттвой системе пор коллекторов, может рассматриваться как непрерывное единое водное тело, в которое погружены минеральные частицы. Вода служит путем, по которому мигрирует нефть, концентруясь в залежи. В подобншх условиях вода, как и в системе городского водопровода, немедленно начнет перемещаться в сторону любого пункта, где давление снижено. Такие воды называются свободными в отличие от связанных вод.

 

Связанные воды. Раньше считали, что все поровое пространство нефтегазонасыщенного природного резервуара заполнено только нефтью или газом. Однако позже при изучении образцов керна выяснилось, что вместе с нефтью и газом во всех залежах в различных количествах присутствует связанная (поровая) вода [11]. В настоящее время полагают, что связанная вода сохранилась в породах со времени отложения осадков. Эта вода настолько тесно связана с частицами пород, что она не была вытеснена во время аккумуляции нефти и газа. Связанные воды на практике часто называют «погребенными», однако термин «связанные воды» представляется более предпочтительным, поскольку его употре6ление не требует знания генезиса вод. В нефтегазонасыщенном природном резервуаре основная часть связанной воды абсорбирована минеральными частицами или удерживается капиллярным давлением в тонких капиллярных отверстиях. Связанные воды шрисутствуют во всех природных резервуарах, и по мере уведичения водонасыщенности к подошве залежи они переходят в свободные воды. Именно свободные воды вытесняются нефтью и газом во время аккумуляции залежи.

 

Количество связанной воды в нефтегазонасьтщенном природном резервуаре редко бывает меньше 10 %, достигая 50 % и даже более от общего объема порового пространства практически во всех скоплениях нефти и газа присутствие связанной воды устанавливается с полной уверенностью [12]. Она была обнаружена в гипсометрически наиболее высокой части природного резервуара, расположеннои на 2000 футов выше ВНК. В образцах керна, взятых в 600 футах выше ВНК на залежи Рейнджли в Колорадо, 50% порового пространства занято связанной водой.

 

Связанная вода играет особо важную роль в аккумуляции залежей нефти и газа и при разработке месторождений.

 

1. По-видимому, существует общая взаимосвязь между содержанием связанной воды в природном резервуаре и характером пористости и проницаемости, а также размером зерен в слагающих этот резервуар породах-коллекторах. На 5-7 можно видеть свойственное множеству природных резервуаров общее увеличение процентного содержания воды с уменьшением проницаемости. Количество связанной воды в целом увеличивается также и по мере снижения пористости¹. Эти закономерности частично объясняются следующим. Поскольку большинство осадков преимущественно гидрофильны (см. стр. 416-421: глава 10, смачиваемость, А.Ф.), более тонкозернистые осадки с их гораздо большей площадью поверхности на единицу объема адсорбируют соответственно большее количество воды. Кроме того, капиллярное давление, удерживающее воду, выше в более тонких порах (см. стр. 421-427: глава 10, капиллярное давление, А.Ф.). Эта связь высокого содержания воды с тонкозернистыми отложениями показана также Траском [13], который установил, что во время отложения осадков вода первоначально занимает примерно 45 % объема порового пространства в хорошо отсортированных мелкозернистых песчаниках, 50 % ‑ в алевролитах, 80 % ‑ в глинах и свыше 90 % ‑- в коллоидах.

 

В породах-коллекторах с непостоянной пористостью, изменяющейся от очень мелких до крупных пор, большее процентное содержание связанной воды обычно приурочено к более мелким капиллярным пустотам и порам, характерным для глинистых песчаников, в то время как нефть заполняет относительно крупные поры. На 5-8 показаны два примера этих соотношений для коллекторов в отложениях третичного и мелового возраста (см. также 10-11). Адсорбированная и связанная вода не играют столь значительной роли в тех нефтенасыщенных природных резервуарах, где размеры пор велики или где коллекторские свойства пород связаны с их трещинова-тостыо. Кристаллические известняки и доломиты чаще, чем чистые песчаники, характеризуются высоким содержанием связанных [плененных] вод и тем не менее дают безводную нефть, так как межкристаллические поры в них, как правило, мельче.

 

2. Извлекаемые запасы нефти и газа в залежи уменьшаются в результате того, что поровое пространство занято водой. Поэтому, прежде чем оценивать объем порового пространства, которое может быть заполнено нефтью и газом, необходимо установить объем содержащейся в нем воды.

 

3. Пластовые воды вместе с растворенными в них минеральными веществами представляют собои химический агент и могут оказывать сильное химическое и физическое воздействие на минералогический состав пород-коллекторов. Особенно сильно это влияние сказывается на глинистых и коллоидных веществах, которые в отдельных случаях могут быть химически весьма неустойчивыми.

 

По прошествии определенного периода геологического времени соотношение между водой и глиной стабилизируется и достигается равновесие между содержанием флюидов и вмещающей их средой. Это равновесие может быть нарушено при любых изменениях характера пластовых вод как в результате геологических явлений, так и в результате искусственного введения воды в пласт во время бурения или при применении вторичных методов эксплуатации. При изменении условий в природном резервуаре некоторые глинистые породы могут разбухать, вследствие чего уменьшится или даже полностью исчезнет проницаемость, добыча упадет и могут серьезно пострадать результаты всех работ. Другим фактором, почти совершенно не изученным, но безусловно существующим, является каталитическое воздействие минерализованных пластовых вод на сложные химические и биохимические реакции, происходящие в коллекторских породах.

 

Пленка адсорбированной воды вокруг гидрофильных минеральных зерен не позволяет нефти, находящейся в порах коллекторов, соприкасаться с частицами самой породы (5-9); поверхности раздела между породой и нефтью здесь в действительности не существуют, а имеются лишь контакты нефти с водой. В результате вода как бы играет роль «смазки» для нефти.

 

В большинстве извлеченных на поверхность нефтей в виде мельчайших кристаллов присутствует каменная соль (NaCl). По-видимому, это частично объясняется осаждением соли из связанных вод коллекторов по мере падения пластового давления во время, эксплуатации залежи. Поэтому остаточные связанные воды будут иметь несколько иной химический состав по сравнению с первоначальными. Для того чтобы содержащиеся в поровом пространстве флюиды вновь пришли в равновесное состояние, требуется некоторое время. Перепад температур и давлений между природным резервуаром в недрах и поверхностью земли также способствует осаждению соли из извлекаемой воды. Однако осаждение соли из воды после удаления ее из коллектора не влияет на концентрацию солей, остающихся в пластовых водах.

 

Воды нефтяных месторождений с растворенными в них солями представляют собой электролиты, и их удельное электрическое сопротивление уменьшается с увеличением солености. Эта закономерность является основой для интерпретации электрокаротажных кривых удельных сопротивлений. Породы, насыщенные солеными водами, имеют обычно низкое сопротивление, поскольку вода, находящаяся в связанной системе пор и обладающая высокой электропроводностью, маскирует низкую электропроводность самих пород. Даже в некоторых природных резервуарах, заполненных нефтью и газом с низкой электропроводностью, высокое процентное содержание связанной воды со значительной электропроводностью может привести к тому, что высокие сопротивления нефти и газа не отразятся на электрокаротажных кривых, и в результате будет допущена ошибка при выделении нефтегазоносных пластов. Там, где содержание связанной воды в нефтегазосодержащем природном резервуаре ниже 10 %, что отмечается редко, электрическое сопротивление толщи стремится к бесконечности. Измеренное удельное сопротивление оказывается высоким, так как количество воды недостаточно для обеспечения непрерывной связи, а следовательно, и электропроводности между порами, вода в которых находится в виде изолированных капелек [т.е. является плененной водой]. По мере увеличения содержания воды все большее ее количество образует сплошные пленки вокруг минеральных частиц, и отдельные капельки воды приходят в соприкосновение друг с другом. В результате связующие пленки связанной (поровой) воды образуют направленные во все стороны проводящие пути для электрического тока.

 

 

К содержанию: Леворсен: ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА

 

Смотрите также:

 

Поиски и разведка месторождений  Углеводороды нефть, газ, конденсат  РЕСУРСЫ МОРЯ. Нефть, газ

 

Закон О нефти и газе о недропользование  Размещение нефтяных и газовых месторождений.