Поступление воздушных газов в подземные воды
Лекция 7
Растворенные газы подземных вод нефтегазоносных бассейнов
Природные подземные воды в том или ином количестве содержат растворенные газы. Особенно большое количество растворенных, преимущественно углеводородных, газов находится в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов.
Условия образования природных газов
Условия образования природных газов исключительно разнообразны. Это — химические реакции, воздействие на горную породу высоких температур и давлений, радиоактивный распад, биохимическое превращение вещества и др. Процессы образования газообразных веществ происходят повсеместно. А так как газы обладают чрезвычайной подвижностью и способны образовывать механические смеси любого состава, то генетически чистые скопления (ассоциации) природных газов отсутствуют (А.Л.Козлов, 1950 г.; В.А.Соколов, 1966 г., и др.).
При разработке классификации В.И.Вернадский исходил из морфологии природных газов (формы нахождения в земной коре), их химического состава и истории в пространстве и времени. С точки зрения морфологии им выделены: 1) газы свободные (в том числе атмосферные); 2) газы, содержащиеся в порах горных пород; 3) газовые струи; 4) газовые испарения; 5) жидкие растворы газов (газы океанов); 6) твердые растворы газов (газы, адсорбированные горными породами). По химическому составу газы были подразделены на: 1) газы земной поверхности; 2) газы, связанные с высокой температурой; 3) газы, проникающие в земную кору. При этом допускалось, что газы, находящиеся или образующиеся в различных геохимических условиях, отличаются и по химическому составу. Так, для газов земной поверхности (атмосферы) характерен кислород. Высокотемпературные (вулканические) газы содержат НС1, HF, NH3 и другие соединения, образование которых возможно лишь при воздействии высоких температур на горные породы. Среди газов, проникающих в земную кору по тектоническим трещинам, В.И.Вернадский выделил азотные, углекислые, метановые и водородные струи.
Пути и условия поступления природных газов в подземные воды
Поступление воздушных газов в подземные воды
Седиментационные и инфильтрационные воды первоначально имели контакт с воздухом и, следовательно, растворяли газы атмосферы. Известно, что атмосфера Земли за геологическую историю претерпела значительные изменения. Большинство исследователей полагают, что на начальных этапах истории Земли ее атмосфера была углекисло-азотной, другие допускают в качестве основных компонентов метан и аммиак. В дальнейшем под влиянием фотосинтеза еще в раннем фанерозое формируется современная кислородно-азотная атмосфера. В нижних слоях современной атмосферы основными компонентами являются азот и кислород, остальные газы находятся в резко подчиненных количествах. При растворении в воде состав воздуха изменяется в соответствии с коэффициентами растворимости отдельных компонентов, при этом увеличивается относительное содержание кислорода, аргона и особенно углекислоты.
Для инфильтрационных вод температуру, при которой происходит их обогащение воздушными газами, можно принять равной 10°С. Поскольку эти воды пресные, то при нормальных условиях их обогащение азотом составит 14,5, аргоном - 0,39см3/л. Для вод, полностью насыщенных хлоридами натрия, включающими хлориды щелочноземельных элементов (солеродные бассейны), количество растворенного азота будет равно 3 и аргона 0,064 см3/л.
Таким образом, предельные величины захвата из воздуха азота изменяются от 3,0 до 16,3 и аргона - от 0,064 до 0,43см3/л. Учитывая, что седиментационные воды лагунных бассейнов составляют относительно малую долю общего объема подземных вод, количество воздушного азота в подземных водах можно принять равным 13,4-16,3 и аргона 0,33-0,43см3/л.
Кислород.В пластовые воды кислород попадает преимущественно из воздуха, но в результате химической активности быстро связывается. Поэтому в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов он обычно отсутствует, встречаясь лишь в зоне активного водообмена. Это положение подтверждается специальными исследованиями. Так, А.И.Германовым (1955г.) было выполнено более 200 определений кислорода, концентрация которого варьировала от 0,30 до 2,27см3/л; пробы воды отбирались в различных гидрогеологических структурах на глубинах до 650м. Максимальные концентрации кислорода до 227см3/л были получены на глубинах первых десятков метров в интенсивно промываемых интрузивных и эффузивных породах. Ю.А.Спеваком (1962г.) установлено содержание кислорода от 0,3 до 2,5см3/л в контурных водах IX горизонта газового месторождения Газли на глубинах до 900м, что объясняется интенсивным инфильтрационным промывом.
В осадочных отложениях находится большое количество связанного кислорода, где протекают процессы, в результате которых кислород, освобождаясь от одних соединений, вступает в другие реакции. Не исключается возможность образования некоторой части свободного кислорода в подземных водах в результате радиолиза вод.
Гелий и аргон. При выяснении геохимических условий нефтегазоносных бассейнов значительный интерес представляет изучение инертных газов - гелия и аргона, которые в естественных условиях не образуют химических соединений. Из инертных газов лучше изучены гелий и аргон: первый представляет весьма ценную в промышленном отношении примесь к природным газам; второй используется как геохимический показатель ряда геологических процессов.
Гелий из воздуха в подземные воды попадает в ничтожных количествах - 0,000047см3/л. Учитывая температуру (10° С), содержание воздушного гелия в инфильтрационных водах можно определить равным 0,000045см3/л, а в седиментационных водах морского генезиса - 0,000043 см3/л. Фактически его количество в подземных водах НГБ значительно выше. Другим источником гелия пластовых вод является гелий радиогенного генезиса. Кроме радиогенного гелия и гелия ядерных реакций в глубинных геосферах Земли имеется и космогенный, первичный гелий, сохранившийся со времени формирования планеты. Каждому из этих источников гелия свойственно свое соотношение изотопов.
Выше отмечалось, что в пластовых водах предельные концентрации атмосферного аргона составляют 0,33—0,43 см3/л (без учета вод лагун). Фактически концентрация аргона в водах нефтегазоносных бассейнов изменяется в более широких пределах. Пониженное содержание аргона (менее 0,30-0,33 см3/обуславливается влиянием нефтяных залежей: аргон в результате высокой растворимости в нефти начинает поступать из вод в залежи. Более высокие концентрации связаны с поступлением в пластовые воды радиогенного аргона: в результате радиоактивного распада 40К содержание аргона беспрерывно увеличивается.
Азот. В пластовых водах нефтегазоносных бассейнов азот является обязательным компонентом. В окраинных частях бассейнов среди водорастворенных газов азот преобладает, образуя, как правило, провинции азотных газов. Предельные величины захвата из воздуха азота изменяются от 3,0 до 1,63см3/л. Фактически его содержание в водах большинства НГБ колеблется от 10 до 400см3/л, реже более. С увеличением стратиграфического возраста содержание азота в водах повсеместно увеличивается от кайнозоя до палеозоя.
Большинство исследователей считают одним из основных источников азота пластовых вод ОВ пород, в котором при высоком содержании протеина количество азота может достигать 10%. В дисперсно рассеянном ОВ азота содержится 0,2-3%, в углях - 0,9-9,0%.
Другим источником газообразного азота является выделяющийся в процессе метаморфизма осадочных пород связанный азот, содержание которого почти на порядок превышает количество органического азота. В процессе прогрессивного метаморфизма (до гранито-гнейсов) подавляющая часть этого азота (до 90%) высвобождается из породы. Значительные количества азота содержатся и в метаморфизованных, кристаллических породах.
Согласно расчетам, выполненным различными авторами для отдельных НГБ, достаточно высвободиться 1 % азота ОВ или 0,1% химически связанного азота из пород, чтобы полностью обеспечить наблюдаемые концентрации его в подземных водах НГБ. Эти расчеты опровергают представления о происхождении азота в газах преимущественно за счет разрушения нефтей (А.Н.Воронов, Г.И.Вишняков, 1970 г.; О.Д.Штогрин, 1974г.).
Углекислый газ. Максимальное количество углекислоты, которое может быть захвачено водой из воздуха, составляет 0,814см3/л. Пресными инфильтрационными водами при 10°С и морской водой нормальной солености при 5°С будет захвачено-примерно 0,36-0,37см3/л СО2. Эти незначительные количества углекислоты быстро вступят в реакции и будут удалены из пластовых вод.
Мощным и распространенным источником углекислоты в осадочных отложениях является ОВ, обязательным продуктом абиогенного разложения которого является СО2. Уже в почвах и поверхностных отложениях образуется до 13,5- 1010 т/год СО2 (В.А.Успенский, 1956 г.), часть которого захватывается подземными водами. Однако значительная часть органогенной углекислоты осадочных пород вступает в реакции с образованием карбонатов и бикарбонатов.
Большое количество углекислоты поступает в пластовые воды в результате динамо- и термометаморфизма карбонатных и магматических пород. Только за счет метаморфизма докембрийских осадочных пород могло образоваться примерно 1,4 -1017 т углекислоты (А.В.Сидоренко, С.А.Сидоренко, 1973г.). Важную роль играет углекислота, поступающая из магмы (вулканогенная, магматическая).
При изучении пластовых вод нефтегазоносных бассейнов в большинстве случаев определяют свободно выделившуюся углекислоту, которая обычно составляет менее 5% состава растворенных газов. Однако из-за легкой растворимости углекислоты значительное ее количество остается в растворенном состоянии. Повышенные концентрации вторичной углекислоты в пластовых: водах отмечаются на контактах с залежами УВ. Последнее обусловлено окислением углеводородов сульфатами вод.
Сероводород. Преимущественно вулканического происхождения, сероводород широко распространен в природе, в частности во многих районах развития минеральных вод, в которых он наряду с углекислотой нередко является основным компонентом. В осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов образование сероводорода обусловлено множеством факторов. В зоне гипергенеза сероводорода образуется при взаимодействии сульфатов с ОВ при участии сульфатвосстанавливающихся бактерий. В погруженных частях осадочного чехла, где температуры более 70—80° С, эти процессы замедленны (В.Л.Мехтиева, 1962г.; Е.П.Розанов, С.И.Кузнецов, 1974г.). Здесь генерация сероводорода его связана с термокаталитическими процессами разложения сероорганических соединений и химического восстановления сульфатов. Этому высокотемпературному сероводороду свойственны повышенные концентрации. Повсеместно в зонах распространения повышенных концентраций сероводорода в залежах и пластовых водах развиты эвапаритовые формации (А.Н.Воронов, Е.А.Рогозина,. В.П.Якуцени, 1976г.).
В связи с высокой растворимостью сероводорода в воде вряд ли возможно региональное насыщение им пластовых вод. В пресной воде при давлении 20,4 МПа и температуре 104,4°С растворяется 223 500см3/л сероводорода; в воде с минерализацией 117г/л растворимость его составляет 0,6% растворимости в пресной воде при температуре 60°С (А.И.Чистовский, 1966 г.).
Водород. Благодаря химической активности и миграционной способности молекулярный водород редко обнаруживается в природных газах в значительных концентрациях. Скопления его возможны при наличии слабопроницаемых покрышек, таких как соли или очень плотные интрузивные и метаморфизованные породы.
Водород является непременным компонентом вулканических газов (С.О.Мацуо, 1965г.; А.В.Щербаков, Н.Д.Козлов, Г.Н.Смирнова, 1974г.). Иногда водород присутствует в газах грязевых вулканов до 15,4%. Водород обнаруживается и в породах осадочного чехла. В газах нефтяных и газовых месторождений водород встречается крайне редко.
В.А.Соколов (1965, 1971гг.) выделяет три основных источника водорода: разложение воды под действием радиоактивных элементов, химические реакции воды с окислами металлов и разложение воды при высоких температурах на контакте с горными породами.
Большое количество молекулярного водорода образуется при многих процессах бактериального брожения. Некоторые исследователи допускают, что бактериальная генерация водорода не уступает по размерам генерации метана. Однако в осадках значительные концентрации водорода не фиксируются. Водород интенсивно потребляется различными микроорганизмами: в анаэробных условиях - сульфатредуцирующими и метанообразующими, в аэробных - представителями автотрофных водородных бактерий.
Изучение растворенных газов пластовых вод палеозойских отложений Волго-Уральской нефтегазоносной провинции показало, что содержание водорода не зависит от тектонического, стратиграфического и литологического факторов, не обусловливается продуктивностью или непродуктивностью изученных горизонтов. В то же время установлена зависимость содержания водорода в пластовых водах от длительности стояния скважин. Главная роль при этом, вероятно, принадлежит взаимодействию сероводородсодержащих вод с металлом обсадных колонн и явлению электрохимической коррозии.
Углеводородные газы. В пластовых водах нефтегазоносных бассейнов углеводородные газы широко распространены и преимущественно образуют свободные газовые скопления. Основным и наиболее распространенным компонентом углеводородных газов является метан (СН4). Этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10) и более тяжелые гомологи метана содержатся в незначительных количествах, редко достигают в водах газоносных районов 3—5%, и лишь в нефтеносных областях в приконтурных водах нефтяных залежей содержание гомологов метана может достигать 10% и более.
Метан является простейшим углеводородным соединением. Начало его образования синхронно отложению осадка и не требует особых физико-химических условий среды. Метан образуется в современных осадках и входит в состав болотных и почвенных газов.
С увеличением глубины залегания осадочных пород (с повышением температуры и давления) в пластовых водах появляются тяжелые гомологи метана, вначале этан, затем пропан, бутан и гексан. Основным источником углеводородных газов в пластовых водах НГБ является рассеянное и концентрированное ОВ осадочной толщи, общее количество которого в породах континентального сектора стратисферы составляет 72-1014 т (Н.Б.Вассоевич, 1973 г.).
При магматических процессах и глубоком метаморфизме осадочных пород возможно образование всего спектра природных газов. Однако условия газообразования, их интенсивность и направленность будут существенно отличаться в связи с высокими температурами и давлением.
Важное значение для определения генетической природы углеводородных газов имеет изучение изотопного состава углерода. Наиболее тяжелый углерод отмечается в известняках. Углерод, связанный с магматической деятельностью, занимает промежуточное положение. Самый легкий углерод входит в состав ОВ, битуминозных осадков, нефти и углеводородного газа (Ф.А.Алексеев, 1972, 1973гг.); (Э.М.Галимов, 1973; Т.А.Крылова, 1968г.).